CN102273046A - 电能输送装置以及非接触电能传输系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电能输送装置以及非接触电能传输系统。该系统利用电能接收线圈(60)和电能输送线圈(40)之间的电磁感应，从电能输送装置(10)向电能接收装置(50)输送电能。电能输送装置(10)具有电能开关电路(14)、第一电容器(20)和电能导出电路(30)。电能开关电路(14)具有开关元件(16)和输出点(P)，且通过以规定开关频率(f)来切换开关元件(16)，从而使输出点(P)的电位发生规定变动。在此，规定变动是将具有规定振幅的正弦波变动进行半波整流而获得的电位变动。第一电容器(20)连接于输出点(P)与第一固定电位(接地)之间。电能导出电路(30)包括电能输送线圈(40)，且构成为在电能输送线圈(40)的两端生成包含在规定变动中的交流性的变化。该电能导出电路(30)连接于输出点(P)与第二固定电位(接地)之间。

Description

电能输送装置以及非接触电能传输系统

技术领域

本发明涉及包括具有电能接收线圈的电能接收装置、和具有电能输送线圈的电能输送装置的非接触电能传输系统。在非接触电能传输系统中，通过将电能接收装置的电能接收线圈配置在电能输送装置的电能输送线圈附近的规定位置上，利用电能接收线圈和电能输送线圈之间的电磁感应，从电能输送装置向电能接收装置输送电能。例如，电能接收装置是便携式电话或便携式音乐播放器这种便携式电子设备，电能输送装置是用于该便携式电子设备的充电座或托架(cradle)。

背景技术

在电能输送装置中，利用具有开关元件的电能开关电路来驱动电能输送线圈，通过电磁感应进行从电能输送线圈向电能接收线圈的电能输送。在此，如果考虑到向便携式电子设备等输送电能的近年来的应用，则需要提高开关频率。另一方面，由于电能开关电路的电路构成的缘故，如果提高开关频率，则会产生散发热量变多或电能损耗增多的问题。

在这样的背景下，专利文献1中提出了一种包括能够以高效率励磁、且发热以及电能损耗少的电能开关电路，并且开关频率被高频化的电能输送装置。专利文献1的电能开关电路以自激式考毕兹振荡电路为基础。在此，电能输送线圈被组装到电能开关电路中的开关元件的反馈环路中。

专利文献1：JP特许第2673876号公报

但是，如果将电能输送线圈组装到开关元件的反馈环路中，则不能从电能输送线圈向电能接收线圈输送大电能。

发明内容

因此，本发明的目的为提供一种不但具有高频化等的专利文献1所述的效果，而且与专利文献1相比，还能够输送大电能的电能输送装置。

本发明提供一种具有电能输送线圈的电能输送装置，该电能输送装置通过将电能接收装置的电能接收线圈配置在上述电能输送线圈附近的规定位置上，从而利用上述电能接收线圈与上述电能输送线圈之间的电磁感应，向上述电能接收装置输送电能。该电能输送装置具有电能开关电路、第一电容器和电能导出电路。上述电能开关电路具有开关元件和输出点，且通过以规定开关频率来切换上述开关元件，从而使上述输出点的电位进行规定变动。在此，上述规定变动是将具有规定振幅的正弦波变动进行半波整流而获得的电位变动。上述第一电容器连接于上述输出点与第一固定电位之间。上述电能导出电路包括上述电能输送线圈。上述电能导出电路连接于上述输出点与第二固定电位之间，以便在上述电能输送线圈的两端生成包含在上述规定变动中的交流性的变化。

(发明效果)

在本发明的电能输送装置中，由于电能输送线圈不是设置在电能开关电路内，而是设置在电能开关电路外，因此，能够从输送线圈向接收线圈输送大电能。

而且，在非接触电能传输系统中，通过在由导磁率为1000以下的磁性体构成的基板上设置绕数为1～10匝的平面线圈而构成电能输送线圈/电能接收线圈，由此，减小电能输送线圈/电能接收线圈的阻抗，而且，通过在电能输送线圈/电能接收线圈的绕线之间设置间隙，能够缓和在电能输送线圈与电能接收线圈之间产生位置偏离时的电能传输效率的大幅度降低。由此，能够增强电能输送线圈与电能接收线圈之间的磁耦合，提高电能传输效率。

