BR112012024696A2

BR112012024696A2 - Aparelho de alimentação de energia sem contato e método de alimentação de energia sem contato

Info

Publication number: BR112012024696A2
Application number: BR112012024696-8A
Authority: BR
Inventors: Kraisorn Throngnumchai; Toshihiro Kai; Yusuke Minagawa
Original assignee: Nissan Motor Co., Ltd.
Priority date: 2010-03-31
Filing date: 2011-03-07
Publication date: 2021-03-30
Also published as: MY180282A; MX2012011121A; JP5691458B2; CN102823110A; US20130026850A1; RU2012146191A; JP2011229360A; EP2555377A4; KR101438298B1; BR112012024696B1; CN102823110B; RU2549838C2; US9525302B2; EP2555377A1; EP2555377B1; WO2011122249A1; KR20130018811A

Abstract

aparelho de alimentação de energia sem contato e método de ali-mentação de energia sem contato como um aspecto da presente invenção, um aparelho de alimentação de energia sem contato inclui: um ressoador de transmissão de energia; e um ressoador de recepção de energia, configurado para ser acoplado magneticamente com o ressoador de transmissão de energia por ressonância de campo magnético. o ressoador de trans-missão de energia é acoplado magneticamente com o ressoador de recepção de energia por ressonância de campo magnético, com o que energia elétrica é suprida de uma fonte de energia elétrica ao ressoador de recepção de energia pelo ressoador de transmissão de energia. um dos ressoadores de transmissão de energia e ressoador de recepção de energia tem uma frequência ressonante única predeterminada, e o outro dos ressoador de transmissão de energia e ressoador de recepção de energia tem múltiplas frequências ressonantes, incluindo a frequência ressonante única pre-determinada.

Description

. "APARELHO DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA SEM CONTATO E MÉTODO DE ALIMENTAÇÃO DE ENERGIA SEM CONTATO" Campo da invenção A presente invenção se refere a um aparelho de alimentação de energia sem conta- - 5 toeaum método de alimentação de energia sem contato, usando um método de ressonân- cia.

Antecedentes Um método de transmissão de energia utilizando ressonância de campo eletromag- nético, entre um lado de transmissão de energia e um lado de recepção de energia, é co- — nhecido como uma técnica de transmissão de energia sem contato (sem fio). Nesse caso, múltiplos conjuntos de bobinas ressonantes, tendo a mesma frequência ressonante, são proporcionados no lado de recepção de energia, de modo que o lado de recepção de ener- gia pode receber energia elétrica transmitida do lado de transmissão de energia, de modo seguro e suficiente, mesmo quando uma posição de parada de um veículo se desvia de uma posição predeterminada (consultar o parágrafo [0094] e a Figura 10 da literatura de patente

1.

Lista de citações Literatura de patentes Literatura de patente: publicação do pedido de patente japonesa de nº 2009-

106136.

Resumo da invenção No entanto, uma vez que múltiplos conjuntos das bobinas ressonantes de recepção de energia, assim proporcionados, têm a mesma frequência ressonante, há um problema de deterioração na eficiência de transmissão de energia, quando a frequência ressonante para as bobinas de recepção de energia ou de transmissão de energia, ajustada inicialmente, varia devido a um fator externo, tal como uma condição ambiental.

Um problema técnico a ser solucionado pela presente invenção é proporcionar um aparelho de alimentação de energia sem contato e um método de alimentação de energia sem contato, que sejam capazes de eliminar a deterioração na eficiência de transmissão de energia, no caso de uma variação relativa na frequência ressonante de um ressoador de transmissão de energia ou um ressoador de recepção de energia.

Como um aspecto da presente invenção, um aparelho de alimentação de energia sem contato inclui: um ressoador de transmissão de energia; e um ressoador de recepção de energia, configurado para ser acoplado magneticamente com o ressoador de transmis- —sãode energia por ressonância de campo magnético. O ressoador de transmissão de ener- gia é acoplado magneticamente com o ressoador de recepção de energia por ressonância de campo magnético, com o que energia elétrica é suprida de uma fonte de energia elétrica ao ressoador de recepção de energia pelo ressoador de transmissão de energia. Um dos ressoador de transmissão de energia e ressoador de recepção de energia tem uma frequên- cia ressonante única predeterminada, e o outro dos ressoador de transmissão de energia e ressoador de recepção de energia tem múltiplas frequências ressonantes, incluindo a fre- - 5 —quênciaressonante única predeterminada. De acordo com a presente invenção, mesmo quando a frequência ressonante para : um dos ressoador de transmissão de energia e o ressoador de recepção de energia varia devido a um fator externo ou similar, é ainda possível transmitir a energia utilizando a fre- quência ressonante variada pois o outro dos ressoador de transmissão de energia e ressoa- dor de recepção de energia tem múltiplas frequências ressonantes inclusive a frequência ressonante previamente mencionada. Desta forma, deterioração na eficiência de transmis- são de energia pode ser suprimida em caso de uma variação relativa na frequência resso- nante.

Breve descrição dos desenhos A Figura 1 é um diagrama de configuração global mostrando um sistema de alimen- tação de energia para um veículo elétrico, no qual uma primeira concretização da presente invenção é aplicada.

A Figura 2 é um diagrama de circuito elétrico mostrando uma configuração detalha- da do sistema de alimentação de energia na Figura 1.

A Figura 3A mostra um circuito ressonante LC em paralelo e um gráfico de uma ca- racterística de impedância dele.

A Figura 3B mostra um circuito ressonante LC em série e um gráfico de uma carac- terística de impedância dele.

A Figura 3C mostra um par de circuitos ressonantes LC, tendo diferentes frequên- ciasressonantes, e um gráfico de características de impedâncias deles.

A Figura 4(a) é um gráfico mostrando uma característica de impedância de uma bobina de transmissão de energia nas Figuras 1 e 2, e a Figura 4(b) é um gráfico mostrando as características de impedâncias de uma bobina de recepção de energia 2 dela.

A Figura 5 é um diagrama de circuito elétrico mostrando outro exemplo da bobina detransmissão de energia e da bobina de recepção de energia na Figura 2.

