CN102055250A - 谐振式非接触充电装置 - Google Patents

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Abstract

本发明披露了一种包括谐振系统的谐振式非接触充电系统。该谐振系统具有初级侧谐振线圈、次级侧谐振线圈、具有DC/DC转换器的功率转换部、以及电池。该充电系统具有控制DC/DC转换器的控制部。控制部控制DC/DC转换器的占空比，使得谐振系统在谐振频率处的输入阻抗与高频电源的输出阻抗相互匹配。

Description

谐振式非接触充电装置
技术领域
本发明涉及一种谐振式非接触功率发送装置。
背景技术
图5示意性地示出一种谐振式非接触功率发送装置，该装置经由电磁场的谐振将功率从第一铜线线圈51发送至距离第一铜线线圈51一段距离的第二铜线线圈52。例如，在2007年12月3日出版的NIKKEIELECTRONICS第117-128页以及国际专利公开号为WO/2007/008646中披露了这样一种装置。在图5中，经由第一和第二铜线线圈51、52的磁场谐振加强在连接至AC电源53的初级线圈54处生成的磁场。来自第二铜线线圈52周围的加强磁场的电磁感应效应在次级线圈55中生成功率。然后，所生成的功率被提供给负载56。可以看出，当具有30cm直径的第一和第二铜线线圈51、52距离2m时，作为负载56的60瓦电灯可以点亮。
为了在该谐振式非接触功率发送装置中将AC电源53的输出功率有效地提供给负载56，必须将AC电源53的输出功率有效地提供给谐振系统(第一和第二铜线线圈51、52以及初级和次级线圈54、55)。然而，上述文档没有明确地示出应该做什么以获得将来自AC电源53的功率有效地提供给谐振系统的谐振式非接触功率发送装置。
当第一铜线线圈51和第二铜线线圈52之间的距离和负载56的阻抗恒定时，通过试验预先获得谐振系统的谐振频率。将具有所获得谐振频率的AC电压从AC电源53提供至初级线圈54。然而，如果第一铜线线圈51和第二铜线线圈52之间的距离以及负载56的阻抗中至少之一改变，则谐振系统在谐振频率处的输入阻抗改变。从而，AC电源53的输出阻抗和谐振系统的输入阻抗不匹配。这增加了从谐振系统到AC电源53的反射功率，从而阻碍了输出功率从AC电源53到负载56的有效提供。在本描述中，谐振系统的谐振频率是指功率发送效率η被最大化的频率。
例如，当谐振式非接触功率发送装置用于给电池充电时，电池的负载随着电池充电状态而改变。这改变了谐振系统的输入阻抗，从而增加了到AC电源的反射功率。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供一种谐振式非接触功率发送装置，其能够在不改变AC电源的AC电压的频率的情况下，将来自AC电源的功率有效地提供给负载。
为了实现前述目的并根据本发明的一个方面，提供一种谐振式非接触功率发送装置。该谐振式非接触功率发送装置包括AC电源、初级侧谐振线圈、次级侧谐振线圈、功率转换部、负载和控制部。初级侧谐振线圈接收来自AC电源的功率。次级侧谐振线圈经由磁谐振接收来自初级侧谐振线圈的功率。功率转换部具有DC/DC转换器并输入来自次级侧谐振线圈的功率。负载连接到功率转换部。控制部控制DC/DC转换器。初级侧谐振线圈、次级侧谐振线圈、功率转换部和负载形成谐振系统。控制部控制DC/DC转换器的占空比，使得谐振系统在谐振频率处的输入阻抗和AC电源的输出阻抗相互匹配。
在本描述中，“AC电源”是指输出AC电压的电源。“谐振系统的输入阻抗”是指在谐振系统的初级侧的线圈两端测量整个谐振系统的阻抗。例如，当谐振系统的初级侧具有初级线圈和初级侧谐振线圈时，“谐振系统的输入阻抗”是指在初级线圈两端测量的整个谐振系统的阻抗。当谐振系统的初级侧只有初级侧谐振线圈时，“谐振系统的输入阻抗”是指在初级侧谐振线圈两端测量的整个谐振系统的阻抗。
结合附图并通过示出本发明的原理的实例，本发明的其他方面和优点将从以下描述变得明显。
附图说明
通过参考当前优选实施例的以下描述以及附图，将最好地理解本发明及其目标和优点，其中，
图1是示出根据本发明的第一实施例的谐振式非接触功率发送装置的示意图；
