CN102754306B - 功率传输系统 - Google Patents

Abstract

将高频高电压发生器(11)所产生的频率确定为功率发送装置(101)的谐振电路和功率接收装置(201)的谐振电路为耦合的状态下产生的2个耦合模式的频率中的高频侧的频率。由此，功率发送装置(101)的有源电极(3)和功率接收装置(201)的有源电极(6)的电荷成为相互相同极性，功率发送装置(101)的无源电极(2)和功率接收装置(201)的无源电极(7)的电位成为相互相同极性。若将功率发送装置(101)的无源电极(2)与接地连接，则无源电极(2)的电位成为0V。由此，功率接收装置(201)的无源电极(7)的电位也成为大致0V。由此，构成了能抑制来自功率接收装置的无源电极的不需要磁场的辐射的功率传输系统。

Description

功率传输系统

技术领域

本发明涉及以非接触来传输功率的功率传输系统。

背景技术

在专利文献1中公开了通过电容耦合来传输功率的系统。

专利文献1的功率传输系统由具备高频高电压产生电路、无源电极以及有源电极的功率发送装置、以及具备高频高电压负载电路、无源电极以及有源电极的功率接收装置构成。

图1是表示专利文献1的功率传输系统的基本构成的图。在功率发送装置中具备高频高电压产生电路1、无源电极2以及有源电极3。功率接收装置中具备高频高电压负载电路5、无源电极7以及有源电极6。并且，通过使功率发送装置的有源电极3和功率接收装置的有源电极6隔着空隙4而接近，使该2个电极彼此电容耦合。

先行技术文献

专利文献

专利文献1：JP特表2009-531009号公报

发明的概要

发明要解决的课题

图2示出了加在有源电极和无源电极上的瞬时电荷的例子。如图2所示，功率发送装置100的有源电极3和功率接收装置200的有源电极6的电荷相互呈相反极性，功率发送装置100的无源电极2和功率接收装置200 的无源电极7相互呈相反极性。

如此，在专利文献1所示的构造的功率传输系统中，由于利用在有源电极3、6间以及无源电极2、7间所产生的电场来传输功率，因此，存在当无源电极2、7间的电容较小的情况下，即无源电极2、7间的电容耦合较弱的情况下，无源电极2、7的电位会较大地变动的问题。另外，由于功率接收装置的无源电极与接地电位隔开，因此会成为不需要电磁场的辐射源，还存在伴随着该无源电极7的电位变动而辐射不需要电磁场这样的问题。

在专利文献1中，通过增大无源电极的面积来使无源电极的电位稳定。虽然只要不使无源电极的形状充分大也没什么大问题，但有时因设备的形状而无法得到充分的效果。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种抑制了来自功率接收装置的无源电极的不需要电磁场辐射的功率传输系统。

本发明的功率传输系统如下构成。具备：功率发送装置，其具有功率发送装置侧有源电极、功率发送装置侧无源电极、以及在所述功率发送装置侧有源电极和所述功率发送装置侧无源电极之间施加高频的高电压的高频高电压产生电路；和功率接收装置，其具有与所述功率发送装置侧有源电极对置的功率接收装置侧有源电极、功率接收装置侧无源电极、以及连接在所述功率接收装置侧有源电极和所述功率接收装置侧无源电极之间的高频高电压负载电路，所述高频高电压产生电路产生使得所述功率发送装置侧有源电极与无源电极之间的电位差的相位、和功率接收装置侧有源电极与无源电极之间的电位差的相位的相位差的绝对值为0度以上且小于90度的频率的高电压。

通过该构成，由于功率接收装置侧无源电极的电位变动成为与接近接地电位的功率发送装置侧无源电极的电位变动相同(相同极性)，因此，能抑制功率接收装置侧无源电极的电位变动。由此，能不降低功率效率地抑制不需要电磁场的辐射。

