CN102918748B - 无线电力传输装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的无线电力传输装置具有一对天线(107)和(109)以及控制部(100)，一对天线(107)和(109)能够通过频率f0的谐振磁场耦合以非接触的方式传输电力，一个天线是串联谐振电路，另一个天线是并联谐振电路，控制部(100)根据在上述一对天线(107)和(109)之间传输的电力的大小来控制传输频率。当在天线之间传输的电力高于基准值P1时，控制部(100)将传输频率设定为比频率f0高的第一量级范围内的值；当电力低于上述基准值P1时，控制部(100)将传输频率设定为低于第一量级范围的第二量级范围内的值。

Description

无线电力传输装置
技术领域
本发明涉及一种利用谐振磁场耦合以无线方式传输电力的谐振磁场耦合型的非接触电力技术。
背景技术
专利文献1公开了经由两个谐振器之间的空间传输能量的新型无线能量传输装置。在该无线能量传输装置中，通过在谐振器的周围空间产生的谐振频率的振动能量的出现(evanescenttail)将两个谐振器耦合，由此，利用无线(非接触)传输振动能量。
另外，一直以来都存在着电磁感应技术。在使用了这些电力传输技术的电子设备中，很多设备要求在接收恒定电压的电力的输入，并经过某种电力转换或分压、能量传输等的功能块之后，提供给设备的电压为恒定电压。例如，电视等的AV设备从提供大致恒定的电压AC的电力的插座接收输入，最终使消耗电力的设备内的个别电路以保持恒定电压的方式工作。在画面的亮度变化的情况下也通过改变电流量来进行应对。后面将会将这种由电源接收恒定电压的供电，并将恒定电压的电力输出到负载的工作方式称为“恒压工作”。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2008/0278264号说明书(图12、图14)
发明概要
发明要解决的技术课题
在专利文献1记载的无线能量传输电路中，在从传输大电力时到传输小电力时为止进行恒压工作的情况下，很难维持高效率的传输特性。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而实现的发明。第一个目的是：提供一种能够针对规定输入电压的电力输入，进行规定输出电压的电力输出，并且，不仅在大电力传输时，且在小电力传输时也能够维持高效率的无线电力传输装置。
解决技术课题的手段
本发明的无线电力传输装置具有一对天线以及控制部，上述一对天线能够通过频率f0的谐振磁场耦合以非接触的方式传输电力，一个天线是串联谐振电路，另一个天线是并联谐振电路，上述控制部根据在上述一对天线之间传输的电力的大小来控制传输频率，当上述电力高于基准值P1时，上述控制部将上述传输频率设定为比上述频率f0高的第一量级范围内的值；当上述电力低于上述基准值P1时，上述控制部将上述传输频率设定为比上述第一量级范围低的第二量级范围内的值。
在某一实施方式中，当上述电力从高于上述基准值P1的值变化成低于上述基准值P1的值时，或者当上述电力从低于上述基准值P1的值变化成高于上述基准值P1的值时，上述控制部使上述传输频率在上述第一量级范围内的值和上述第二量级范围内的值之间跳变。
在某一实施方式中，上述控制部在使上述传输频率跳变时，使在上述一对天线之间进行耦合的谐振磁场的模式在偶数模和奇数模之间切换。
在某一实施方式中，当上述传输电力在上述基准值P1和低于上述基准值P1的第二基准值P2之间时，上述控制部将上述传输频率设定为低于上述频率f0的频率f2以下的值，当上述传输电力低于上述第二基准值P2时，上述控制部将上述传输频率设定为高于上述频率f2的值。
在某一实施方式中，上述第一量级范围是从上述频率f0到偶数模的谐振频率fH为止的范围，上述第二量级范围是从奇数模的谐振频率fL到上述频率f0为止的范围。
在某一实施方式中，当上述传输电力与上述基准值P1相等时，上述控制部将上述传输频率设定为与上述频率f0相等的值。
在某一实施方式中，上述一对天线的谐振频率分别与上述频率f0相等。
在某一实施方式中，上述一对天线的耦合系数k在电力传输中被维持为恒定。
