CN103208864A

CN103208864A - 功率接收装置、功率传输装置以及控制装置

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Publication number: CN103208864A
Application number: CN2013100093923A
Authority: CN
Inventors: 鬼冢浩平; 大高章二; 石原宽明; 杜冢芙美
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2013-01-10
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2033-01-10
Also published as: US9343225B2; EP2615713A3; JP2013146141A; JP5696058B2; US20130181537A1; CN103208864B; EP2615713A2

Abstract

本发明涉及功率接收装置、功率传输装置以及控制装置。提供了一种可与根据来自功率传输装置的AC功率操作的第一负载电路连接的功率接收装置，其中所述功率接收器通过磁耦合从所述功率传输装置接收所述AC功率，所述阻抗调节器能够转换在所述功率接收器处接收的所述AC功率的电压和电流中的至少一个，所述控制器控制所述功率传输装置的输出电压的增加，当所述第一负载电路连接到所述功率接收装置时，所述AC功率通过所述阻抗调节器提供给所述第一负载电路，以及所述控制器控制所述阻抗调节器以便在其中所述功率传输装置的所述输出电压被增加的时长的至少一部分的期间所述阻抗调节器的输入阻抗低于所述第一负载电路的输入阻抗。

Description

功率接收装置、功率传输装置以及控制装置

技术领域

这里描述的实施例涉及功率传输。

背景技术

包括功率传输装置和从功率传输装置接收功率的功率接收装置的无线功率传输设备已公知。无线功率传输设备存在的问题在于，负载变化等等产生过度突入电流，导致功率接收侧上诸如晶体管的有源器件的损坏。常规地，为了解决此问题，采取了通过短路在功率接收侧上的电路以隔离共振电路来防止突入电流的方法。

常规方法对于保护在功率接收侧的元件是有效的。然而，存在这样的可能性，在负载阻抗高（轻负载）的状态中的功率传输电压的逐渐增加会在功率传输侧上的装置中产生过量的电流。这导致在功率传输侧上的元件损坏。另外，要求使用能够容忍比实际功率传输状态中的电流值更高的电流值的器件作为功率传输装置。这导致装置成本的增加。

发明内容

根据一些实施例，提供了一种可与根据来自功率传输装置的AC功率操作的第一负载电路连接的功率接收装置，包括：功率接收器，阻抗调节器和控制器。

所述功率接收器通过磁耦合从所述功率传输装置接收所述AC功率。

所述阻抗调节器能够转换在所述功率接收器处接收的所述AC功率的电压和电流中的至少一个。

所述控制器控制所述功率传输装置的输出电压的增加，

当所述第一负载电路连接到所述功率接收装置时，所述AC功率通过所述阻抗调节器提供给所述第一负载电路。

所述控制器控制所述阻抗调节器以便在其中所述功率传输装置的所述输出电压被增加的时长的至少一部分的期间所述阻抗调节器的输入阻抗低于所述第一负载电路的输入阻抗。

附图说明

图1示出了根据第一实施例的无线功率传输设备；

图2示出了图1中的无线功率传输设备中的功率传输装置和功率接收装置；

图3示出了根据第二实施例的无线功率传输设备；

图4示出了根据第三实施例的阻抗调节器的配置实例；

图5示出了根据第四实施例的阻抗调节器的配置实例；

图6示出了电压增加速率和阻抗增加速率之间的关系；

图7示出了根据第六实施例的无线功率传输设备；以及

图8示出了根据第七实施例的阻抗调节器的配置实例。

具体实施方式

下文中，参考附图详细描述实施例。

[第一实施例]

图1（a）示出了根据第一实施例的无线功率传输设备的框图。

此无线功率传输设备包括：产生所述AC功率的AC功率产生器11；包括至少两个电感元件和至少一个电容元件的非接触功率输送器12；阻抗调节器（阻抗调节电路）13，转换输入电压和输出电压之间的关系或者输入电流和输出电流之间的关系或者这两者用于进行阻抗转换；控制器15控制AC功率产生器11和阻抗调节器13；以及消耗接收的功率的负载电路14。

实际上，如图2所示，此无线功率传输设备包括两个装置，功率传输装置21和功率接收装置22。图1示出的功率输送器12包括在功率传输装置21侧的功率传输器16以及在功率接收装置22侧的功率接收器17。