具体地，具有所述功率发送装置侧有源电极、所述功率发送装置侧无源电极、以及所述高频高电压产生电路的功率发送电路的谐振频率和具有所述功率接收装置侧有源电极、所述功率接收装置侧无源电极以及所述高频高电压负载电路的功率接收电路的谐振频率大致相等，在所述功率发送装置侧有源电极和所述功率发送装置侧无源电极之间施加的高电压的频率是在所述功率发送装置和所述功率接收装置为耦合的状态下所生成的2个耦合模式的频率中的高频侧的频率。

若所述功率发送装置侧无源电极的电位与接地电位(大地、筐体的电位)大致相等，则能使功率接收装置侧无源电极的电位稳定化，能有效地抑制不需要电磁场的辐射。

若使所述功率发送装置侧无源电极比所述功率发送装置侧有源电极大，另外，若使所述功率接收装置侧无源电极比所述功率接收装置侧有源电极大，则由于相对于功率发送装置侧无源电极的、功率接收装置侧无源电极的电位变化变小，因此，能使功率接收装置侧无源电极的电位进一步稳定化，能有效地抑制不需要电磁场的辐射。

若按照在所述功率发送装置侧有源电极和所述功率接收装置侧有源电极对置的状态下，将所述功率发送装置侧无源电极和所述功率接收装置侧无源电极对置的方式来配置这些电极，则在功率发送装置侧无源电极和功率接收装置侧无源电极间产生的电容变大，功率接收装置侧无源电极的电位变动变小，从而有效地抑制了不需要电磁场的辐射。

若在功率发送装置具备LC谐振电路，则能使所述功率发送装置的谐振频率容易地确定为规定的频率。同样地，若在所述功率接收装置具备LC谐振电路，则能使所述功率接收装置的谐振频率容易地确定为规定的频率。

发明的效果

根据本发明，控制了功率接收装置侧无源电极的电位变动，从而能抑制来自功率接收装置侧无源电极的不需要电磁场的辐射。

附图说明

图1是表示专利文献1的功率传输系统的基本构成的图。

图2是表示加在有源电极和无源电极的瞬时电荷的例子的图。

图3(A)、图3(B)是第1实施方式所涉及的功率传输系统的等效电路图。

图4(A)是表示针对图3(A)的等效电路的电压、电流的图。图4(B)是表示其谐振电路的构成的图。

图5是关于功率接收装置侧的无源电极的电压的频率特性图。

图6是表示功率传输系统的发送装置侧有源电极-无源电极间的电位差的相位和接收装置侧有源电极-无源电极间的电位差的相位的相位差的图、以及功率传输系统的传输功率的频率特性图。

图7是表示将高频高电压发生器11的频率设定为高频侧的谐振频率f2时的加在有源电极和无源电极的瞬时电位的例子的图。

图8(A)是表示在功率发送装置101构成有LC串联谐振电路，在功率接收装置202构成有LC并联谐振电路的功率传输系统的电路图。图8(B)表示在功率发送装置102构成有LC并联谐振电路，在功率接收装置202构成有LC并联谐振电路的功率传输系统的电路图。

图9是表示在功率发送装置101构成有LC串联谐振电路，在功率接收装置203构成有LC串联谐振电路和与电感L2感应耦合的电感L3的功率传输系统的电路图。

图10(A)～图10(E)分别是表示第3实施方式所涉及的功率传输 系统的示意性的截面图。

图11(A)、图11(B)是表示功率发送装置以及功率接收装置中的谐振电路的谐振频率的设定构造的例子的图。

图12是功率发送装置110以及功率接收装置210的电路图。

具体实施方式

《第1实施方式》

参照图3～图7来说明第1实施方式所涉及的功率传输系统的构成。

图3(A)、图3(B)是第1实施方式所涉及的功率传输系统的等效电路图。如图3(A)所示，功率发送装置101由高频高电压发生器11、电感L1以及电容C1来表现，功率接收装置201由高频高电压负载51、电感L2以及电容C2来表现。另外，用Cm来表现耦合电容。