附图说明

图1是表示本发明的第一实施方式的非接触电能传输系统的概略框图。

图2是表示图1的非接触电能传输系统中的P点的电位变动(规定变动)的图表。

图3是表示本发明的第二实施方式的非接触电能传输系统的概略框图。

图4是表示在图3的非接触电能传输系统中所使用的电能输送线圈/电能接收线圈的一例的概略俯视图。

图5是表示图4的电能输送线圈/电能接收线圈的比较例的概略俯视图。

图6是表示在电能接收线圈相对于电能输送线圈出现位置偏离时的输出电能的变化的图。

具体实施方式

(第一实施方式)

参照图1可知，本发明的第一实施方式的非接触电能传输系统包括：具有电能输送线圈40的电能输送装置10；和具有电能接收线圈60的电能接收装置50。也就是说，电能输送线圈40和电能接收线圈60能够相互分离。

本实施方式的非接触电能传输系统通过将电能接收装置50的电能接收线圈60配置在电能输送线圈40附近的规定位置上，从而利用电能接收线圈60与电能输送线圈40之间的电磁感应，从电能输送装置向电能接收装置输送电能。在此，电能接收装置50例如为便携式电子设备，电能输送装置10例如为该便携式电子设备的充电座或托架。

电能输送装置10具有：振荡电路12、电能开关电路14、第一电容器20和电能导出电路30。振荡电路12生成规定开关频率f的振荡信号。

电能开关电路14具有：连接在输出点P与接地(第三固定电位)之间的开关元件16；和连接在输出点P与电源VDD(第四固定电位)之间的电位变动用电感器18。本实施方式的开关元件16为nMOSFET，漏极端子与输出点P连接，源极端子与接地连接。另外，与开关元件16(具体讲是nMOSFET的栅极)连接有振荡电路12，从振荡电路12输入规定开关频率f的振荡信号，且以规定开关频率f进行开关操作。由此，电能开关电路14使输出点P的电位V_p进行规定变动。

在此，规定变动是指：如图2所示，对具有规定振幅的正弦波变动进行半波整流所获得的电位变动。换句话说，规定变动是指：只将该正弦波变动的正的区域导出的电位变动。该规定变动是通过调整规定开关频率f和电位变动用电感器18的电感L₁的值而设定的。另外，在图2中，用V_DC所表示的是对输出点P的电位V_P进行时间平均后所获得的电位。即，电位V_DC是电位V_P的规定变动中的DC成分。

第一电容器20被连接在输出点P与接地(第一固定电位)之间，且具有电容C₁。在本实施方式中，如后面所述，电容C₁是由与电能导出电路30的关系所决定的。

电能导出电路30被连接在输出点P与接地(第二固定电位)之间。特别地，本实施方式的电能导出电路30具有：与输出点P连接的第二电容器32；和被连接在第二电容器32与接地(第二固定电位)之间的电能输送线圈40。即，电能导出电路30是通过将第二电容器32和电能输送线圈40串联连接而构成的。该电能导出电路30是用于通过输送线圈40来导出输出点P的电位V_P的变动(规定变动)中的交流成分(V_AC＝V_P-V_DC)的电路。即，电能导出电路30是用于在输送线圈40的两端生成包含在规定变动中的交流性的变化的电路。第二电容器32用于除去包含在规定变动中的DC成分，且具有电容C₂。另外，电能输送线圈40在将电能接收线圈60配置在规定位置上的状态下从输出点P一侧检测时，具有电感L₂。换句话说，电感L₂不仅仅是电能输送线圈40的电感，而是通过将电能接收线圈配置在规定位置上而成为相互都包含电感的电能输送线圈40的电感。

在以第一电容器20、第二电容器32和电能输送线圈40构成串联谐振电路时的第一谐振频率f₁，即在将电能输送线圈40视为具有电感L₂时所计算出的第一谐振频率f₁用下列公式(1)来表示。

(公式1)

${\left({2\mathrm{\πf}}_1\right)}^2\·L_2\·\frac{C_1\·C_2}{C_1+C_2}=1\·\·\·\left(1\right)$

同样，在以第二电容器32和电能输送线圈40构成串联谐振电路时的第二谐振频率f₂，即在将电能输送线圈40视为具有电感L₂时所计算出的第二谐振频率f₂用下列公式(2)来表示。

(公式2)

(2πf₂)²×L₂·C₂＝1    …(2)