功率传输装置21包括AC功率产生器11和功率传输器16。功率接收装置22包括功率接收器17、阻抗调节器13、负载电路14和控制器15。替代包括在功率接收装置22中，负载电路14可以独立装置，并可以包括在其它装置中。

控制器15控制阻抗调节器13和AC功率产生器11。从控制器15输出的控制信号被使用无线通信单元或者有线通信单元传输到在相对侧上的功率传输装置21。控制器15可以包括在功率传输装置21中而不是功率接收装置22中。控制器15可以与功率接收装置22和功率传输装置21分离，并且作为控制装置独立存在。替代地，控制器15可以以分布的方式包括在功率传输装置和功率接收装置两者中。在此情况中，使用无线通信单元或者有线通信单元在分布配置的控制器15之间传送信号。同样，控制装置可以作为分布方式的多个装置存在。

图1（b）示出了使用逆变器电路实现AC功率产生器11的情况的实施例。

上部和下部开关21和22互补操作从而在输出端子产生AC电压和电流（AC功率）。产生的功率输入到非接触功率输送器12，更具体地，传输到功率传输器16。

图1（c）是非接触功率输送器12的实施例。

非接触功率输送器12包括两个LC共振器。在功率传输侧的LC共振器包括相互串联的电容元件31和电感元件32。在功率接收侧的LC共振器包括相互串联的电感元件42和电容元件41。在功率传输侧的LC共振器对应于图2中的功率传输器16。在功率接收侧的LC共振器对应于图2中的功率接收器17。

在图1（c）的配置中，通过利用互相相对的电感元件32和42之间的磁耦合，分别与电感元件32和42串联的电容元件31和41与两个电感元件32和42在功率传输频率附近一起共振，其实现了从功率传输装置21到功率接收装置22的高效无线功率传输。

在电感元件32和42之间的耦合系数“k”是根据电感元件的尺寸和传输距离的为一或更少的任意值。在此实例中，在功率传输侧和功率接收侧两者上提供电容元件。替代地，可以采纳例如，在功率接收侧提供电容元件31而在功率传输侧没有提供电容元件41的配置。

在图1中的负载电路14可以是具有能量存储功能的二次电池或者不具有能量存储功能的装置。

这里，负载电路14的输入阻抗，其为输入电压除以输入电流，标记为“ZL”。类似地，阻抗调节器13的输入阻抗标记为“Z2”。功率输送器12的输入阻抗标记为“Z1”。

在本实施例中，当增加功率传输电压“Vs”用于激活AC功率产生器11或者增加传输功率时，在AC功率产生器11中产生由功率传输电压“Vs”除以阻抗“Z1”得到的电流。

在阻抗调节器13的状态固定的情况中，在共振频率附近，“ZL”值越高，阻抗“Z1”的值变得越低。因此，在提供的电压没有达到操作电压并且负载电路14没有消耗电流或在轻负载下消耗的电流低的情况中，阻抗“ZL”变得无穷大或者大的值但是阻抗“Z1”变成低值。这在AC功率产生器11处产生过电流并且损坏开关元件等等（电流路径直到图1（c）的功率传输侧并且电流没有到达功率接收侧）。为了解决此问题，例如，具有高承受电流值的开关元件的使用增加了用于执行AC功率产生器的成本。

因此，在本实施例中，在功率输送器12和负载电路14之间提供阻抗调节器13。另外，提供了用于控制阻抗调节器13和AC功率产生器11的控制器15。通过控制器15控制阻抗调节器13仅要求至少一个触发器用于引起阻抗调节器13开始调节阻抗（减少阻抗）。另外，该控制可以包括关于阻抗调节的速度、调节的时长和暂时停止的处理。通过控制器15控制AC功率产生器11仅要求至少一个触发器用于开始增加AC功率产生器11（功率传输装置）的输出电压。另外，该控制可以包括对输出电压的增加速度、增加时长以及暂时停止的处理。阻抗调节器13可以转换通过功率接收器17接收的AC功率的电压和电流中的至少一个。