在图3(A)中，高频高电压发生器11是理想的电压源。在本申请中，高电压是指，有效值为100V以上的电压。另外，高频是指，100kHz～数十MHz的范围的频率。电感L1是功率发送装置101的电感分量，例如是升压变压器的电感分量。电感L2是功率接收装置201的电感分量，主要例如是降压变压器的电感分量。高频高电压负载51主要例如是降压变压器的二次侧的电路，是电阻分量。

电容C1、C2、Cm是通过功率发送装置侧有源电极、功率发送装置侧无源电极、功率接收装置侧有源电极以及功率接收装置侧无源电极产生的电容。将根据在各电极的立体构造中产生的电场分布而导出的电容分量简略化来表示。

图3(B)是为了方便而用4个耦合电容C1、C2、C3、C4来表现图3(A)的电容耦合部分的图。

如此，功率发送装置101的功率发送电路具备LC谐振电路，功率接收装置201的功率接收电路具备LC谐振电路。 

参照图4(A)、图4(B)来说明图3(A)所示的等效电路的电容耦合部的关系式和耦合谐振电路的谐振频率。

图4(A)所示的电压V1、V2、电流I1、I2、以及电容C1、C1、Cm的关系用下式来表示。

$\left[\begin{array}{c}{I}_1\\ I_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{j\ωC}}_1& {-\mathrm{j\ωC}}_m\\ {-\mathrm{j\ωC}}_m& {\mathrm{j\ωC}}_2\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_1\\ V_2\end{array}\right]...\left(1\right)$

在此，为了简化，设为是对称电路，设电感L1、L2的电感值为L，电容C1、C2的电容值为C，则耦合时的谐振频率用下式来表示。

$f1=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L(C+C_m)}}...\left(2\right)$

$f2=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L(C-C_m)}}...\left(3\right)$

如此，产生低频侧的谐振频率f1和高频侧的谐振频率f2。顺道一提，在耦合电容为0时，即功率发送装置101和功率接收装置201相互不耦合的单体状态的谐振电路的谐振频率相等，是f1和f2的中间频率。

图5是表示针对功率接收装置侧的无源电极的电压的频率特性的图。图6是表示功率传输系统的发送装置侧有源电极-无源电极间的电位差的相位和接收装置侧有源电极-无源电极间的电位差的相位的相位差的图、以及功率传输系统的传输功率的频率特性图。在此，图3(B)所示的各元件的值依次如下。

L1＝50mH、Q＝100

L2＝50mH、Q＝100

C1＝10pF

C2＝10pF 

C3＝5pF

C4＝10pF

R＝20Ω

为了简单，设C1、C2、C3、C4为无损失。

如图5所示，若设高频高电压发生器11的频率为高频侧的谐振频率f2，则功率接收装置侧的无源电极的电压降低。若设高频高电压发生器11的频率为低频侧的谐振频率f1，则功率接收装置侧的无源电极的电压变高。与将高频高电压发生器11的频率设为f1的情况相比，若设为f2，则功率接收装置侧的无源电极的电压降低至1/3程度。

另外，与将高频高电压发生器11的频率设为f1的情况相比，若设为高频侧的谐振频率f2、以及高频侧和低频侧的谐振频率的中间点(f1+f2)/2的频率，则功率接收装置侧的无源电极的电压降低至1/2程度。

因此，使高频高电压发生器11至少不在低频侧的谐振频率f1的附近动作。即，使高频高电压发生器11在图6的框所围起的包含高频侧谐振频率f2、以及高频侧和低频侧的谐振频率的中间点(f1+f2)的频率范围内动作。

如图5所明示，与将高频高电压发生器11的频率设为f1的情况相比，若设为该频率范围内的频率，则能将功率接收装置侧的无源电极的电压降低至1/2～1/3程度。

从图6中可知，包含高频侧谐振频率f2、以及高频侧和低频侧的谐振频率的中间点(f1+f2)/2的频率范围是发送装置侧有源电极与无源电极之间的电位差的相位和接收装置侧有源电极和无源电极之间的电位差的相位的相位差的绝对值为0度以上且小于90度的频率范围。