图2是示出根据本发明的第二实施例的谐振式非接触功率发送装置的示意图；
图3是示出根据本发明的第三实施例的谐振式非接触功率发送装置的示意图；
图4是根据本发明的修改实施例的谐振式非接触功率发送装置的示意图；以及
图5是示出现有技术的非接触功率发送装置的配置的示意图。
具体实施方式
现在参考图1描述根据本发明的第一实施例的谐振式非接触功率发送装置。本实施例的谐振式非接触功率发送装置用于在不接触的情况下给装配在车辆上的电池24充电的谐振式非接触充电系统中。
如图1所示，该谐振式非接触充电系统包括发送侧装置10和车辆上装置20。发送侧装置10包括用作AC电源的高频电源11、连接至高频电源11的初级线圈12、初级侧谐振线圈13、以及电源侧控制器14。车辆上装置20包括次级侧谐振线圈21、次级线圈22、连接至次级线圈22的功率转换部23、作为连接至功率转换部23的负载的电池24、以及用作控制部的车辆上控制器25。电容器C连接至初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21中的每个。初级线圈12、初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、次级线圈22、功率转换部23、电池24、以及两个电容器C形成谐振系统。电源侧控制器14和车辆上控制器25被配置成相互无线通信。
高频电源11从电源侧控制器14接收接通/断开信号，以接通或断开。高频电源11输出AC功率，其频率等于谐振系统的预定谐振频率，例如，几MHz的高频功率。高频电源11包括：反射功率检测部15，用于检测来自初级侧谐振线圈13的反射功率；以及输出功率测量部(未示出)，用于测量输出至初级侧谐振线圈13的功率。电源11将反射功率和输出功率的值发送至电源侧控制器14。
功率转换部23包括：整流电路26，将来自次级线圈22的AC电流转换为DC电流；以及DC/DC转换器27，将来自整流电路26的DC电压转换为适于给电池24充电的电压。功率转换部23包括：电流传感器28，检测从整流电路26发送至DC/DC转换器27的电流；以及电压传感器29，检测从整流电路26发送至DC/DC转换器27的电压。DC/DC转换器27由车辆上控制器25控制。
车辆上控制器25从电流传感器28和电压传感器29接收检测信号。基于这些信号，车辆上控制器25检测输入至DC/DC转换器27的电压值和电流值的比率，换句话说，为阻抗。电流传感器28、电压传感器29、以及车辆上控制器25形成阻抗检测部。
车辆上控制器25控制DC/DC转换器27的占空比，使得谐振系统在谐振频率处的输入阻抗和高频电源11的输出阻抗相互匹配。特别地，车辆上控制器25从电源侧控制器14接收来自高频电源11中的初级侧谐振线圈13的反射功率的值，并且控制DC/DC转换器27的占空比，使得反射功率变为低于或等于预定阈值。例如，诸如通过试验预先获得在其之上不能有效地执行充电的反射功率的值。阈值被设定为比所获得的值更小的值。
现在描述按照以上配置的谐振式非接触充电系统的操作。
车辆停在预定充电位置给电池24充电，其中，初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21之间的距离恒定。车辆停在充电位置之后，车辆上控制器25将充电请求信号发送至电源侧控制器14。当接收来自车辆上控制器25的充电请求信号时，电源侧控制器14控制高频电源11，以输出等于谐振系统的谐振频率(例如，几MHz的高频功率)的频率的AC功率。
然后，高频电源11将谐振系统的谐振频率的AC电压输出至初级线圈12，使得在初级线圈12处生成磁场。由初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21的磁场谐振来加强在初级线圈12处生成的磁场，并且次级侧谐振线圈21的加强磁场的电磁感应在次级线圈22处生成AC功率。将所生成的AC功率提供给功率转换部23。通过具有适于由DC/DC转换器27给电池24充电的电压的整流电路26，将输入至功率转换部23的AC功率转换为DC功率。然后，将功率提供给电池24，使得给电池24充电。