在某一实施方式中，上述基准值P1被设定为最大传输电力Pmax的60％以上且80％以下的范围内。在某一实施方式中，当将上述传输频率的最大值设为ftrmax，将偶数模的谐振频率设为fH时，上述控制部在上述电力高于基准值P1的情况下，将上述传输频率的最大值ftrmax设定为：由公式Rhigh＝(ftrmax-f0)÷(fH-f0)×100定义的Rhigh在18％到56％的范围内。
在某一实施方式中，当将上述传输频率的最小值设为ftrmin，将奇数模的谐振频率设为fL时，上述控制部在上述电力低于基准值P1的情况下，将上述传输频率的最小值ftrmin设定为：由公式Rlow＝(f0-ftrmin)÷(f0-fL)×100定义的Rlow在21％到45％的范围内。
在某一实施方式中，在上述一对天线中的受电侧的天线的输出端子与后级的负载连接的状态下，向送电侧的天线提供RF能量的振荡器的输出阻抗Zoc与送电天线的输入阻抗Zin彼此相等。
在某一实施方式中，在向上述一对天线中的送电侧的天线提供RF能量的振荡器的输出端子与上述送电侧的天线的输入端子连接的状态下，受电侧的天线的输出阻抗Zout与在后级被连接的负载的输入阻抗彼此相等。
发明效果
根据本发明的无线电力传输装置，能够实现在利用谐振磁场耦合进行天线之间的传输时，在例如较宽的传输电力范围内，针对规定输入电压的能量输入，输出规定输出电压的能量的电力传输装置的高效率化。
附图说明
图1A表示的是本发明的无线电力传输装置的基本构成的一个例子。
图1B表示的是本发明的无线电力传输装置的基本构成的其他例子。
图1C表示的是本发明的无线电力传输装置的基本构成的其他例子。
图1D表示的是传输电力和传输频率的关系的一个例子。
图1E表示的是传输电力和传输频率的关系的其他例子。
图2表示的是本发明的无线电力传输装置的基本构成。
图3表示的是本发明的无线电力传输装置中的天线对的等效电路。
图4表示的是本发明的无线电力传输装置中的天线对的等效电路。
图5表示的是本发明的无线电力传输装置中的天线对的立体示意图。
图6的图形表示的是本发明的实施例中的无线传输部的传输效率的传输电力依赖性。
图7的图形表示的是本发明的实施例中的频率的传输电力依赖性。
图8的图形表示的是本发明的实施例中的频率的传输电力依赖性。
图9的图形表示的是本发明的比较例中的无线传输部的传输效率的传输电力依赖性。
图10的图形表示的是本发明的比较例中的峰值频率的传输电力依赖性。
图11的图形表示的是本发明的比较例中的无线传输部的传输效率的传输电力依赖性。
图12的图形表示的是本发明的比较例中的峰值频率的传输电力依赖性。
图13的图形表示的是本发明的比较例中的无线传输部的传输效率的传输电力依赖性。
图14的图形表示的本发明的比较例中的峰值频率的传输电力依赖性。
图15的图形表示的是本发明的比较例中的峰值频率的传输电力依赖性。
图16的图形表示的是本发明的比较例中的峰值频率的传输电力依赖性。
具体实施方式
本发明的无线电力传输装置的优选实施方式如图1A举例所示，具有能够通过频率f0的谐振磁场耦合以非接触的方式传输电力的一对天线107和109，以及根据在该一对天线107和109之间传输的电力的大小控制传输频率的控制部(频率控制部)100。该一对天线中的一个是串联谐振电路，另一个是并联谐振电路。当在天线107和109之间传输的电力高于基准值P1时，控制部100将传输频率设定为比频率f0高的第一量级范围内的值，当电力低于基准值P1时，控制部100将传输频率设定为低于第一电量级范围的第二量级范围内的值。该基准值P1是设定为低于最大传输电力Pmax的值，优选能够设定在最大传输电力Pmax的60％以上80％以下的范围内。本发明人发现：当通过利用谐振磁场耦合的无线电力传输装置执行恒压工作时，如后面要提到的那样，当比最大传输电力Pmax充分低时，通过切换收发天线之间的谐振磁场的耦合模式，能够维持较高的传输效率。本发明就是基于该发现而实现的。通过根据比基准值P1高或低来改变传输频率，从而能够实现耦合模式的切换。
图1A的无线电力传输装置具有振荡频率f0的振荡器103。如图2中其他的实施方式所示，可以将频率转换电路161与受电天线的后级连接。振荡器103接收从图中没有显示的电源提供的直流或交流的能量(电力)，将所提供的能量频率转换(DC/RF转换或者AC/RF转换)成频率ftr的RF能量。在本说明书中，将该频率ftr称为传输频率。