A Figura 6 é um gráfico mostrando um outro exemplo da característica de impedân- cia da bobina de transmissão de energia 1 e da característica de impedância da bobina de recepção de energia 2 na Figura 4.

A Figura 7 é um diagrama esquemático mostrando um exemplo de passos de enro- lamento da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2 na Figura 2. A Figura 8 é um gráfico mostrando as características de autoressonância da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2 na Figura 7.

A Figura 9 é um diagrama esquemático mostrando mais um outro exemplo de enro- lamento da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2 na Figura 2.

- 5 A Figura 10 é uma vista em perspectiva mostrando outro exemplo de disposição da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2 na Figura 1.

A Figura 11 é um diagrama de circuito elétrico mostrando outro exemplo de configu- ração detalhada do sistema de alimentação de energia na Figura 1.

A Figura 12 é um diagrama de circuito elétrico mostrando mais um outro exemplo de configuração detalhada do sistema de alimentação de energia na Figura 1.

A Figura 13 é um diagrama de circuito elétrico mostrando ainda mais um outro exemplo de configuração detalhada do sistema de alimentação de energia na Figura 1.

A Figura 14 é um gráfico mostrando uma característica de ressonância de uma bo- bina de recepção de energia 2 na Figura 12.

A Figura 15 é um diagrama de circuito elétrico mostrando outros exemplos de con- figuração da bobina de transmissão de energia 1 ou da bobina de recepção de energia 2 na Figura 1.

Descrição das concretizações [Primeira concretização] Uma primeira concretização da presente invenção vai ser descrita abaixo com base nos desenhos. Nos desenhos, os mesmos constituintes são indicados por números de refe- rência iguais, e uma explicação em duplicata vai ser omitida. A Figura 1 é um diagrama de configuração global mostrando um sistema de alimentação de energia para um veículo, ao qual uma primeira concretização da presente invenção é aplicada, em que a presente inven- çãoé representada como um sistema de alimentação de energia, para suprir energia elétri- ca a um motor de acionamento MT de um veículo elétrico V.

Um aparelho de alimentação de energia 10 da concretização inclui uma fonte de energia de corrente alternada de alta frequência 6, uma bobina primária 4, uma bobina de transmissão de energia 1, uma bobina de recepção de energia 2, uma bobina secundária 5, umretificador7e um dispositivo de armazenamento de energia 8. Do aparelho de alimenta- ção de energia 10, a bobina de recepção de energia 2, a bobina secundária 5, o retificador 7 e o dispositivo de armazenamento de energia 8 são proporcionados no veículo elétrico V, enquanto que a fonte de energia de corrente alternada de alta frequência 6, a bobina primá- ria 4 e a bobina de transmissão de energia 1 são proporcionadas fora do veículo elétrico V.

Um ponto de alimentação de energia é um exemplo de lado de fora do veículo elétrico V.

Nesse caso, o motor de acionamento MT é conectado a um sistema de acionamen- to (um trem de energia) do veículo elétrico V. O motor de acionamento MT gera uma força de acionamento de veículo por recebimento de energia elétrica do dispositivo de armaze- namento de energia 8, e transmite a força de acionamento de veículo gerada por meio do sistema de acionamento. Desse modo, o veículo elétrico V se desloca. Enquanto isso, no caso de uso de um motor de corrente alternada como o motor de acionamento MT, um con- S versorde energia, tal como um inversor, que não é ilustrado na Figura 1, é proporcionado entre o dispositivo de armazenamento de energia 8 e o motor de acionamento MT.

A bobina de recepção de energia (uma bobina autorressonante secundária) 2, pro- porcionada no veículo elétrico V, é formada de bobinas LC, tendo cada uma delas duas ex- tremidades abertas (desconectadas), e é acoplada magneticamente com a bobina de trans- missão de energia (uma bobina autorressonante primária) 1 do aparelho de alimentação de energia 10 por ressonância de campo magnético. Desse modo, a bobina de transmissão de energia 2 pode receber energia de corrente alternada da bobina de transmissão de energia

1. Especificamente, o número de espiras, a espessura e o passo de enrolamento da bobina de recepção de energia 2 são ajustados com base em várias condições, incluindo uma vol- tagem do dispositivo de armazenamento de energia 8, uma distância de transmissão de energia entre a bobina de transmissão de energia 1 e a bobina de recepção de energia 2, as frequências ressonantes da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2, e assemelhados. O número de espiras, a espessura e o passo de enrolamento da bobina de recepção de energia 2 são ajustados de modo a obter-se um grande valor Q, indi- cando resistência à ressonância entre a bobina de transmissão de energia 1 e a bobina de recepção de energia 2, bem como um grande valor k, indicando o grau de acoplamento en- tre elas. Uma configuração da bobina de recepção de energia 2, incluindo o ajuste das fre- quências ressonantes vai ser descrito abaixo.

A bobina secundária 5 é uma bobina de uma espira, cujas duas extremidades são conectadas entre si, e é capaz de receber a energia elétrica da bobina de recepção de energia 2 por indução eletromagnética. É preferível que a bobina secundária 5 seja localiza- da coaxialmente com a bobina de recepção de energia 2. A bobina secundária 5 é proporci- onada para evitar uma variação em uma frequência autorressonante da bobina de recepção de energia 2. Além do mais, a bobina secundária 5 transmite a energia elétrica recebida da —bobinade recepção de energia 2 ao retificador 7.

: O retificador 7 retifica a energia de corrente alternada de alta frequência, recebida da bobina secundária 5, e transmite a energia retificada para o dispositivo de armazenamen- to de energia 8. Nesse caso, em vez do retificador 7, é também possível usar um conversor de CA / CC, configurado para converter a energia de corrente alternada (CA) de alta fre- —quência, recebida da bobina secundária 5, em energia de corrente contínua (CC). Nesse caso, um nível de voltagem da energia de corrente contínua é ajustada igual a um nível de voltagem do dispositivo de armazenamento de energia 8.

. O dispositivo de armazenamento de energia 8 é uma fonte de energia de corrente contínua carregável e descarregável, que é formada de uma célula secundária usando íons de lítio ou hidreto metálico de níquel.

A voltagem do dispositivo de armazenamento de ener- gia 8 é, por exemplo, em uma faixa de cerca de 200 a 500 V.