谐振系统的输入阻抗根据电池24的充电状态而改变。从而，当高频电源11以恒定频率输出AC功率时，即使充电开始于最小反射功率，反射功率也随着电池24的充电状态而增加。电源侧控制器14经由高频电源11的反射功率检测部15监控反射功率。车辆上控制器25从电源侧控制器14接收反射功率，并且控制DC/DC转换器27的占空比，使得反射功率变为小于或等于预定阈值。例如，当DC/DC转换器27的接通周期减小时，DC/DC转换器27的输出电压增加并且输出电流减小。这增加了谐振系统的输入阻抗。而且，当DC/DC转换器27的接通周期增加时，DC/DC转换器27的输出电压降低并且输出电流增加。这减小了谐振系统的输入阻抗。结果，即使当电池24的充电状态改变时，也保持谐振系统的输入阻抗和高频电源11的输出阻抗之间的匹配。
本实施例具有以下优点。
(1)根据本实施例的谐振式非接触功率发送装置包括AC电源(高频电源11)、连接至AC电源的初级线圈12、初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、次级线圈22、以及连接至次级线圈22的功率转换部23。次级侧谐振线圈21与初级侧谐振线圈13一起操作，以加强在初级线圈12处生成的磁场。功率转换部23包括DC/DC转换器27。本发明的谐振式非接触功率发送装置还包括连接至功率转换部23的负载(电池24)，以及控制DC/DC转换器27的控制部(车辆上控制器25)。初级线圈12、初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、次级线圈22、功率转换部23、以及负载(电池24)形成谐振系统。控制部(车辆上控制器25)控制DC/DC转换器27的占空比，使得谐振系统在谐振频率处的输入阻抗和AC电源(高频电源11)的输出阻抗相互匹配。从而，在不改变AC电源(高频电源11)的AC电压的频率的情况下，可以有效地将来自AC电源(高频电源11)的功率提供给负载。
(2)本实施例的谐振式非接触功率发送装置包括检测输入到DC/DC转换器27的电流和电压的比率的阻抗检测部(电流传感器28和电压传感器29)。控制部(车辆上控制器25)基于阻抗检测部的检测结果控制DC/DC转换器27的占空比。从而，基于输入到DC/DC转换器27的电流和电压的比率的改变，控制DC/DC转换器27的占空比，其比率直接影响从初级侧谐振线圈13到AC电源(高频电源11)的反射功率的改变。即，基于阻抗的改变控制占空比。从而，谐振系统的输入阻抗和AC电源(高频电源11)的输出阻抗可以适当地相互匹配。
(3)AC电源(高频电源11)包括检测从初级侧谐振线圈13到AC电源(高频电源11)的反射功率的反射功率检测部15。控制部(车辆上控制器25)控制DC/DC转换器27的占空比，使得反射功率变为小于或等于预定阈值。从而，反射功率实际上被检测和控制为小于或等于阈值。这可靠地允许AC电源(高频电源11)有效地将功率提供给负载(电池24)。
(4)本实施例的谐振式非接触功率发送装置用于在不接触的情况下给装配在车辆上的电池24充电的系统中。即使当电池24的充电状态在充电期间改变时，在不提供诸如阻抗匹配电路的任何特殊电路的情况下，也抑制从初级侧谐振线圈13到AC电源(高频电源11)的反射功率。从而，可以有效地给电池24充电。用于给电池充电的装置通常具有用于将从电源提供的电压转换为适于给电池充电的电压的电压转换部(功率转换部)。这种功率转换部可以用于本实施例。
(5)电容器C连接至初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21中的每个。这允许在不增加初级侧谐振线圈13或次级侧谐振线圈21的匝数的情况下，降低谐振系统的谐振频率。如果谐振频率相同，则与没有连接电容器C的情况相比，可以减少初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21的尺寸。
现在参考图2描述本发明的第二实施例。本实施例的谐振式非接触功率发送装置(谐振式非接触充电系统)包括检测负载(电池24)的状态的负载状态检测部。车辆上控制器25基于负载状态检测部的检测结果控制DC/DC转换器27的占空比。除了这些不同之外，本实施例与第一实施例相同，并且类似或相同参考标号被指定给与第一实施例的相应组件类似或相同的那些组件，并且省略其详细描述。