从振荡器103输出的RF能量被输入到与振荡器103连接的送电天线107。送电天线107和受电天线109是以各自的谐振频率fT和fR成为不对应的方式事先设计的谐振器对。送电天线107和受电天线109是经由在彼此的谐振器在周围空间形成的谐振磁场而磁性耦合的。作为其结果，通过谐振磁场耦合，受电天线109能够高效率地接收由送电天线107送出的RF能量的至少一部分。
控制部100生成用于控制振荡器103的振荡频率的信号(例如频率可变的脉冲列)，并向振荡器103输入。在本发明的某一实施方式中，如图1B所示，受电天线109的输出与负载111连接。根据该负载111的状况(例如所消耗的电力)，应该从送电天线107向受电天线109传输的电力的大小能够变化。在图1B的例子中，表示负载111所需要的传输电力的大小的信息或信号从负载111提供给控制部100。与此相应地，控制部100能够增减振荡器103的振荡频率。其结果是，传输电力的频率得到控制。
另外，在本发明的其他实施方式中，如图1C所示，振荡器103与发电部102连接，频率控制部100能够根据发电部102的状况改变振荡器103的振荡频率。发电部102包括例如太阳能电池等的发电元件。由发电部102提供给振荡器103的电力能够根据发电部102的状况变化。例如，根据太阳能电池所接收到的太阳光的量产生的电力能够变化。因此，应该从送电天线107向受电天线109传输的电力的大小也能够变化。在图1C的例子中，表示由发电部102发电的电力、即传输电力的大小的信息或信号被从发电部102提供给控制部100。与此相应地，控制部100能够增减振荡器103的振荡频率。其结果是，传输电力的频率得到控制。
传输电力的大小和传输频率的关系事先根据实验等决定，可以被记录在设置在无线电力传输装置或负载中的存储器中。另外，传输电力的大小与传输频率的关系也可以在实际的电力传输中基于传输效率来决定。
图1D的图形表示的是传输电力的大小和传输电力的频率的关系的一个例子。如图所示，第一量级范围高于上述频率f0。在该例子中，第一量级范围是从频率f0到偶数模谐振频率fH的范围，第二量级范围是从奇数模谐振频率fL到频率f0的范围。关于奇数模以及偶数模的谐振频率fH和fL，后面将进行说明。
当传输电力从高于基准值P1的值变化成低于上述基准值P1的值时，或者，当上述电力从低于上述基准值P1的值变化成高于上述基准值P1的值时，控制部100使传输频率在第一量级范围内的值和上述第二量级范围内的值之间跳变。当控制部100使传输频率跳变时，其在偶数模和奇数模之间切换在一对天线之间耦合的谐振磁场的模式。另外，在某一优选的实施方式中，当传输电力等于基准值P1时，传输频率能够被设定为与频率f0相等的值。
传输电力的大小与传输频率的关系不局限于图1D的例子。图1E显示了更复杂的关系的一个例子。根据该例子，当传输电力在基准值P1和低于基准值P1的第二基准值P2之间时，控制部100将传输频率设定为低于频率f0的频率f2以下的值。并且，当传输电力低于第二基准值P2时，控制部100将传输频率设定为比频率f2高的值。当传输电力充分低时，例如，当在最大的传输电力Pmax的10％以下时，传输频率优选被设定为与频率f0大致相等。
传输电力的大小与传输频率的关系以及基准值P1和P2等的值是通过决定以被提供的传输电力的大小为基础对传输效率进行最优化的传输频率而获得的。关于传输电力的大小与传输频率的关系的具体例子后面将进行详细说明。另外，一对天线的耦合系数k优选在电力传输中维持为恒定。
图2所示的频率转换电路161接收由受电天线109提供的RF能量(电力)，在负载或系统等送出电力的最终极的功能块中将电力转换成所需的频率。因此，转换后的电力的频率既可以是DC也可以是AC或者也可以是其他的频率。受电天线109与送电天线107不接触，与送电天线107相隔例如数毫米～数十厘米左右。频率f0被设定为例如50Hz～300GHz、优选20kHz～10GHz、更优选20kHz～20MHz、还更优选20kHz～1MHz。