在负载电路14连接到功率接收装置以允许AC功率通过阻抗调节器13提供给负载电路的情况下，控制器15控制AC功率产生器11以便功率传输电压“Vs”逐渐增加以达到目标值（负载电路的操作电压），并且进一步控制阻抗调节器13以便在此期间满足“Z2<ZL”。更具体地，当满足“Z2<ZL”时，此控制器适当增加“Z2”并且当功率传输电压“Vs”达到目标值时最终实现“Z2=ZL”。该状态在最终状态处不必变为“Z2=ZL”。其中的一个可以更高。根据这样的控制，甚至在功率传输电压“Vs”达到目标值之前，电流不仅在功率传输侧而且在功率接收侧流动，并由此防止在AC功率产生器11处的过电流。注意，如果功率传输电压“Vs”增加而“Z2”仍在恒定的低值，电流不流向功率传输装置并且功率不到达功率接收侧。为了解决这一点，阻抗“Z2”被逐渐增加。

这里，控制器15可以从例如，阻抗调节器13和负载电路14的输入电压和输入电流中的任意一个或者两个计算“Z2”和“ZL”的值。这允许在满足“Z2<ZL”时合适地增加“Z2”。替代地，功率传输装置的功率传输电压的增加模式（pattern）（增加速率）和第一目标值“Vs”可以预先固定，阻抗调节器13的“Z2”的增加模式（增加速率）和第二目标值可以预先固定，以及控制器15可以基于其控制AC功率产生器11和阻抗调节器13。

注意，在功率传输电压“Vs”到达目标值（即，负载电路14的操作电压）的情况下，电流流到负载电路14中，并且负载电路14变为重负载状态（输入阻抗变低）。

如上所述，随着功率传输电压“Vs”增加，阻抗“Z1”增加。该增加防止在AC功率产生器11处出现过电流。

在本实施例中，除了在阻抗调节器13中消耗的功率之外，整个接收的功率都输入到负载电路14中。

上面的说明描述了逐渐增加功率传输电压的情况。然而，即使在负载电路的功率突然切断的情况中，本实施例仍有效。在切断功率的情况中，负载电路14的输入瞬时变为高阻抗。因此，当控制器15检测出功率切断时，此控制器控制阻抗调节器13以便阻抗调节器13的输入阻抗“Z2”变为低于“ZL”。此控制可以解决当功率源切断时过电流流经AC功率产生器11以损坏元件的问题。

如上所述，根据本实施例，即使在其中负载电路的阻抗高于实际功率传输状态下的阻抗的状态下功率传输装置被激活时，过电流也不会在功率传输侧的元件中出现。因此，即使在使用具有低承受电流值和低承受电压值的元件的情况下，也能防止当功率传输装置被激活时元件被损坏。即，功率传输装置的电流容量可以设计为是小的。

[第二实施例]

图3示出了根据第二实施例的无线功率传输设备的框图。

在本实施例中，至少两个负载电路（负载电路1和2）连接到阻抗调节器13。阻抗调节器13起设定到负载电路1和2的电路径的作用。

假设，负载电路1的输入阻抗通过“ZL1”标记并且负载电路2的输入阻抗通过“ZL2”标记。例如，在阻抗“ZL1”是明显高的值或者处于开路状态的情况中，阻抗调节器13设定电路径以便电流流入具有相对低的输入阻抗“ZL2”的负载电路2。由此，保持关系“Z2=（ZL1×ZL2）/（ZL1+ZL2）≈ZL2”，并且阻抗“Z1”具有高值。作为结果，即使功率传输电压“Vs”根据AC功率产生器11的激励或者传输功率增加而增加，也能防止在AC功率产生器11处产生过电流。

因此，直到操作负载电路1操作为止，合上负载电路2的开关允许直至功率传输电压上升的功率到被负载电路2有效使用。即，在阻抗调整时出现的剩余功率可以被有效使用。任何具有低电压的蓄电池和在低功率下操作的装置可以用作负载电路2。替代地，负载电路2可以是用于消耗功率的电阻器。

[第三实施例]