本实施例的车辆上装置20不具有电流传感器28或电压传感器29，但是包括用作负载状态检测部的电池电平传感器30。电池电平传感器30检测电池24的电荷量并且将检测信号发送至车辆上控制器25。
本实施例的车辆上控制器25将表示电池的电荷量和反射功率与DC/DC转换器27的适当占空比的关系的数据存储为映射表或关系式。预先通过试验获得该数据。车辆上控制器25基于电池电平传感器30的检测信号和从电源侧控制器14发送的反射功率的值计算DC/DC转换器27的适当占空比，并且使用所计算的占空比控制DC/DC转换器27。结果，控制DC/DC控制器27的占空比，使得谐振系统在谐振频率处的输入阻抗和高频电源11的输出阻抗相互匹配。
从而，除了第一实施例的优点(1)、(3)至(5)之外，本实施例具有以下优点。
(6)本实施例的谐振式非接触功率发送装置包括检测负载(电池24)的状态的负载状态检测部(电池电平传感器30)。车辆上控制器25基于负载状态检测部(电池电平传感器30)的检测结果控制DC/DC转换器27的占空比。在负载状态(电池24)和谐振系统的输入阻抗之间存在一致关系，并且预先检查这种关系。而且，控制DC/DC转换器27的占空比，使得谐振系统的输入阻抗变为适于负载状态的阻抗。从而，谐振系统的输入阻抗和高频电源11的输出阻抗可以适当地相互匹配。
(7)本实施例的谐振式非接触功率发送装置不要求电流传感器28或电压传感器29。与第一实施例的谐振式非接触功率发送装置相比，这简化了结构。
现在参考图3描述本发明的第三实施例。本实施例的谐振式非接触功率发送装置(谐振式非接触充电系统)与第一实施例的不同之处在于，发送侧装置10不具有初级线圈12，并且车辆上装置20不具有次级线圈22。除了这些不同之外，本实施例与第一实施例相同，并且类似或相同参考标号被指定给与第一实施例的相应组件类似或相同的那些组件，并且省略其详细描述。
初级侧谐振线圈13连接至高频电源11。也就是说，初级侧谐振线圈13直接从高频电源11接收功率，而不经由初级线圈12。次级侧谐振线圈21连接至整流电路26。也就是说，功率转换部23从次级侧谐振线圈21而不经由次级线圈22直接接收由次级侧谐振线圈21接收的功率。在本实施例中，初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、功率转换部23、以及电池24形成谐振系统。
高频电源11输出AC功率，其频率等于谐振系统的预定谐振频率(例如，几MHz的高频功率)。在本实施例中，谐振系统不具有初级线圈12或次级线圈22，并且谐振频率不同于第一实施例的谐振频率。车辆上控制器25控制DC/DC转换器27的占空比，使得谐振系统在谐振频率处的输入阻抗与高频电源11的输出阻抗相互匹配。
本实施例的高频电源11将具有谐振系统的谐振频率的AC功率输出至初级侧谐振线圈13。发送至初级侧谐振线圈13的AC功率经由通过初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21的磁场谐振被发送至次级侧谐振线圈21。次级侧谐振线圈21接收AC功率，其被提供至功率转换部23。输入至功率转换部23的AC功率通过整流电路26被转换为DC功率，并且功率的电压被转换为适于通过DC/DC转换器27给电池24充电的电压。然后，将该功率提供给电池24，使得给电池24充电。
从而，除了第一实施例的优点(2)至(5)之外，本实施例具有以下优点。