O dispositivo de armazena- —mentodeenergia8 é capaz de armazenar a energia elétrica suprida do retificador 7, e, além disso, de armazenar energia regenerada, que é gerada pelo motor de acionamento MT.

De- pois, o dispositivo de armazenamento de energia 8 supre a energia armazenada ao motor de acionamento MT.

Nesse caso, um capacitor de grande capacidade pode ser usado como o dispositivo de armazenamento de energia 8 em lugar, ou além, da bobina secundária.

O dispositivo de armazenamento de energia 8 apenas precisa ser um separador de energia, que é capaz de: armazenar temporariamente a energia elétrica 7 do retificador 7 ou do mo- tor de acionamento MT; e suprir a energia elétrica armazenada ao motor de acionamento MT.

Enquanto isso, a fonte de energia de corrente alternada de alta frequência 6, insta- ladana parte externa do veículo elétrico V (no ponto de alimentação de energia), inclui: um uma fonte de energia de sistema 6a (uma fonte de energia de corrente alternada infraestru- tural comercial, de propriedade da empresa de energia elétrica), e, por exemplo, um conver- sor de energia 6b.

O conversor de energia 6b converte energia de corrente alternada, rece- bida da fonte de energia de corrente alternada 6a, na energia de corrente alternada de alta frequência, que pode ser transmitida da bobina de transmissão de energia 1 para a bobina de recepção de energia 2 no veículo elétrico V, e supre a energia de corrente alternada de alta frequência, assim convertida, à bobina primária 4. A bobina primária 4 é capaz de transmitir a energia de corrente alternada para a bobina de transmissão de energia 1 por indução eletromagnética, e é localizada, de prefe- rência, coaxialmente com a bobina de transmissão de energia 1. A bobina primária 4 é pro- porcionada para evitar uma variação em uma frequência autorressonante da bobina de transmissão de energia 1. Além do mais, a bobina primária 4 transmite a energia elétrica, recebida do conversor de energia 6b, para a bobina de transmissão de energia 1. A bobina de transmissão de energia 1 é instalada, por exemplo, vizinha ao solo no — ponto de alimentação de energia.

A bobina de transmissão de energia 1 é formada de bobi- nas ressonantes LC, tendo cada uma delas duas extremidades abertas (desconectadas), e é acoplada magneticamente com a bobina de recepção de energia 2 no veículo elétrico V por ressonância de campo magnético.

Desse modo, a bobina de transmissão de energia 1 é capaz de transmitir a energia de corrente alternada para a bobina de recepção de energia 2. Especificamente, o número de espiras, a espessura e o passo de enrolamento da bobina de transmissão de energia 1 são ajustados como adequado, com base em várias condições, incluindo a voltagem do dispositivo de armazenamento de energia 8, carregado pela energia transmitida da bobina de transmissão de energia 1, a distância de transmissão de energia entre a bobina de transmissão de energia 1 e a bobina de recepção de energia 2, as fre- quências ressonantes da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2, e assemelhados, de modo a obter o grande valor Q e o grande valor k. Uma con- figuraçãoda bobina de transmissão de energia 1, incluindo o ajuste da frequência ressonan- te, vai ser descrita abaixo.

' A Figura 2 é um diagrama de circuito especificando ainda o sistema de alimentação de energia mostrado na Figura 1. O conversor de energia 6b, mostrado na Figura 1, pode ser materializado como uma fonte de energia de comutação, como mostrado, por exemplo, —naFigura2. O conversor de energia 6b na Figura 2 inclui: um circuito retificador formado de múltiplos diodos e configurado para retificar a fonte de energia de corrente alternada 6a; e um circuito talhador dotado com múltiplos transistores e configurado para gerar a energia de corrente alternada de alta frequência da energia de corrente alternada obtida por retificação.

A bobina primária 4 forma um acoplamento magnético M, entre a bobina primária 4 ecadauma das três bobinas ressonantes LC, incluídas na bobina de transmissão de ener- gia 1, e, desse modo, transmite a energia de corrente alternada pelo conversor de energia 6b para a bobina de transmissão de energia 1.

Como mostrado na Figura 2, a bobina de transmissão de energia 1 inclui os três circuitos ressonantes LC, que são, por exemplo, mutuamente conectados em série. Cada circuito ressonante LC é ajustado de modo a ter uma única frequência autorressonante fo. Notar que a frequência autorressonante de cada circuito ressonante LC pode ser ajustada por ajuste das forma e tamanho da bobina, incluindo o número de espiras, a espessura e o passo de enrolamento da bobina.

Enquanto isso, a bobina de recepção de energia 2 incluir três circuitos ressonantes LCLC21, La2C22, Lo3C23, que são, por exemplo, mutuamente conectados em série. Os três circuitos ressonantes LC L21C21, L22C22, La3C2;3 São instalados de modo que sejam capazes de receber a energia de corrente alternada transmitida dos respectivos circuitos ressonantes L da bobina de transmissão de energia 1.

Enquanto isso, a bobina secundária 5 inclui uma bobina Lg, que forma acoplamento — magnético M entre a bobina secundária 5 e as bobinas L21, L22, Log Nos respectivos três cir- cuitos ressonantes LC 12,C>21, L22C 22, Lo3C23. Desse modo, a bobina secundária 5 é capaz de receber a energia de corrente alternada da bobina de recepção de energia 2. O retificador 7 pode ser materializado por uso de um circuito incluindo múltiplos diodos, para retificar a energia elétrica recebida. Desse modo, a energia de corrente alternada, recebida pelos três circuitos ressonantes LC L2:C21, La2C22, LosCo3, É capaz de ser transferida para as cargas, tais como o dispositivo de armazenamento de energia 8 e o motor MT.

Na Figura 2, a fonte de energia de corrente alternada 6a e o conversor de energia

6b constituem uma "estrutura incluindo uma fonte de energia de comutação"; a bobina pri- mária 4 e a bobina de transmissão de energia 1 constituem um "ressoador no lado de transmissão de energia"; a bobina de recepção de energia 2 e a bobina secundária 5 consti- tuem um "multirressoador no lado de recepção de energia"; e o retificador 7 e as cargas (8, : 5 MT) constituem um circuito de carga.