在开关元件16断开时，可认为由第一电容器20、第二电容器32和电能输送线圈40构成的谐振电路以第一谐振频率f₁工作。另一方面，在开关元件16接通时，由第二电容器32和电能输送线圈40构成的谐振电路以第二谐振频率f₂工作。因此，为了以高效率导出电能开关电路14的输出，优选第一谐振频率f₁大于规定开关频率f，且第二谐振频率f₂小于规定开关频率f。即，第一谐振频率f1、第二谐振频率f2以及规定开关频率f优选满足下列公式(3)

(公式3)

f₂＜f＜f₁    …(3)

并且，从确保工作可靠性的观点来看，第一谐振频率f₁优选满足下列公式(4)；第二谐振频率f₂优选满足下列公式(5)。

(公式4)

f＜f₂＜2f      …(4)

(公式5)

0.5f＜f₂＜f    …(5)

在上述实施方式中，虽然开关元件16是nMOSFET，但也可以使用其他的元件。另外，虽然第一固定电位、第二固定电位以及第三固定电位都是接地，但是，只要是固定电位，就可以是接地以外的电位。

电能接收装置50具有：与电能接收线圈60连接的电能接收电路52、与电能接收电路52连接的负载54、与电能接收线圈60连接的充电电路56和与充电电路56连接的二次电池58。如上所述，从电能输送装置10的电能输送线圈40向电能接收装置50的电能接收线圈60输送的电能，一方面通过充电电路56被充电给二次电池58，另一方面通过电能接收电路52被提供给负载54。在电能接收线圈60没有接收电能的期间(在电能接收线圈60没有放在规定位置上的期间)，从二次电池58进行放电，通过充电电路56以及电能接收电路52向负载54提供电能。

如上所述，由于电能输送线圈40设置在电能开关电路14的外部，因此，关于能够输送的电能的大小的限制被解除了。另外，如果以满足上述公式(1)～公式(3)的方式构成开关频率和各元件的关系，则能够实现开关频率的1MHz以上的高频化和高电能传输效率(低电能损耗)，并能降低热量的产生。也就是说，根据本实施方式，能够在不引起特性上的问题的情况下，实现电能输送装置10的小型化、薄型化。而且，通过图1可以明确的是，本实施方式的电能输送装置10的电路构成极为简单。

(第二实施方式)

参照图3，本发明的第二实施方式的非接触电能传输系统是上述第一实施方式的非接触电能传输系统的变形例，除了电能输送装置10a中的电能导出电路30a的构成不同之外，与上述第一实施方式的非接触电能传输系统具有相同的构成。因此，以下对不同的电能导出电路30a进行特别说明，省略关于其他内容的说明。

本实施方式的电能导出电路30a具有与输出点P连接的电能输送线圈40和连接于电能输送线圈40与接地(第二固定电位)之间的第二电容器32。即，电能导出电路30a也是将第二电容器32和电能输送线圈40串联连接而成的，是用于通过输送线圈40将输出点P的电位V_P的变动(规定变动)中的交流成分(V_AC＝V_P-V_DC)取出的电路。

本实施方式的非接触电能传输系统也是以满足上述公式(1)～(5)的方式构成的。由此可以理解，只要满足公式(1)～公式(3)，第二电容器32和电能输送线圈40中的任何一个也可以与输出点P侧连接。而且，也可以通过将第二电容器32分割成两个电容器，使它们夹住电能输送线圈40，并将两个电容器与电能输送线圈40串联连接，从而构成电能导出电路30a。无论在哪种情况下，只要满足上述公式(1)～公式(3)，优选满足公式(1)～公式(5)，则能够获得与上述第一实施方式相同的效果。

本实施方式中的各元件的电感以及电容的具体数值例如下所示。在从将电能接收线圈60配置在规定位置的状态(当处于电能输送线圈40以及电能接收线圈60通过电磁感应进行耦合的状态下时)的输出点P检测时，设电能输送线圈40的电感L₂＝2.64μH，电位变动用电感器18的电感L₁＝14.57μH，第一电容器20的电容C₁＝75.67pF，第二电容器32的电容C₂＝61.04pF，设规定开关频率f为13.56MHz，将各数值代入公式(1)进行计算，则能够获得以下的结果。

f＝0.6474f₁    …(6)

同样，将各数值代入公式(2)进行计算，能够获得以下的结果。

f＝1.170f₂    …(7)