本发明的无线电力传输装置中的“天线”不是用于进行辐射电磁场的收发的通常的天线，而是利用谐振器的电磁场附近成分(evanescenttail)的耦合在两个物体之间进行能量传输的要素。根据利用谐振磁场的无线电力传输，在将电磁波向远方传递时不会产生能量损耗(辐射损耗)，因此，能够以极高的效率传输电力。这种利用谐振电磁场(近场)的耦合的能量传输与利用法拉第电磁感应法则的公知的无线电力传输相比，不仅损耗少，而且能够在相隔例如数米远的两个谐振器(天线)之间高效率地传输能量。
为了进行基于这种原理的无线电力传输，需要在两个谐振天线之间产生耦合。fT以及/或者fR不需要与频率f0完全一致。为了基于谐振器之间的耦合实现高效率的能量传输，fT＝fR是最理想的，但也可以是fT和fR的差异充分地小。在本说明书中，“频率fT与频率fR相等”被定义为满足以下的公式1的情况。
(公式1)|fT-fR|≤fT/QT+fR/QR
在此，QT是作为送电天线的谐振器的Q值，QR是作为受电天线的谐振器的Q值。一般来讲，在将谐振频率作为X，将谐振器的Q值作为QX的情况下，该谐振器的谐振所产生的频带相当于X/QX。如果设立了|fT-fR|≤fT/QT+fR/QR的关系，则在两个谐振器之间通过谐振磁场耦合实现能量传输。
(关于等效电路，一非对称谐振对：串联谐振电路和并联谐振电路的组合)
接下来参照图3。图3表示的是本发明的无线电力传输装置中的天线对的等效电路。如图3所示，本发明中的送电天线107是第一电感器107a以及第一电容元件107b串联连接的串联谐振电路，受电天线109是第二电感器109a以及第二电容元件109b并联连接的并联谐振电路。另外，送电天线107的串联谐振电路具有寄生电阻成分R1，受电天线109的并联谐振电路具有寄生电阻成分R2。本发明的无线传输部是送电天线和受电天线以串联谐振电路和并联谐振电路这一非对称的组合而构成的。即，如图4所示，即使送电天线107是并联谐振电路，受电天线109是串联谐振电路，也显现出同样的效果。
一般可知，在具有固有的谐振频率的两个谐振器电耦合的情况下，谐振频率变化。即使两个谐振器的谐振频率相同(频率：f0)，由于上述耦合的缘故，作为谐振器对的谐振频率也分离成两个频率。在耦合谐振器对所示的两个谐振频率内，将频率高的称为偶数模的谐振频率(fH)，将频率低的称为奇数模的谐振频率(fL)。另外，用公式(式2)k＝(fH^2-fL^2)÷(fH^2+fL^2)表示的k相当于谐振器之间的耦合系数。耦合越强k越成为大的值，两个谐振频率的分离量增大。
在无线电力传输装置中，在传输电力P成为最大(Pmax)的工作条件中，应该维持高的传输效率，这是毋庸置疑的，但是，在降低传输电力的传输条件下也还是应该维持高效率。而且，无论在传输电力是P＝Pmax的情况下还是在P≠Pmax的情况下，都优选进行恒压工作。因此，在P＝Pmax的条件下的输入输出阻抗Zin(P＝Pmax)、Zout＝(P＝Pmax)和任意的传输电力P传输时的输入输出阻抗Zin和Zout之间，以下的关系成立。
(公式3)Zin＝Zin(P＝Pmax)×(Pmax÷P)
(公式4)Zout＝Zout(P＝Pmax)×(Pmax÷P)
即，在恒压工作中，输入输出阻抗与传输电力成反比例地变化。在该条件下，在较宽的传输电力范围内将传输效率维持得较高是本申请发明的目的。为了达到该目的，本发明的无线电力传输装置中的传输频率ftr根据电力的传输量在大于频率fL小于fH的范围内被可变地控制。具体而言，在由规定电力(P1)到Pmax的电力传输范围中，以来自偶数模谐振的贡献大的频带传输电力，由此，能够实现高效率传输。另一方面，在传输电力设定地低于规定电力(P1)的传输电力范围中，通过以来自奇数模谐振的贡献大的频带传输电力，能够实现高效率传输。即，如果将传输电力设为P，则在P1≤P≤Pmax的范围中，f0＜ftr＜fH，如果P＜P1，则fL＜ftr＜f0。如果更详细的讲，在P1≤P≤Pmax的范围中，P1附近的传输电力条件下的最合适的ftr(P→P1)被设定为比Pmax附近的传输电力条件下的最合适的ftr(P→Pmax)高的值。另外，在P＜P1的范围中，P1附近的传输电力条件下的最合适的ftr(P→P1)被设定为比极小的电力传输条件下的最合适的ftr(P→0)低的值。即，在本申请发明的优选实施方式中，在P≥P1和P＜P1的范围设定的ftr的值产生不连续性。在本申请发明的优选实施方式中，在低阻抗传输条件下，利用偶数模谐振，在高阻抗传输条件下，利用奇数模谐振。通过根据传输电力条件切换天线对的谐振模式，针对宽范围的输入输出阻抗，实现高效率传输的维持。