因此，与将高频高电压发生器11的频率设为f1的情况相比，若将发送装置侧有源电极与无源电极间的电位差的相位和接收装置侧有源电极和无源电极间的电位差的相位这两个相位的相位差的绝对值设为0度以上且小于90度，则能将功率接收装置侧的无源电极的电压降低至1/2～1/3程度。

图7表示将高频高电压发生器11的频率设定为高频侧的谐振频率f2时的加在有源电极和无源电极的瞬时电位的例子。如该图7所示，在功率发送装置101的有源电极3和功率接收装置201的有源电极6产生的电荷成为相互相同极性的电荷，在功率发送装置101的无源电极2和功率接收装置201的无源电极7产生的电荷成为相互相同极性的电荷。若将功率发送装置101的无源电极2与接地连接(即若为功率发送装置的接地电位)，则无源电极2的电位为0。因此，功率接收装置201的无源电极7的电位也大致成为0V。由于功率发送装置的接地与大地接地的电位相等或基本相等，因此，功率接收装置201的无源电极的电位也与大地电极相等或基本相等。

《第2实施方式》

在第2实施方式中，示出功率发送装置和功率接收装置的谐振电路的几个构成例。

图8(A)是在功率发送装置101构成有LC串联谐振电路，在功率接收装置202构成有LC并联谐振电路的例子。图8(B)在功率发送装置102构成有LC并联谐振电路，在功率接收装置202构成有LC并联谐振电路的例子。如此，由于只要使2个谐振电路电容耦合即可，因此，功率发送装置侧和功率接收装置侧的各自的谐振电路既可以是串联谐振电路，也可以是并联谐振电路。另外，电容耦合的耦合度是任意的。耦合电容Cm越大，则如(2)式以及(3)式所示那样，低频侧的谐振频率f1和高频侧的谐振频率f2的频率差就越大，耦合度也就越增大。

图9是在功率发送装置101构成有LC串联谐振电路，在功率接收装置203构成有LC串联谐振电路、和与电感L2感应耦合的电感L3的例子。 如此，能根据功率接收装置203内的感应耦合(变压器耦合)的耦合度来确定谐振电路与负载的耦合度。若该耦合度较弱，则能使基于负载变动的谐振电路的谐振特性稳定化。

《第3实施方式》

在第3实施方式中，示出了功率发送装置和功率接收装置的电极的构造的几个例子。

图10(A)～图10(E)分别是第3实施方式所涉及的功率传输系统的示意性的截面图。在图10(A)的例子中，不仅功率发送装置103的有源电极3和功率接收装置203的有源电极6对置，功率发送装置103的无源电极2和功率发送装置203的无源电极7也对置。

在图10(B)的例子中，功率发送装置104的无源电极2和功率接收装置204的无源电极7对置。在功率发送装置104的筐体的上表面附近，形成有功率发送装置侧有源电极3、和以绝缘状态包围该有源电极3的周围的功率发送装置侧无源电极2。另外，在功率发送装置104的筐体内，在有源电极3和无源电极2之间设有施加高频的高电压的高频高电压发生电路1。无源电极2沿着筐体的内周面而配置。因此，高频高电压发生电路1被无源电极2覆盖。

功率发送装置104的筐体例如是ABS树脂等的塑料的成形体，通过在筐体的内部将有源电极3以及无源电极2一体成形，使筐体的外表面成为绝缘构造。

在功率接收装置204的筐体的下表面附近，形成有功率接收装置侧有源电极6、和以绝缘状态包围该有源电极6的周围的功率接收装置侧无源电极7。另外，在功率接收装置204的筐体内设有在有源电极6和无源电极7之间感应的功率的负载电路5。在该例中，无源电极7沿着筐体的内周面而配置。因此，负载电路5被无源电极7覆盖。