即，如果将电感和电容以及规定开关频率设为上述值，则f₂＜f＜f₁，并且满足公式(3)。

实际上，以满足电感和电容以及规定开关频率的方式构成电能输送装置10，在与电能接收装置50之间进行电能传输。

测定此时的电能输送线圈40的输入阻抗，在该阻抗的实数成分(R)为28.5Ω时，向电能接收装置50侧输送的电能量为2.9W。另外，如果输送电能量、电能输送线圈40及/或电能接收线圈60的特性不同，则L₁、L₂、C₁和C₂的设定值需要改变，但即使在该情况下，如上所述，通过以满足公式(3)的条件、即f₂＜f＜f₁的方式设定各元件的值以及开关频率，能够获得高的电能输送效率。

图4是表示在本实施方式的非接触电能传输系统中所使用的电能输送线圈40的构成的一例的俯视图。另外，电能接收线圈60也与该电能输送线圈40具有相同的构成。图4所示的电能输送线圈40是在线圈绕线彼此的线间设置缝隙而构成的。具体而言，电能输送线圈40是在导磁率为1000以下的磁性体基板42上设置绕数为4匝的平面线圈44而构成的，其阻抗被减小。

平面线圈44也可以在电路布线板上通过布线图案而形成。在该情况下，在成形的电路基板上，经过线圈图案的构图、电镀和蚀刻等工艺而形成。另外，平面线圈44可以形成为：聚氨酯铜线、聚酯铜线和漆包铜线等的单线；或将2根以上的上述单线捻合在一起的线圈；或将2根以上的上述单线扎起的线圈；或在上述单线上熔接了热塑性树脂、热固化性树脂等的熔接膜的熔接铜线；或将2根以上的上述单线平行排列相粘接的多根平行线等。另外，平面线圈44的形状能够配合所安装的壳体的形状而设计成最佳的形状。

磁性体基板42能够例如使用厚度为1mm以下、并且相对导磁率为1000以下的镍系铁氧体构成。另外，磁性体基板42的形状能够配合所安装的壳体的形状而设计成最佳的形状。

另外，除了上述镍系铁氧体之外，磁性体基板42也可以使用锰系铁氧体、无定形的磁性合金、作为Fe-Ni系合金的坡莫合金和纳米结晶磁性材料等的磁性材料构成。该磁性材料除了薄片状的材料，也可以是涂敷了磁性材料的材料、将上述材料的磁性体填料或磁性粉末混合到树脂中的材料。

试制上述电能输送线圈40和图5所示的比较例的线圈40′并进行了评价。在此，线圈40′是在线圈绕线彼此的线间不设置间隙而构成的，除此之外的其他特点(材料等)与图4所示的电能输送线圈40相同。

具体而言，作为图4的电能输送线圈40(电能接收线圈60)的例子，设外径线径0.5mm、绕数4匝，且设线圈绕线彼此的线间的间隙为2mm，由此构成平面线圈44，另一方面，使用镍系铁氧体，构成外径

厚度0.2mm的圆盘形的磁性体基板42。磁性体基板42的导磁率为800。在该线圈的情况下，在以规定的开关频率f＝13.56MHz进行的电能传输中，能够提供6W的电能。

另一方面，作为图5的电能输送线圈40′(电能接收线圈60)的例子，设外径

线径0.5mm、绕数4匝，且在线圈绕线之间不设置间隙，由此构成平面线圈44′，另一方面，使用镍系铁氧体，构成外径

厚度0.2mm的圆盘形的磁性体基板42。磁性体基板42的导磁率为800。在该线圈的情况下，在以规定的开关频率f＝13.56MHz进行的电能传输中，能够提供4.5W的电能。

另外，对由电能输送线圈和电能接收线圈之间的位置偏离引起的效率的变化进行了评价。具体而言，作为电能接收线圈使用了具有图5所示的构成的线圈。另一方面，作为电能输送线圈，试制了具有图4的构成的线圈(绕线之间具有缝隙的构成)和具有图5的构成的线圈(绕线之间没有缝隙的构成)这两个线圈，针对这两个线圈，对电能输送线圈相对于电能接收线圈发生位置偏离时的输出电能的变化进行了评价。评价结果如图6所示。由图6可知，在使用了在绕线之间设置间隙的平面线圈44的情况下，相对于位置偏离，输出电能的变化少，彼此线圈的位置偏离在±5mm的范围内，能够获得5V以上的输出。

另外，用于电能输送线圈以及电能接收线圈的平面线圈的绕数以及阻抗的最佳值根据对于非接触电能传输系统的用途或小型化的要求程度、所希望提供的电能等的不同而不同。但是，作为绕数，只要是从1到10匝，就能够广泛应用。另外，如果线圈的绕线之间的间隙为0.1mm以上，则与以往的间隔几乎为零的构成相比，能够改善针对电能输送线圈以及电能接收线圈之间的位置偏离的冗长性。