O princípio de transmissão de energia de acordo com o método de ressonância vai ser descrito. O método de ressonância é o método de transmissão da energia elétrica sem fio, de uma bobina para a outra bobina, por colocação das duas bobinas ressonantes LC, tendo a mesma frequência natural, em ressonância por meio de um campo magnético.

Especificamente, como mostrado na Figura 1, a energia de corrente alternada de alta frequência é introduzida da fonte de energia de corrente alternada de alta frequência 6 na bobina primária 4. Desse modo, um campo magnético é gerado na bobina primária 4, e uma energia de corrente alternada de alta frequência é gerada na bobina de transmissão de energia 1 por indução eletromagnética. Cada uma das bobina de transmissão de energia 1 e bobina de recepção de energia 2 funciona como um circuito ressonante LC, usando a indu- tância L da própria bobina e a capacitância errática C entre os fios condutores. A bobina de recepção de energia 2 tem a mesma frequência ressonante que a bobina de transmissão de energia 1, e é, portanto, acoplada magneticamente com a bobina de transmissão de energia 1 por ressonância de campo magnético. Consequentemente, a energia de corrente alterna- daé transferida da bobina de transmissão de energia 1 para a bobina de recepção de ener- gia 2. Depois, um campo magnético é gerado na bobina de recepção de energia 2, por re- cebimento da energia de corrente alternada. O campo magnético na bobina de recepção de energia 6 gera energia de corrente alternada de alta frequência na bobina secundária 5 por indução eletromagnética. A energia de corrente alternada na bobina secundária 2 é retifica- da por energia de corrente contínua pelo retificador 7, e é depois suprida ao dispositivo de armazenamento de energia 8.

Enquanto isso, um circuito ressonante LC, no qual um capacitor C e uma bobina L são conectados em paralelo, é mostrado em uma parte superior da Figura 3A, e uma carac- terística de impedância (frequência f - impedância Z) do circuito ressonante LC em paralelo é mostradaem uma parte inferior da Figura 3A. Na Figura 3A, fo? denota a frequência resso- nante, e Af denota uma meia amplitude da frequência ressonante. Nas Fórmulas (1) e (2), "L" denota a indutância da bobina L, "C" denota a capacitância errática entre os fios condu- tores da bobina L, e "R" denota um valor de resistência parasítica da bobina L. [Expressão 1]

i 1 S o =p 1 h 27 NLC o

R Af == yV A O) Como é evidente das Fórmulas (1) e (2), a resistência parasítica fica menor, pois uma perda da bobina L fica menor. Consequentemente, a meia amplitude da frequência res- sonante fica mais estreita, e o circuito ressonante LC em paralelo apresenta, portanto, uma característica de ressonância excessiva.

Um circuito ressonante LC (também referido como um circuito antirressonante), no qual um capacitor C e uma bobina L são conectados em série, é mostrado em uma parte superior da Figura 3B, e uma característica de impedância (frequência f - impedância Z) do circuito ressonante LC em série é mostrada em uma parte inferior da Figura 3B. A caracte- —rística de impedância mostrada na Figura 3B é diferente daquela da Figura 3A pelo fato de que um valor mínimo aparece na Figura 3b, em vez de um ponto máximo na Figura 3A. Para o resto, o circuito ressonante LC em série, mostrado na Figura 3B, apresenta a característi- ca de impedância similar àquela do circuito ressonante LC em paralelo, mostrado na Figura 3A. Especificamente, no circuito ressonante LC em série, a resistência parasítica fica menor, —poisa perda da bobina L fica menor. Consequentemente, a meia amplitude Af da frequência ressonante fica mais estreita, e o circuito ressonante LC em paralelo apresenta, portanto, uma característica de ressonância excessiva.

Ressonância significa um estado no qual um par de circuito ressonantes é ajustado para que ambos tenham a mesma energia de troca de frequência ressonante, a uma alta eficiência, usando a frequência ressonante. Os inventores da presente invenção atingiram o conhecimento apresentado a seguir em consequência de estudos extensos. Especificamen- te, como mostrado na Figura 3C, por exemplo, mesmo se uma frequência ressonante fo, de um circuito ressonante LC L,C, for diferente de uma frequência ressonante fo, de outro cir- cuito ressonante LC L2C,, os circuitos ressonantes podem ainda trocar energia, a uma alta eficiência, como por ressonância, quando faixas de suas meias amplitudes Af, e Af, se so- brepõem entre si.

As características de impedância da bobina de transmissão de energia 1 e da bobi- na de recepção de energia 2 são ajustadas, como descrito abaixo, com base no conheci- mento mencionado acima adquirido pelos inventores. A Figura 4(a) mostra a característica —deimpedância da bobina de transmissão de energia 1, e a Figura 4(b) mostra a característi- ca de impedância da bobina de recepção de energia 2.

Todos os três circuitos ressonantes LC constituindo a bobina de transmissão de energia 1, mostrados na Figura 2, incluem as bobinas L do mesmo tipo. Os três circuitos

: ressonantes LC têm, portanto, os mesmos valores da indutância L da bobina L, da capaci- tância parasítica C da bobina L, e da resistência parasítica R da bobina L.

Consequente- mente, a bobina de transmissão de energia 1 tem a única frequência ressonante fo, como mostrado na Fórmula (1). Nesse caso, é preferível usar as bobinas L, tendo pequena resis- tência parasítica R, para melhorar a eficiência de transmissão de energia.

Quando a resis- tência parasítica R das bobinas | é reduzida, a meia amplitude Af da frequência ressonante fica mais estreita, como mostrado na Fórmula (2), e o circuito ressonante LC em paralelo apresenta, portanto, uma característica de ressonância excessiva.

Por conseguinte, é possí- vel aperfeiçoar a segurança, porque a energia não é transferida a objetos ou dispositivos — eletrônicos tendo frequências ressonantes fora da meia amplitude Af.

Em comparação, os três circuitos ressonantes LC constituindo a bobina de recep- ção de energia 2, mostrados na Figura 2, incluem, respectivamente, bobinas L de diferentes tipos.