另外，在优选的实施方式中，P1≤P≤Pmax的范围中的ftr的最大值ftrmax的值被设定为用以下的公式(5)定义的Rhigh表示18％到56％的范围内的值。
(公式5)Rhigh＝(ftrmax-f0)÷(fH-f0)×100
这样一来，能够针对较宽的电力范围实现高效率的恒压工作。另外，由于相同的理由，P＜P1中的ftr的最小值ftrmin的值优选设定为用以下的公式(6)定义的Rlow表示21％到45％的范围内的值。
(公式6)Rlow＝(f0-ftrmin)÷(f0-fL)×100
另外，该现象被限于以串联谐振电路和并联谐振电路这一非对称的谐振电路结构的组合构成收发天线的情况。即，在收发天线由串联谐振电路对或并联谐振电路对共同构成的情况下，不能显现本申请发明的效果。另外，在收发天线共同由外部电路利用电磁感应原理接收能量供电的电路构成(以下表述为电磁感应供电型)的情况下也不显现本申请发明的效果。而且，在串联谐振电路和电磁感应供电型、并联谐振电路和电磁感应供电型的混合型组合的谐振器对中也不显现本申请发明的效果。
P1的值能够设定为例如Pmax的60％到80％左右的电力值。不过，P1的值不局限于该范围内，根据情况，也可以不在上述范围内。
传输频率的可变控制能够通过控制振荡器103的振荡频率而容易地实现。
在电力传输中，送电天线和受电天线之间的耦合系数k优选维持为大致恒定。这是因为，如果在电力传输中耦合系数k有较大的变动，则很难以高效率实现恒压工作。
在振荡器103中，能够使用D级、E级和F级等的高效率并且能够实现低失真特性的放大器，也可以使用多尔蒂放大器。可以通过在产生包括失真成分的输出信号的开关元件的后级配置低通滤波器或带通滤波器而高效率地生成正弦波。也可以是从AC输入进行高频输出的频率转换电路。无论如何，输入到振荡器的电力被转换成RF能量。该RF能量通过无线传输部经由空间非接触地传输，并被从输出端子输出。
为了抑制电路块之间的RF能量的多重反射，改善综合传输效率，优选在受电天线109的输出端子与负载连接的状态下，使由振荡器103输出的RF能量的输出阻抗Zoc和送电天线107的输入阻抗Zin相等。另外，同样优选在振荡器103与送电天线107连接的状态下，受电天线的输出阻抗Zout与被连接的负载的电阻值R相等。
另外，在本说明书中，两个阻抗“相等”不局限于阻抗严格一致的情况，也包括两个阻抗之差为较大一方的阻抗的25％以下的情况。
本实施方式中的无线电力传输的效率取决于送电天线107与受电天线109的间隔(天线间隔)或构成送电天线107和受电天线109的电路元件的损耗的大小。另外，“天线间隔”是指实质上两个电感器107a和109a的间隔。天线间隔能够以天线的配置区域的大小为基准进行评价。
在优选的实施方式中，第一电感器107a以及第二电感器109a如图5的立体示意图所示，都是以扩展成平面状的方式形成的。电感器的外形形状能够任意选择。即，不仅能够选择正方形、圆形，还能选择长方形、椭圆形等。在此，天线的配置区域的大小是指尺寸相对小的天线的配置区域的大小，在构成天线的电感器的外形是圆形的情况下是电感器的直径，在正方形的情况下是电感器的一个边长，在长方形的情况下是电感器的短边的长度。
本实施方式中的第一电感器107a以及第二电感器109a分别具有匝数N1和N2的螺旋形结构(N1＞1，N2＞1)，也可以具有匝数为1的环形结构。这些电感器107a和109a无需由一层的导线分布图构成，而可以具有将层叠的多个导电体图案串联连接的构成。
第一电感器107a和第二电感器109a能够由具有良好的导电率的铜或银等导电体适当地形成。RF能量的高频电流集中在导电体表面流动，这提高了发电效率，因此，可以用高导电率材料覆盖导电体表面。如果在导电体的截面中央形成具有空洞结构的电感器107a和109a，则能够实现轻量化。而且，如果采用绞合线等的并联布线结构形成电感器107a和109a，则能够降低大约单位长度的导电体损耗，因此，能够提高串联谐振电路以及并联谐振电路的Q值，能够以更高的效率进行电力传输。
为了抑制制造成本，能够使用墨水印刷技术将布线一并形成。可以在第一电感器107a以及/或者第二电感器109a的周边配置磁性体。优选使用能够将电感器107a和109a之间的耦合系数设定为适当值的具有空心螺旋结构的电感器。