本发明不局限于上述实施方式这一点是毋庸置疑的，只要在不脱离本发明的宗旨的范围内，就能够对部件或构成等进行变更。例如，电能接收电路50的负载9从等效电路的角度来讲一般假设为电阻。但是，也可以是串联或并联地包括电容成分的负载或包括电感成分的负载，即使在该情况下也能够获得本发明的效果。另外，关于电能输送装置10，除了图中所示的元件以外，也能够添加电部件或电路。另外，在电压驱动型的开关元件中也能够使用FET之外的半导体开关元件。

附图标记的说明：

10、10a…电能输送装置

12…振荡电路

14…电能开关电路

16…开关元件

18…电位变动用电感器

20…第一电容器

30、30a…电能导出电路

32…第二电容器

40…电能输送线圈

42…磁性体基板

44…平面线圈

50…电能接收装置

52…电能接收电路

54…负载

56…充电电路

58…二次电池

60…电能接收线圈

62…磁性体基板

64…平面线圈

Claims (12)

1.一种电能输送装置，具有电能输送线圈，且通过将电能接收装置的电能接收线圈配置在上述电能输送线圈附近的规定位置上，从而利用上述电能接收线圈与上述电能输送线圈之间的电磁感应，向上述电能接收装置输送电能，

在该电能输送装置中，

具有：电能开关电路，其具有开关元件和输出点，并且通过以规定开关频率来切换上述开关元件，从而使上述输出点的电位进行规定变动，上述规定变动是将具有规定振幅的正弦波变动进行半波整流而获得的电位变动；

第一电容器，其连接于上述输出点与第一固定电位之间；和

电能导出电路，其包括上述电能输送线圈，且连接于上述输出点与第二固定电位之间，以便在上述电能输送线圈的两端生成包含在上述规定变动中的交流性的变化。

2.根据权利要求1所述的电能输送装置，其中，

上述开关元件连接于第三固定电位与上述输出点之间，

上述电能开关电路还具有连接于第四固定电位与上述输出点之间的电位变动用电感器，

上述规定变动由上述规定开关频率f和上述电位变动用电感器的电感来设定。

3.根据权利要求2所述的电能输送装置，其中，

上述第三固定电位为接地。

4.根据权利要求2或3所述的电能输送装置，其中，

上述电能导出电路具有上述电能输送线圈和与该电能输送线圈串联连接的第二电容器，

用上述电能输送线圈和上述第二电容器构成串联谐振电路时的第二谐振频率f₂，即利用在将上述电能接收线圈配置在上述规定区域的状态下从上述输出点侧检测上述电能输送线圈时的上述电能输送线圈的电感来计算出的第二谐振频率f₂，小于上述规定开关频率f。

5.根据权利要求4所述的电能输送装置，其中，

相对于上述规定开关频率f，上述第二谐振频率f₂满足0.5f＜f₂＜f。

6.根据权利要求4或5所述的电能输送装置，其中，

用上述第一电容器、上述第二电容器和上述电能输送线圈构成串联谐振电路时的第一谐振频率f₁，即利用在将上述电能接收线圈配置在上述规定区域的状态下从上述输出点侧检测上述电能输送线圈时的上述电能输送线圈的电感来计算的第一谐振频率f₁，大于上述规定开关频率f。

7.根据权利要求6所述的电能输送装置，其中，

相对于上述规定开关频率f，上述第一谐振频率f₁满足f＜f₁＜2f。

8.根据权利要求2至7的任意一项所述的电能输送装置，其中，

上述规定开关频率被设定为1MHz以上。

9.根据权利要求1至8的任意一项所述的电能输送装置，其中，

上述第一固定电位以及上述第二固定电位都是接地。

10.一种非接触电能传输系统，具有：

权利要求1至9的任意一项所述的电能输送装置；和

具有上述电能接收线圈的上述电能接收装置。

11.根据权利要求10所述的非接触电能传输系统，其中，

上述电能输送线圈以及上述电能接收线圈是分别在基板上设置平面线圈而构成的线圈，

上述基板由导磁率为1000以下的磁性体构成，

上述平面线圈的绕数为1～10匝。

12.根据权利要求11所述的非接触电能传输系统，其中，

上述平面线圈是在线间设置有0.1mm以上的缝隙的情况下进行绕线而成的。

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