Os três circuitos ressonantes LC têm diferentes valores da indutância L da bobina L, a capacitância parasítica C da bobina L, e a resistência parasítica R da bobina L.

Consequen- temente, a bobina de recepção de energia 2 tem múltiplas frequências ressonantes f,, fo, fa, como mostrado na Fórmula (1). Quando uma relação entre as três frequências ressonantes fa, fo, fa da bobina de recepção de energia 2 é definida como f, < f> < fa, a frequência resso- nante f, da bobina de transmissão de energia 1 é ajustada, de preferência, a uma frequência que pelo menos satisfaz a f, < fo < fa.

As linhas tracejadas na Figura 4(b) mostram as respectivas características de im- pedância dos três circuitos ressonantes LC constituindo a bobina de recepção de energia 2. Uma linha sólida na Figura 4(b) mostra uma característica de impedância global dos três circuitos ressonantes LC, combinando as características de impedância dos três circuitos ressonantes LC conjuntamente, que é obtida como o resultado da ressonância nas respecti- vasfrequências ressonantes f,, f>, f; dos circuitos ressonantes LC.

Uma vez que os três cir- cuitos ressonantes LC, constituindo a bobina de recepção de energia 2, têm as diferentes frequências ressonantes f,, fo, fa, uma característica de frequência (a meia amplitude Af) dos circuitos ressonantes LC, no lado de recepção de energia, como um todo, pode ser feita mais ampla, sem aumento da resistência parasítica R de cada uma das bobinas Lo, Loo, Los. — Então, um circuito multirressonante, tendo a característica de frequência ampliada, é aplica- da ao multirressoador no lado de recepção de energia.

Consequentemente, mesmo quando a frequência ressonante f, do circuito ressonante LC, no lado de transmissão de energia, varia por alguma razão, esse circuito ressonante LC vai entrar em ressonância com um dos circuitos ressonantes LC, no lado de recepção de energia.

É, desse modo, possível, transfe- rir energia enquanto eliminando a deterioração na eficiência de transmissão de energia.

Enquanto isso, a bobina de transmissão de energia 1, mostrada na Figura 2, inclui os três circuitos ressonantes LC tendo a mesma frequência ressonante fo.

Isso é porque: a bobina de recepção de energia 2 inclui os três circuitos ressonantes LC ajustados nas fre- quências ressonantes f,, f2, f; mutuamente diferentes, e a bobina de transmissão de energia 1 pode ser localizada a mais próxima possível dos três circuitos ressonantes LC. Isso possi- bílita eliminar a deterioração em eficiência de transmissão de energia atribuída à distância entreabobinade transmissão de energia 1 e a bobina de recepção de energia 2.

[Segunda concretização] ' O número dos circuitos ressonantes LC, constituindo qualquer da bobina de trans- missão de energia | e da bobina de recepção de energia 2, não é limitado apenas ao exem- plo mostrado na Figura 2. Por exemplo, como mostrado na Figura 5, um circuito ressonante LC, constituindo a bobina de transmissão de energia 1, pode ser formado de uma bobina L e um capacitor C. Nesse caso, é preferível aumentar um diâmetro da bobina, de modo que a bobina possa ser localizada mais próxima possível aos múltiplos circuitos ressonantes LC, que constituem a bobina de recepção de energia 2. Nesse caso, os circuitos ressonantes da bobina de recepção de energia 2 têm que incluir pelo menos dois circuitos ressonantes LC, —parageraras múltiplas frequências ressonantes.

[Terceira concretização] No sistema de alimentação de energia mostrado na Figura 2, as frequências resso- nantes f,, f, fa da bobina de recepção de energia 2 podem ser ajustadas como descrito abaixo. Como a Figura 4(a), a Figura 6(a) mostra a característica de impedância dos circui- tosressonantes LC, constituindo a bobina de transmissão de energia 1. Como a Figura 4(b), a Figura 6(b) mostra as características de impedância dos circuitos ressonantes LC, consti- tuindo a bobina de recepção de energia 2. Especificamente, as linhas tracejadas na Figura 6(b) mostram as características de impedância resistiva dos três circuitos ressonantes LC, constituindo a bobina de recepção de energia 2. Uma linha sólida na Figura 6(b) mostra uma característica de impedância global dos três circuitos ressonantes LC, obtida por combina- ção das características de impedância dos três circuitos ressonantes LC conjuntamente. Pelo uma das frequências ressonantes fi, f., f; dos três circuitos ressonantes LC é ajustada dentro de uma faixa da meia amplitude Af de uma adjacente das frequências ressonantes. Consequentemente, as características de impedância combinadas dos circuitos ressonantes — LC, indicados com a linha sólida na Figura 6(b), podem ser ajustadas para que tenham uma característica relativamente plana dentro de uma faixa de frequências predeterminadas. Desse modo, é possível perceber a meia amplitude Af relativamente ampla, enquanto evi- tando-se um aumento na perda da bobina L, atribuído a um aumento na resistência parasíti- ca R. No exemplo da Figura 6(b), cada uma das frequências ressonantes f,, f>, f; dos três circuitos ressonantes LC é ajustada dentro da faixa da meia amplitude Af da frequência res- sonante adjacente a ela.

As operações dos circuitos elétricos mostrados na Figura 2 são como descrito abai-

xo. Especificamente, a frequência ressonante dos circuitos ressonantes LC da bobina de transmissão de energia 1 é ajustada a fo, e as frequências ressonantes dos três circuitos ressonantes LC da bobina de recepção de energia 2 são ajustadas a f,, fo, fa, respectiva- mente. Além do mais, f. é ajustada, por exemplo, igual a fo. Nesse caso, os três circuitos : 5 — ressonantes LC da bobina de transmissão de energia 1 entram em ressonância com o cir- cuito ressonante LC na parte intermediária, tendo a frequência ressonante f, entre os três ' circuitos ressonantes LC da bobina de recepção de energia 2, e transferem energia a eles a uma alta eficiência. Enquanto isso, a faixa da meia amplitude Af do circuito ressonante LC, na parte intermediária, tendo a frequência ressonante f., se sobrepõe aquelas dos circuitos —ressonantes LC em ambas as extremidades, tendo cada um deles a frequência ressonante menor ou maior que f> (a frequência ressonante f, ou f3). Por essa razão, a energia é trans- ferida a uma alta eficiência do circuito ressonante LC, na parte intermediária, tendo a fre- quência ressonante f, para os circuitos ressonantes LC em ambos os lados. Consequente- mente, a energia pode ser transferida eficientemente de todos os circuitos ressonantes LC da bobina de transmissão de energia 1 para todos os circuitos ressonantes LC da bobina de recepção de energia 2.