功率接收装置204的筐体也是例如ABS树脂等的塑料的成形体，通过在筐体的内部将有源电极6以及无源电极7一体成形，使筐体的外表面成为绝缘构造。

功率发送装置104的有源电极3为圆形。在无源电极2具备与有源电极3同轴的圆形的开口部。即，以与有源电极3之间进行绝缘的状态，将无源电极2配置在包围有源电极3的位置。关于功率接收装置204，有源电极6也是圆形。在无源电极7具备与有源电极6同轴的圆形的开口部，以与有源电极6之间进行绝缘的状态，将无源电极7配置在包围有源电极6的位置。

通过这样的构造，由于能使功率发送装置侧无源电极2和功率接收装置侧无源电极7之间产生的电容更大，因此，能降低无源电极2、7的电位变动。

在图10(C)的例子中，使功率发送装置105侧无源电极2的开口比图10(B)的例子小，将有源电极3配置在比无源电极2的面(与功率接收装置205的无源电极7相对的对置面)突出的位置。同样地，使功率接收装置205侧无源电极7的开口比图10(B)的例子小，将有源电极6配置在比无源电极7的面(与功率发送装置105的无源电极2相对的对置面)突出的位置。

通过这样的构造，能提高无源电极2、7的开口和有源电极3、6的位置关系的自由度。

在图10(D)的例子中，将有源电极3配置得比功率发送装置106侧无源电极2的开口部更靠内侧。同样地，将有源电极6配置得比功率接收装置206侧无源电极7的开口部更靠内侧。

通过这样的构造，能提高基于无源电极2、7的有源电极3、6的电场屏蔽性，并进一步降低向外部辐射的电场(泄漏电场)。另外，由于能使在无源电极2、7间产生的电容更大，因此，能进一步降低无源电极2、7的电位变动。

在图10(E)中，将无源电极2配置在功率发送装置107侧有源电极3的上下。同样地，将无源电极7配置在功率接收装置207侧有源电极6的上下。

通过这样的构造，提高了基于无源电极2的高频高电压产生电路1的屏蔽性。另外，提高了基于无源电极7的负载电路5的屏蔽性。另外，由于使无源电极2、7位于有源电极3、6之间，因此能提高谐振电容C的设定自由度。

《第4实施方式》

在第4实施方式中，示出了功率发送装置以及功率接收装置中的谐振电路的谐振频率的设定构造的例子。

在图11(A)的例子中，与功率发送装置108的高频高电压发生器11串联地连接电感L1，在有源电极3和无源电极2之间连接电容器C1。另外，与功率接收装置208的高频高电压负载51串联地连接电感L2，在有源电极6和无源电极7之间连接电容器C2。

该功率传输系统的等效电路如图3(A)、图3(B)所示。为了将功率发送装置108中的谐振电路的谐振频率确定为规定的频率，只要确定电感L1、L2的电感值或电容器C1、C2的电容值即可。另外，还将分布在对耦合作出贡献的电极2、3、6、7的电容分量也考虑为谐振电路的电容。

在图11(B)的例子中，与功率发送装置109的高频高电压发生器11串联地连接电感L1。另外，与功率接收装置209的高频高电压负载51串联地连接电感L2。如此，由于在功率发送装置的无源电极2和功率接收装置的无源电极7面对面耦合的情况下，在有源电极和无源电极之间产生 的寄生电容比较大，因此，若利用该寄生电容，则就算不具备作为图1(A)所示那样的部件的电容器C1、C2，也能确定谐振电路的谐振频率。

《第5实施方式》

在第5实施方式中，示出功率发送装置内的高频高电压产生电路的具体的构成例、以及功率接收装置内的高频高电压负载电路的具体的构成例。图12是功率发送装置110以及功率接收装置210的电路图。

在功率发送装置110具有高频高电压发生器11和升压变压器T1，将高频高电压发生器11连接在变压器T1的一次绕组上，将有源电极3以及无源电极2连接在变压器T1的二次绕组上。