(8)根据本实施例的谐振式非接触功率发送装置包括AC电源(高频电源11)、连接至AC电源的初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、以及连接至次级侧谐振线圈21的功率转换部23。次级侧谐振线圈21经由初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21的磁场谐振接收从高频电源11输出到初级侧谐振线圈13的AC功率。功率转换部23包括DC/DC转换器27。本发明的谐振式非接触功率发送装置还包括连接至功率转换部23的负载(电池24)，以及控制DC/DC转换器27的控制部(车辆上控制器25)。初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、功率转换部23、以及负载(电池24)形成谐振系统。控制部(车辆上控制器25)控制DC/DC转换器27的占空比，使得谐振系统在谐振频率处的输入阻抗与AC电源(高频电源11)的输出阻抗相互匹配。从而，在不改变AC电源(高频电源11)的AC电压的频率的情况下，来自AC电源(高频电源11)的功率可以有效地提供至负载(电池24)。
(9)本实施例的谐振式非接触功率发送装置不需要初级线圈21或次级线圈22。与第一实施例的谐振式非接触功率发送装置相比，这简化了结构。
本发明不限于上述实施例，并且可以进行如下修改。
在根据第三实施例的谐振式非接触功率发送装置(谐振式非接触充电系统)中，该装置不具有初级线圈12或次级线圈22，匹配箱31可以连接于次级侧谐振线圈21和整流电路26之间。匹配箱31包括例如可变电容器和电感器。通过调节可变电容器的电容来调节匹配箱31的阻抗。在这种情况下，初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、匹配箱31、功率转换部23、以及电池24形成谐振系统。在不具有初级线圈12或次级线圈22的谐振式非接触功率发送装置(谐振式非接触充电系统)中，该谐振系统比具有初级线圈12和次级线圈22的结构更难进入谐振状态。然而，如果匹配箱31连接至次级侧谐振线圈21和整流电路26，谐振系统通过调节匹配箱31很容易进入谐振状态。而且，如果提供匹配箱31，则与不提供匹配箱31的情况相比，电容器C的尺寸可以减小。
在根据第二实施例的包括用于检测负载(电池24)的状态的负载状态检测部并且基于负载状态检测部的检测结果控制DC/DC转换器27的占空比的谐振式非接触功率发送装置中，可以如图3和图4所示省略初级线圈12和次级线圈22。
在第二实施例中，使用反射功率检测部15检测反射功率的目的在于监控以适当地控制DC/DC转换器27的占空比，即，监控到反射功率不增加。从而，可以省略反射功率检测部15。
代替电池电平传感器30，可以提供检测部作为负载状态检测部，以检测电池24的内部电阻。
当负载状态检测部检测电池24的负载状态时，预先通过试验获得负载状态与输入到DC/DC转换器27中的电流或电压的关系。基于该关系的数据被存储在车辆上控制器25的存储器中。检测输入到DC/DC转换器27中的电流和电压之一。可以通过基于检测结果和电池24的负载状态估计反射功率来控制DC/DC转换器27的占空比。
在第一实施例、第三实施例、或图4中所示的实施例中，可以省略反射功率检测部15，并且可以仅基于形成阻抗检测部的电流传感器28和电压传感器29的检测结果控制DC/DC转换器27的占空比。例如，在给电池24正常充电时，电池24的充电状态随着时间而改变。从而，阻抗相互移位，并且反射功率改变。反射功率的这种改变预先通过试验获得并且被存储在车辆上控制器25的存储器中。车辆上控制器25基于电流传感器28和电压传感器29的检测信号计算输入到DC/DC转换器27的功率，并且基于功率的改变和从充电开始经过的时间估计反射功率的改变。车辆上控制器25控制DC/DC转换器27的占空比，使得反射功率不超过阈值。当反射功率增加时，输入到DC/DC转换器27的功率减小。从而，如果基于输入到DC/DC转换器27的功率的改变来估计反射功率，则估计的误差不会过大以致干扰控制。
在每个上述实施例中，谐振式非接触功率发送装置都不限于在不接触的情况下给装配在车辆上的电池24充电的系统。例如，本发明可以应用至在不接触的情况下给诸如船舶和自推进机器人的移动主体的电池或者诸如移动电话和便携式计算机的便携式电子设备中的电池充电的任何系统。
在每个以上实施例中，谐振式非接触功率发送装置的使用都不限于谐振式非接触充电系统。作为替换，谐振式非接触功率发送装置可以应用至其负载逐步改变的电子设备被用作负载的情况，或者功率被选择性地提供给具有不同负载值的多个电子设备之一的情况。