Como descrito acima, as meias amplitudes Af dos múltiplos circuitos ressonantes LC, constituindo a bobina de recepção de energia 2, são ajustadas para ficarem sobrepostas entre si, Consequentemente, mesmo no caso de uma variação na frequência ressonante f, dos circuitos ressonantes LC da bobina de transmissão de energia 1, a energia de corrente alternada pode ser transmitida eficientemente desde que a variação caia dentro de uma fai- xa predeterminada, isto é, dentro da faixa da meia amplitude Af combinada (consultar a Fi- gura 6) dos circuitos ressonantes LC, constituindo a bobina de recepção de energia 2.

[Quarta concretização] A Figura 7 mostra a bobina de transmissão de energia 1 e a bobina de recepção de energia 2, nas quais uma quarta concretização da presente invenção é aplicada. Como um sistema de alimentação de energia mostrado na Figura 1, um sistema de alimentação de energia da quarta concretização inclui a fonte de energia de comutação 6, a bobina primária 4, a bobina de transmissão de energia (um circuito ressonante LC) 1, a bobina de recepção — de energia (um circuito ressonante) 2, a bobina secundária 5 e o circuito de carga 8. Cada uma das bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2 usa um circuito autorressonante formado de autoindutância L e capacitância parasítica C.

Além do mais, para ajustar a bobina de transmissão de energia 1 em uma estrutura de ressonância única, a bobina de transmissão de energia 1 da quarta concretização em- prega uma bobina, preparada por enrolamento de um fio uniformemente (a um passo a), como mostrado na Figura 7. Uma vez que o fio é enrolado uniformemente, os fatores de capacitância parasítica, entre os passos do fio, se espalham uniformemente, com o que a bobina de transmissão de energia 1 apresenta características de autorressonância da estru- tura de ressonância única, como mostrado na Figura 8. Por outro lado, a bobina de recep- ção de energia 2 empregada uma bobina preparada por enrolamento desuniforme de um fio, ou uma preparada, por exemplo, por variação gradual dos passos do fio. Os passos do fio podem variar, por exemplo, em uma faixa de a - 1,5d a a + 1,dispositivo formador de manta. Desse modo, os valores de capacitância parasítica entre os passos do fio variam gradual- : mente. Consequentemente, a bobina de recepção de energia 2 apresenta uma característi- i ca de multirressonância, tendo uma maior meia amplitude Af, como mostrado na Figura 8. No exemplo mostrado na Figura 7, os passos do fio da bobina de recepção de energia 2 definem uma série aritmética. No entanto, a invenção não é limitada apenas a essa configu- ração. Um efeito similar pode ser também obtido por uso de uma série geométrica, ou, por exemplo, uma série tendo uma forma de um número inverso da série geométrica. Enquanto isso, a Figura 9 mostra um exemplo da bobina de recepção de energia 2, que é enrolada em uma maneira desuniforme tridimensionalmente. Essa configuração pode também atingir operação e efeito similares.

[Quinta concretização] A Figura 10 é uma vista em perspectiva mostrando as bobinas de transmissão de energia 1 e as bobinas de recepção de energia 2, nas quais uma quinta concretização da presente invenção é aplicada. Cada bobina de transmissão de energia 1 da quinta concreti- —zaçãoé uma bobina ressonante única, preparada por enrolamento uniforme de um fio (no passo a), como mostrado na Figura 7 ou 9. As três bobinas de transmissão de energia 1 são localizadas vizinhas ao solo de um ponto de alimentação de energia, em posições corres- pondentes, respectivamente, aos ângulos de um triângulo equilátero. Então, a energia elétri- ca da fonte de energia de comutação 6b é transmitida para as bobinas de transmissão de —energia1 porindução eletromagnética M com a bobina primária 4.

Enquanto isso, cada bobina de recepção de energia 2 da quinta concretização é uma bobina multirressonante, preparada por enrolamento de um fio, de uma maneira tal a variar gradualmente os passos dentro da faixa de a - 1,5d a a + 1,5d, como mostrado na Figura 7 ou 9. As três bobinas de recepção de energia 2 são localizadas nas vizinhanças de um pisodo veículo elétrico V, por exemplo, em posições correspondentes, respectivamente, aos ângulos de um triângulo equilátero. Então, a energia elétrica, recebida pelas bobinas de recepção de energia 2, é transmitida para o circuito de carga 8 por indução eletromagnética M com a bobina primária 5.

Na quinta concretização, as múltiplas bobinas de transmissão de energia 1, todas preparadas por enrolamento uniforme de fio, e as bobinas de recepção de energia 2, todas preparadas por enrolamento de fio em uma maneira tal a variar gradualmente os passes, são dispostas. Desse modo, mesmo em um caso de uma variação na frequência ressonante fo do circuito ressonante LC de quaisquer das bobinas de transmissão de energia 1, a ener- gia de corrente alternada pode ser transmitida eficientemente, desde que a variação caia dentro da faixa predeterminada, isto é, dentro da faixa da meia amplitude Af combinada (consultar a Figura 6) dos circuitos ressonantes LC constituindo a bobina de recepção de energia2. Além do mais, é também possível eliminar uma redução em eficiência de trans- missão de energia, atribuível a desalinhamento entre o lado de transmissão de energia e o lado de recepção de energia. Em outras palavras, uma vez que as múltiplas bobinas de transmissão 1 e as múltiplas bobinas de recepção 2 são proporcionadas, a redução em efi- ciência de transmissão de energia pode ser eliminada, mesmo quando uma posição de pa- —radado veículo elétrico V se desvia mais ou menos do ponto de alimentação de energia.