在功率接收装置210具备由整流平滑电路30以及低电压电路部29构成的负载电路5。整流平滑电路30具备降压变压器T2、整流二极管D1、D2以及平滑电容器C。变压器T2的一次绕组的一端与有源电极6连接，另一端与无源电极7连接。在变压器T2的二次绕组构成了基于整流二极管D1、D2以及平滑电容器C的全波整流电路。

在该例中，功率接收装置210构成了非接触充电装置，低电压电路部29具有将由整流平滑电路30整流平滑过的电压作为电源来动作的控制电路31以及二次电池32。控制电路31进行二次电池32的充电控制、以二次电池32为电源来进行的充电控制、以及其它的规定的电路动作。

虽然也可以进一步具备与恒电压电路部29连接的设备，但在图12中未图示设备。

高频高电压发生器11例如产生100kHz～数十MHz的高频高电压。该频率是相当于已经示出的耦合模式的高频侧的频率的固定的频率。

符号的说明

Cm          耦合电容

D1、D2      整流二极管

f1          低频侧谐振频率

f2          高频侧谐振频率

L1、L2、L3  电感

T1          升压变压器

T2          降压变压器

1           高频高电压产生电路

2           功率发送装置侧无源电极

3           功率发送装置侧有源电极

5           高频高电压负载电路

6           功率接收装置侧有源电极

7           功率接收装置侧无源电极

11          高频高电压发生器

29          低电压电路部

30          整流平滑电路

31          控制电路

32          二次电池

51          高频高电压负载

100～110    功率发送装置

200～210    功率接收装置

Claims (7)

1.一种功率传输系统，其特征在于，具备：

功率发送装置，其具有功率发送装置侧有源电极、功率发送装置侧无源电极、以及在所述功率发送装置侧有源电极和所述功率发送装置侧无源电极之间施加高频的高电压的高频高电压产生电路；和

功率接收装置，其具有与所述功率发送装置侧有源电极对置的功率接收装置侧有源电极、功率接收装置侧无源电极、以及连接在所述功率接收装置侧有源电极和所述功率接收装置侧无源电极之间的高频高电压负载电路，

所述高频高电压产生电路产生使得所述功率发送装置侧有源电极与无源电极之间的电位差的相位、和功率接收装置侧有源电极与无源电极之间的电位差的相位的相位差的绝对值为0度以上且小于90度的频率的高电压。

2.根据权利要求1所述的功率传输系统，其特征在于，

具有所述功率发送装置侧有源电极、所述功率发送装置侧无源电极、以及所述高频高电压产生电路的功率发送电路的谐振频率和具有所述功率接收装置侧有源电极、所述功率接收装置侧无源电极以及所述高频高电压负载电路的功率接收电路的谐振频率大致相等，在所述功率发送装置侧有源电极和所述功率发送装置侧无源电极之间施加的高电压的频率是在所述功率发送装置和所述功率接收装置为耦合的状态下所生成的2个耦合模式的频率中的高频侧的频率。

3.根据权利要求1或2所述的功率传输系统，其特征在于，

所述功率发送装置侧无源电极具有与接地电位大致相等的电位。

4.根据权利要求1或2所述的功率传输系统，其特征在于，

所述功率发送装置侧无源电极比所述功率发送装置侧有源电极大。

5.根据权利要求1或2所述的功率传输系统，其特征在于，

所述功率接收装置侧无源电极比所述功率接收装置侧有源电极大。

6.根据权利要求1或2所述的功率传输系统，其特征在于，

在所述功率发送装置侧有源电极和所述功率接收装置侧有源电极的对置状态下，将所述功率发送装置侧无源电极和所述功率接收装置侧无源电极对置。

7.根据权利要求1或2所述的功率传输系统，其特征在于，

所述功率发送装置以及所述功率接收装置两者都具备LC谐振电路。