在第一和第二电容元件107b和109b中能够利用例如芯片状和引脚状的所有类型的电容器。隔着空气的两布线之间的电容能够作为第一和第二电容元件107b、109b发挥功能。在由MIM电容器构成第一和第二电容元件107b、109b的情况下，能够利用公知的半导体工艺或多层基板工艺形成低损耗的电容电路。
分别构成送电天线107以及受电天线109的谐振器的Q值要取决于系统所要求的天线之间的电力传输的传输效率以及耦合系数k的值，但优选设定为100以上，更优选为200以上，更优选为500以上，更优选为1000以上。为了实现高的Q值，如上所述，有效的方法是采用绞合线。
实施例
(实施例1)
以下，对本发明的实施例1进行说明。
送电天线以及受电天线是以它们的谐振频率都成为0.55MHz的方式设计的。送电天线是通过将电感为3.67μH的第一电感器和电容为4100pF的第一电容元件串联连接制成的。受电天线是通过将电感为3.67μH的第二电感器和电容为4100pF的第二电容元件并联连接而制成的。
第一以及第二电感器是由将每120根直径75μm的铜布线彼此绝缘地并联配置而构成的绞合线实现的。两个电感器的外形都是直径20cm的圆形，匝数设定为8。送电天线(谐振器)的无负载Q值为450。送电天线和受电天线是以彼此的形成面呈平行对置的方式配置的，电阻面之间的间隔g设为10cm。所制造的谐振器的谐振频率为544.6kHz，收发天线之间的耦合系数k为0.263，奇数模谐振频率为481.7kHz，偶数模谐振频率为632kHz。
将送电天线的RF输入端子和受电天线的RF输出端子与网络分析仪连接，测定了两个端子之间的高频传输特性。导出谐振器之间的无线传输效率最大的最合适的输入输出阻抗Zin和Zout。导出按照以下两个阶段进行。首先，用50Ω的端子阻抗的网络分析仪测定两个天线(谐振器)的输入输出端子之间的高频特性，获得了以50Ω作为基准阻抗的测定数据。接下来，基于上述测定数据，在电路模拟器上导出将在端子的信号反射最小化、传输电力最大化的输入输出端子的阻抗条件Zin、Zout和传输频率ftr。将导出的Zin、Zout和ftr作为最大电力Pmax传输时的传输条件Zin(P＝Pmax)、Zout(P＝Pmax)和ftr(P＝Pmax)来使用。
接下来，在增减传输电力的条件下，在电路模拟器上导出实现最大传输效率η(P)的峰值频率。如果增减传输电力，则要维持恒压工作条件，因此，Zin和Zout与增减的传输电力成反比。这样一来，能够根据传输电力获得最优化的峰值频率。通过使传输频率ftr(P)与该峰值频率一致，即使增减传输电力，也能够维持高的传输效率。
图6的图形表示的是所导出的η(P)对传输电力的依赖性。图形的纵轴为最大传输效率η，横轴为传输电力。图形横轴的100％的条件相当于P＝Pmax。为了进行比较，在图中也用虚线追加了将传输频率ftr固定为ftr(P＝Pmax)时的η(P)的情况。
在实施例1中，P1对于Pmax相当于74.5％。通过对图6的实线的弯曲和虚线的弯曲进行比较可知，本实施例的效果在P＜Pmax×60％的区域表现得特别显著。
图7的图形表示的是所导出的峰值频率(相当于ftr(P))对传输电力的依赖性。ftr(P)，当P＜P1时为fL(＝481.7kHz)＜ftr(P)＜f0(＝544.6kHz)。另外，当P≥P1时，为f0＜ftr(P)＜fH(＝632kHz)。在整个范围中，526.1kHz≤ftr(P)≤578.3kHz。
另外，从相对于来自奇数模谐振频率的固有频率的变动量的固有频率到ftr(P)最小值的变动量(Rlow＝(f0-ftrmin)÷(f0-fL)×100)为29.4％。另外，从相对于来自偶数模谐振频率的固有频率的变动量的ftr(P)的最大值到固有频率的变动量(Rhigh＝(ftrmax-f0)÷(fH-f0)×100)为38.6％。
接下来，如表1所示，对使收发天线之间的距离变动的系统进行评价(实施例2到6)。实施例2到6，虽然与实施方式1的基本构成共通，但耦合系数k不同。这是因为耦合系数k取决于收发天线之间的距离。
图8是针对实施例5表示无线部最大传输效率对传输电力的依赖性的图形。由图8可知，即使在实施例5的情况下，也能够在传输电力低的区域维持高的传输效率。