Embora três bobinas de transmissão de energia 1 e três bobinas de recepção de energia 2 sejam proporcionadas no exemplo mostrado na Figura 10, o número de cada uma das bobinas não é limitado apenas a três. Além disso, o número das bobinas de transmissão de energia 1 o número das bobinas de recepção de energia 2 não precisam ser iguais entre si, pois os números das bobinas podem ser diferentes. Além do mais, as posições de dispo- sição das três bobinas não são limitadas aos ângulos do triângulo. As bobinas podem ser dispostas em uma direção da frente para trás, ou, por exemplo, em uma direção transversal do veículo elétrico V.

[Sexta concretização] A Figura 11 é um diagrama de circuito elétrico mostrando um sistema de alimenta- ção de energia, ao qual uma sexta concretização da presente invenção é aplicada. Nessa concretização, a bobina primária 4, para transferir energia da fonte de energia de comutação 6b para a bobina de transmissão de energia 1, é omitida, e a bobina de transmissão de energia 1 é conectada diretamente à fonte de energia de comutação 6b. O sistema de ali- —mentação de energia assim configurado também apresenta operação e efeito similares àqueles das primeira à quinta concretizações. Além do mais, a omissão da bobina primária 4 provoca um efeito, no qual é possível obter custos mais baixos, tamanhos menores e menos perdas dos circuitos ressonantes.

[Sétima concretização] A Figura 12 é um diagrama de circuito elétrico mostrando um sistema de alimenta- ção de energia, ao qual uma sétima concretização da presente invenção é aplicada. Ainda que exemplos usando os circuito ressonante LC em paralelo tenham sido descritos para as primeira à sexta concretizações, o mesmo efeito pode ser obtido por uso de circuito resso- nante LC em paralelo que apresentem uma característica antirressonância. Especificamen- te, como mostrado na Figura 12, as bobinas de recepção de energia 3 incluem três circuitos ressonantes LC, todos formados por conexão de uma bobina L e de um capacitor C em sé- rie, e os três circuitos ressonantes LC são conectados conjuntamente em paralelo. Embora os circuito ressonante LC em paralelo de ressonância única sejam usados como a bobina de transmissão de energia 1, os circuitos ressonantes LC em série podem ser usados desde que os circuitos tenham uma estrutura de ressonância única.

[Oitava concretização] A Figura 13 é um diagrama de circuito elétrico mostrando um sistema de alimenta- ção de energia, ao qual uma oitava concretização da presente invenção é aplicada. A bobi- ' na de transmissão de energia 1 ou a bobina de recepção de energia 2 pode usar um circuito ressonante complexo, obtido por combinação de um circuito ressonante LC em paralelo e um circuito ressonante LC em série. A Figura 13 mostra um exemplo da bobina de recepção de energia 2, que é obtida por combinação de um circuito ressonante IC em paralelo e um circuito ressonante LC em série, tendo frequências ressonantes que são mutuamente dife- rentes, enquanto caindo dentro de uma faixa de uma meia amplitude entre si. Especiífica- mente, uma bobina L, e um capacitor C7, constituem o circuito ressonante LC em paralelo, enquanto que a bobina L, e um capacitor C27 constituem o circuito ressonante LC em série —naFigura13.

Deve-se notar que a bobina secundária 5, para transferir a energia da bobina de re- cepção de energia 2 para a carga 8, é omitida no exemplo mostrado na Figura 13. A omis- são da bobina secundária 5 provoca um efeito, no qual é possível obter menores custos, menores tamanhos e menos perdas dos circuitos ressonantes, Além do mais, a bobina pri- —mária4 pode ser também omitida no exemplo mostrado na Figura 13.

A Figura 14 mostra uma característica de ressonância do circuito ressonante com- plexo, que é obtido por combinação do circuito ressonante LC em paralelo (um circuito res- sonante em paralelo) e do circuito ressonante LC em série (um circuito ressonante em sé- rie). Na Figura 14, as curvas indicadas com linhas tracejadas representam, respectivamente, ascaracterísticas de ressonância do circuito ressonante em paralelo e do circuito ressonan- te em série, enquanto que uma curva indicada com uma linha sólida representa a caracterís- tica de ressonância do circuito ressonante complexo.

A bobina de transmissão de energia 1 ou a bobina de recepção de energia 2 pode - incluir quaisquer dos circuitos ressonantes mostrados nas Figuras 15(a) a 15(d). As Figuras 15(a)a15(d)são diagramas de circuito elétrico mostrando outros exemplos de configuração de quaisquer da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2, em que cada sinal de referência L indica uma bobina, enquanto que cada sinal de referência C indica um capacitor. Nas concretizações descritas acima, a bobina de transmissão de energia 1 é ajus- tada na frequência ressonante única predeterminada f,, e as frequências ressonantes da bobina de recepção de energia 2 são ajustadas nas múltiplas frequências ressonantes fi, fo, fa, incluindo a frequência ressonante fo. Nesse caso, as configurações da bobina de trans-

missão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2 podem ser invertidas. Especifi- camente, em quaisquer dos circuitos elétricos mostrados na Figura 2 ou dos circuitos elétri- cos formados por inversão da bobina de transmissão de energia 1 e da bobina de recepção de energia 2 na Figura 5, a frequência ressonante da bobina de recepção de energia 2 pode S ser ajustada na frequência ressonante única predeterminada fo, enquanto que as frequên- cias ressonantes da bobina de transmissão de energia 1 podem ser ajustadas nas múltiplas ' frequências ressonantes fi, f2, f3, incluindo a frequência ressonante fo.

Deve-se notar, no entanto, que a eficiência de transmissão de energia é aumentada por ajuste da frequência ressonante única no lado da bobina de transmissão de energia 1, — porque é possível impedir que a bobina de transmissão de energia 1 entre em ressonância com um objeto localizado próximo da bobina de recepção de energia 2. Em outras palavras, a concentração de força de transmissão de energia da bobina de transmissão de energia 1, na frequência única, possibilita minimizar os efeitos adversos da área circundando a bobina de transmissão de energia 1, e minimizar as perdas atribuíveis a ela.