在每个以上实施例中，都可以省略连接至初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21的电容器C。然而，与没有电容器C的配置相比，具有电容器C的配置降低了谐振频率。如果谐振频率相同，则与省略电容器C的情况相比，初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21的尺寸可以减小。
在每个以上实施例中，功率转换部23均为具有整流电路26和DC/DC转换器27的单个模块。作为替换，功率转换部23可以由整流器和DC/DC转换器27形成。
在每个以上实施例中，均可以配置高频电源11以使得AC电压的频率是可变的或不可变的。
在每个以上实施例中，初级线圈12、初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、以及次级线圈22在平面图中不必为圆形的。例如，该形状可以为多角形诸如长方形、六角形、以及三角形。该形状还可以为椭圆形。而且，初级线圈12、初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、以及次级线圈22的外部形状不需要是双向对称的，还可以是不对称的。
初级侧谐振线圈13和次级侧谐振线圈21不限于通过将电线绕成圆柱形形成的线圈，还可以通过在单个平面内将电线绕成螺旋而形成。
代替用线形成初级线圈12、初级侧谐振线圈13、次级侧谐振线圈21、以及次级线圈22，可以通过在基板上布线图案形成这些线圈。

Claims (7)

1.一种谐振式非接触功率发送装置，包括：
AC电源；
初级侧谐振线圈，用于接收来自所述AC电源的功率；
次级侧谐振线圈，用于经由磁谐振从所述初级侧谐振线圈接收功率；
功率转换部，具有DC/DC转换器，并输入来自所述次级侧谐振线圈的功率；
负载，连接至所述功率转换部；以及
控制部，用于控制所述DC/DC转换器，
其中，所述初级侧谐振线圈、所述次级侧谐振线圈、所述功率转换部、以及所述负载形成谐振系统，以及
其中，所述控制部控制所述DC/DC转换器的占空比，使得所述谐振系统在谐振频率处的输入阻抗与所述AC电源的输出阻抗相互匹配。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：初级线圈，连接至所述AC电源；以及次级线圈，连接至所述功率转换部，
其中，所述初级侧谐振线圈通过所述初级线圈从所述AC电源接收功率，
其中，所述次级线圈从所述次级侧谐振线圈接收功率，以及
其中，所述功率转换部通过所述次级线圈接收由所述次级侧谐振线圈接收的功率。
3.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：阻抗检测部，用于检测输入到所述DC/DC转换器的电流和电压的比率，
其中，所述控制部基于所述阻抗检测部的检测结果控制所述DC/DC转换器的所述占空比。
4.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：负载状态检测部，用于检测所述负载的状态，
其中，所述控制部基于所述负载状态检测部的检测结果控制所述DC/DC转换器的所述占空比。
5.根据权利要求3所述的装置，进一步包括：反射功率检测部，用于检测所述AC电源中来自所述初级侧谐振线圈的反射功率，
其中，所述控制部控制所述DC/DC转换器的所述占空比，使得所述反射功率变为小于或等于预定阈值。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述初级侧谐振线圈连接至所述AC电源，并且所述次级侧谐振线圈连接至所述功率转换部。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中，所述负载为装配在移动主体上的电池，
其中，在用于给所述电池充电的谐振式非接触充电系统中使用所述装置，以及
其中，所述次级侧谐振线圈、所述功率转换部、所述电池、以及所述控制部装配在所述移动主体上。
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