(表1)
由表1可知，在耦合系数k为0.056到0.403的较宽的范围内，能够获得与实施例1相同的效果。在耦合系数k的较宽的范围的谐振器耦合中，P1的范围是62％到78％。Rlow的范围是21.2％到42.4％，Rhigh的范围是18.8％到55.7％。
即使将送电侧天线和受电侧天线进行调换，将送电侧天线作为并联谐振电路，将受电侧天线作为串联谐振电路的情况下，也能够获得相同的特性。
(比较例1～2)
在实施例1中，将送电侧天线和受电侧天线的谐振电路构成设为非对称，但在比较例1和2中，收发天线的构成为对称的谐振电路。在比较例1中，将收发天线都设为串联谐振电路，在比较例2中，将收发天线都设为并联谐振电路。与实施例1至6进行同样的研究，导出恒压工作时的各传输电力的最大传输效率以及实现最大传输效率的峰值频率。从示出比较例1的传输效率对传输电力的依赖性的图9可以明确看出，在小电力传输区域中，比较例1的传输效率几乎没有改善。另外，由图10可以明确看出，随着电力传输区域越向小电力一侧，比较例1的峰值频率就越成为大大超过偶数模谐振频率632kHz的值，未按照本申请发明的频率控制条件。同样，从示出比较例2的传输效率和峰值频率对传输电力的依赖性的图11和图12可以明确看出，在比较例2中也没有显现出本发明的效果。
(比较例3)
在实施例1中，将测量用高频输入输出端子与收发天线直接连接，由此，由外部电路进行向收发天线的信号供电。在比较例3中，利用电磁感应原理进行由外部电路向收发天线的信号供电。具体而言，使用分别距离收发天线3mm的相对置的直径20cm、匝数6的非谐振线圈，从外部电路激振非谐振线圈，从非谐振线圈以非接触的方式激振收发天线。进行与实施例1至6相同的研究，导出恒压工作时的利用各传输电力的最大传输效率和实现最大传输效率的峰值频率。通过对示出比较例3和实施例1的传输效率对传输电力的依赖性的图13和图6进行比较可以清楚地看出，越向小电力传输区域，比较例3的所产生的最大传输效率的降低越严重，另外，在整个传输电力区域中，比较例3的最大传输效率低于实施例1的最大传输效率。例如，传输电力100％的设定下的最大传输效率在比较例3中为97.3％，相比之下，在实施例1中为99.0％。另外，由图14可知，比较例3的峰值频率随着传输电力的增大而单调增大，也未遵循本申请发明的频率控制条件。这证实了比较例3的构成只利用奇数模来对应了传输电力的变动，与最大限度地利用偶数奇数谐振模式的本申请发明的工作原理不同。
(比较例4、5)
在比较例4和5中，对收发天线的一方进行直接耦合型的供电，对另一方进行电磁感应供电。关于直接耦合型的供电，设为与实施例1～6相同的条件。另外，关于电磁感应供电，设为与比较例3相同的条件。表2示出实施例1和比较例1～5的电路构成比较。
关于比较例4和5，也进行与实施例1～6相同的研究，导出恒压工作时的利用各传输电力的最大传输效率和实现最大传输效率的峰值频率。由图15可知，比较例4的峰值频率显现出电力传输区域越向小电力一侧越上升的倾向，也未遵循本申请发明的频率控制条件。同样，通过示出比较例5的峰值频率对传输电力的依赖性的图16可知，比较例5也未遵循本发明的频率控制条件。
(表2)
产业上的可利用性
本申请发明的无线电力传输装置能够用于针对能从提供恒定电压的电源电路接收能量供给进行工作的AV设备家用电器等各种设备的供电系统。AV设备包括例如电视，家用电器包括例如洗衣机、冰箱以及空调。
另外，本发明的无线电力传输装置也能够作为针对使用充电电池的电子设备、电动摩托车、电动自行车以及电动汽车的充电系统使用。这是因为，作为针对锂离子电池等的充电电池的充电控制之一，有时需要以恒压进行充电控制。另外，对于带有以恒定电压驱动的电机的所有电子设备也能够使用本申请发明的系统。
另外可知，在太阳光发电系统中，在太阳光对太阳能电池的照射强度(发光强度)变化的情况下，最大电力点(用于发电最大电力的电流、电压值)的电流会与发光强度大致成比例，且电压大致成为恒定。因此，本申请发明的无线电力传输装置也能够用于将太阳能发电装置发电的电力进行集电的系统中。
附图标记的说明
103振荡器
107送电天线(送电侧的谐振器)
107a第一电感器
107b第一电容器