A bobina de transmissão de energia 1 corresponde a um "ressoador de transmissão de energia" e a um "meio ressonante de transmissão de energia" de acordo com a presente invenção. A bobina de recepção de energia 2 corresponde a um "ressoador de recepção de energia" e a um "meio ressonante de recepção de energia" de acordo com a presente in- venção. A fonte de energia de corrente alternada de alta frequência 6a corresponde a uma "fonte de energia" de acordo com a presente invenção. O veículo elétrico V corresponde a um "veículo" de acordo com a presente invenção. Um circuito ressonante LC em paralelo ou em série, incluído em ambas a bobina de transmissão de energia 1 e a bobina de recepção de energia 2, corresponde a um "circuito ressonante" de acordo com a presente invenção. À bobina de transmissão de energia 1 e a bobina de recepção de energia 2 correspondem a um"parderessoadores" de acordo com a presente invenção.

Embora as concretizações da presente invenção tenham sido descritas acima, de- ve-se entender que as concretizações são descritas para facilitar o entendimento da presen- te invenção e não são intencionadas para limitar o âmbito da presente invenção. Nesse con- texto, os constituintes descritos nas concretizações apresentadas acima devem também —incluirtodas as variações de projeto e seus equivalentes, que fazem parte do âmbito técnico da presente invenção.

Aplicabilidade industrial De acordo com a presente invenção, mesmo quando a frequência ressonante para um dos ressoador de transmissão de energia e ressoador de recepção de energia varia, —devidoa um fator externo ou assemelhados, é ainda possível transmitir a energia elétrica usando a frequência ressonante variada, porque o outro dos ressoador de transmissão de energia e ressoador de recepção de energia tem múltiplas frequências ressonantes, incluin-

do a frequência ressonante mencionada acima.

Desse modo, a deterioração na eficiência de transmissão de energia pode ser eliminada, mesmo no caso de uma variação relativa na frequência ressonante, Desse modo, o aparelho de alimentação de energia sem contato e o método de alimentação de energia sem contato, de acordo com a presente invenção, são aplicáveis industrialmente.

Claims

REIVINDICAÇÕES

1. Aparelho de alimentação de energia sem contato, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: um ressoador de transmissão de energia (1); e um ressoador de recepção de energia (2), configurado para ser acoplado magneti- camente com o ressoador de transmissão de energia (1) por ressonância de campo magné- tico em que: o ressoador de transmissão de energia (1) é acoplado magneticamente com o res- soador de recepção de energia (2) por ressonância de campo magnético, pelo qual energia elétrica é suprida de uma fonte de energia elétrica (6a) ao ressoador de recepção de energia (2) através do ressoador de transmissão de energia (1); um dos ressoador de transmissão de energia (1) e ressoador de recepção de ener- gia (2) tem um circuito LC ressonante possuindo uma frequência ressonante única prede- terminada (f2); e o outro dos ressoador de transmissão de energia (1) e ressoador de recepção de energia (2) tem um circuito LC ressonante possuindo a frequência ressonante única prede- terminada (f2) e um circuito LC ressonante possuindo uma frequência ressonante (f1,f3) diferente da frequência ressonante única predeterminada (f2) configurado de tal forma que entre a pluralidade de frequências ressonantes (f1, f2, 13) dos circuitos LC resso- nantes que o outro do ressoador de transmissão de energia (1) tem e do ressoador de re- cepção de energia (2), pelo menos uma frequência ressonante (f1, f3) de um circuito LC ressonante é definido dentro de uma faixa de meia largura (Af) de outra frequência resso- nante (f1, f3) adjacente à uma frequência ressonante (f2) .

2. Aparelho de alimentação de energia sem contato, de acordo com a reivindicação 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o um dos ressoador de transmissão de energia (1) e ressoador de recepção de energia (2) compreende uma bobina tendo um passo de enrola- mento uniforme.

3. Aparelho de alimentação de energia sem contato, de acordo com a reivindicação de 1, CARACTERIZADO pelo fato de que o outro dos ressoador de transmissão de energia (1)e ressoador de recepção de energia (2) compreende uma bobina tendo um passo de enrolamento variável.

4. Aparelho de alimentação de energia sem contato, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 3, CARACTERIZADO pelo fato de que: o um do ressoador de transmissão de energia (1) e ressoador de recepção de energia (2) compreende tantos circuitos ressonantes quanto o outro do ressoador de trans- missão de energia (1) e ressoador de recepção de energia (2); e cada um dos circuitos ressonantes do ressoador de transmissão de energia (1) é localizado vizinho a um correspondente dos circuitos ressonantes do ressoador de recepção de energia (2).

5. Aparelho de alimentação de energia sem contato, de acordo com qualquer uma das reivindicações de 1 a 4, CARACTERIZADO pelo fato de que: o um dos ressoador de transmissão de energia (1) e ressoador de recepção de energia (1) é o ressoador de transmissão de energia (1); e o outro dos ressoador de transmissão de energia (1) e ressoador de recepção de energia (2) é o ressoador de recepção de energia (2).

6. Aparelho de alimentação de energia sem contato, de acordo com a reivindicação 5, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: uma pluralidade de ressoadores de transmissão de energia (1); e uma pluralidade de ressoadores de recepção de energia (2).

7. Método de alimentação de energia sem contato, CARACTERIZADO pelo fato de que compreende: acoplar magneticamente um par de ressoadores (1, 2) por ressonância de campo magnético, um do par de ressoadores (1, 2) tendo um circuito ressonante LC com uma fre- quência ressonante única predeterminada (f2), o outro do par de ressoadores (1, 2) tendo uma pluralidade circuitos LC ressonantes possuindo uma pluralidade de frequências resso- nantes (f1, f2, f3), incluindo a frequência ressonante única predeterminada (f2) e, desse mo- do, suprir energia elétrica de uma fonte de energia elétrica (6a) ao outro ressoador (1, 2) através do um ressoador (1, 2) configurado de tal forma que entre a pluralidade de frequências ressonantes (f1, f2, f3) dos circuitos LC resso- nantes que o outro do ressoador de transmissão de energia (1) e do ressoador de recepção de energia (2) tem, pelo menos uma frequência ressonante (f1, f3) de um circuito LC resso- nante é definido dentro de uma faixa de meia largura (Af) de outra frequência ressonante (f2) adjacente à uma frequência ressonante (f1, f3).