109受电天线(受电侧的谐振器)
109a第二电感器
109b第二电容器
111负载
161频率转换电路

Claims (13)

1.一种无线电力传输装置，具有：一对天线以及控制部，
上述一对天线能够通过频率f0的谐振磁场耦合以非接触的方式传输电力，一个天线为串联谐振电路，另一个天线为并联谐振电路，
上述控制部根据在上述一对天线之间传输的电力的大小来控制传输频率，
当上述电力高于基准值P1时，上述控制部将上述传输频率设定为比上述频率f0高的第一量级范围内的值；
当上述电力低于上述基准值P1时，上述控制部将上述传输频率设定为比上述第一量级范围低的第二量级范围内的值。
2.根据权利要求1所述的无线电力传输装置，其中，
当上述电力从高于上述基准值P1的值变化成低于上述基准值P1的值时，或者当上述电力从低于上述基准值P1的值变化成高于上述基准值P1的值时，上述控制部使上述传输频率在上述第一量级范围内的值和上述第二量级范围内的值之间跳变。
3.根据权利要求2所述的无线电力传输装置，其中，
上述控制部在使上述传输频率跳变时，使在上述一对天线之间进行耦合的谐振磁场的模式在偶数模和奇数模之间切换。
4.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
当上述传输电力在上述基准值P1和低于上述基准值P1的第二基准值P2之间时，上述控制部将上述传输频率设定为低于上述频率f0的频率f2以下的值，当上述传输电力低于上述第二基准值P2时，上述控制部将上述传输频率设定为比上述频率f2高的值。
5.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
上述第一量级范围是从上述频率f0到偶数模的谐振频率fH为止的范围，上述第二量级范围是从奇数模的谐振频率fL到上述频率f0为止的范围。
6.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
当上述传输电力与上述基准值P1相等时，上述控制部将上述传输频率设定为与上述频率f0相等的值。
7.根据权利要求1至3的任意一项所述的无线电力传输装置，其中，
上述一对天线的谐振频率分别与上述频率f0相等。
8.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
上述一对天线的耦合系数k在电力传输中被维持为恒定。
9.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
上述基准值P1被设定为最大传输电力Pmax的60％以上且80％以下的范围内。
10.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
当将上述传输频率的最大值设为ftrmax，将偶数模的谐振频率设为fH时，上述控制部在上述电力高于基准值P1的情况下，将上述传输频率的最大值ftrmax设定为：由公式Rhigh＝(ftrmax-f0)÷(fH-f0)×100定义的Rhigh在18％到56％的范围内。
11.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
当将上述传输频率的最小值设为ftrmin，将奇数模的谐振频率设为fL时，上述控制部在上述电力低于基准值P1的情况下，将上述传输频率的最小值ftrmin设定为：由公式Rlow＝(f0-ftrmin)÷(f0-fL)×100定义的Rlow在21％到45％的范围内。
12.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
在上述一对天线中的受电侧的天线的输出端子与后级的负载连接的状态下，向送电侧的天线提供RF能量的振荡器的输出阻抗Zoc与送电天线的输入阻抗Zin彼此相等。
13.根据权利要求1至3的任一项所述的无线电力传输装置，其中，
在向上述一对天线中的送电侧的天线提供RF能量的振荡器的输出端子与上述送电侧的天线的输入端子连接的状态下，受电侧的天线的输出阻抗Zout与在后级被连接的负载的输入阻抗彼此相等。
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