图4（a）示出了根据第三实施例的无线功率传输设备的整体配置示意图。图4（b）示出了阻抗调节器13的电路图。在图4（a）中的无线功率传输设备与图1（a）中的相同。

在本实施例中，阻抗调节器13具有电压升压功能和整流功能二者。

在阻抗调节器13中的两个开关SW1和SW2不同时导通。将切换频率设定到等于或者高于AC功率产生器11的输出电压和电流的频率的值。

在此配置中，在开关SW1导通的时长期间，电流能储存在输入单元的电感元件53中。如果开关SW1断开，在电感元件53的两端出现高电压。此电压被添加到输入信号，从而获得升压效果（高DC）。即，阻抗被转换。

开关SW1和SW2和两个二极管51和52配置全波整流器从而实现整流功能。

控制器15调整开关SW1和SW2的占空比（调整占空比率）从而改变升压水平。例如，在“ZL”值高的情况下，此控制器控制升压以便“Z2”的值减小。为了获得高升压电压（阻抗调节电路的低输入阻抗），SW1的“开（on）”周期被缩短并且SW2的“开”周期被延长。在降低升压水平（增加阻抗调节电路的输入阻抗）的情况下，周期被相反方向改变。升压水平的逐渐降低允许阻抗Z2逐渐增加。

[第四实施例]

图5（a）示出了根据第四实施例的无线功率传输设备的整体配置示意图。图5（b）示出了阻抗调节器13的电路图。在图5（a）中的无线功率传输设备与图1（a）中的相同。

在本实施例中，阻抗调节器13包括全波整流电路71和开关电容器升压电路72。

“φ1”和“φ2”表示各开关的控制信号的相位。在本实施例中，正常状态（没有升压）中，控制器15控制阻抗调节器13以便具有“φ1”的开关固定为“开”并且具有“φ2”的开关固定为“关（off）”。此时，电容元件C1和C2变为并联电路并且用作平滑电容器。假设在全波整流电路中的二极管元件61、62、63和64具有理想特征，阻抗调节器13的输入阻抗Z2可以通过理论方程“Z2=（π²/8）·ZL”表示。

然而，在随着功率传输电压“Vs”增加，要求阻抗Z2降低的情况中，控制器15控制阻抗调节器13以便具有“φ1”和“φ2”的开关执行互补切换操作。此时，如果具有“φ1”的开关是“开”，电容元件C1和C2被充电；如果具有“φ2”的是“开”，获得了通过电容元件C1和C2的串联得到的升压。作为结果，阻抗Z2下降为低于通过理论方程计算的结果。此下降可以防止在AC功率产生器11处出现过电流。切换信号的频率和占空可以具有任意值。为了增加升压的量，可以发布电容改变指令以合上开关，从而将电容元件C2’并联到电容元件C2，如附图所示。

如上所述，根据本实施例，具有低损耗的切换转换器（切换电容器升压器电路），被用于阻抗转换，从而允许增加整个传输设备的功率效率。

[第五实施例]

图6（a）示出了根据第五实施例的无线功率传输设备的整体配置示意图。图6（b）示出了控制器15的控制指令值的时间波形。在图6（a）中的无线功率传输设备与图1（a）中的相同。

在本实施例中，控制器15输出指令值以便，在增加功率传输电压“Vs”期间，阻抗“Z2”的改变速率低于功率传输电压“Vs”的改变速率。

例如，假设“t1”是功率传输电压“Vs”达到最终值（第一目标值）的80%时的时间，并且“t2”是阻抗“Z2”达到最终值（第二目标值）的80%时的时间。此时，设定“t1<t2”。每个单调增加可以防止AC功率产生器11的电流值显著增加而引起过电流，即使在功率传输电压“Vs”增加期间阻抗“ZL”改变或者耦合系数“k”改变。

如上所述，根据本实施例，功率输送器12的输入阻抗的下降与AC功率产生器11的电压的增加相比基本上变得较慢。因此，即使在传输条件改变的情况中，例如突变负载变化和传输距离改变，在电压增加期间，可以充分防止过电流。

[第六实施例]

图7是根据第六实施例的无线功率传输设备的框图。作为图1（a）中的负载电路14，设置二次电池19。无线功率传输设备用于给二次电池充电。

当电池被充电时，在来自无线功率传输设备的输出电压低于二次电池的电压值的状态下电流路径被阻塞以防止反向电流。阻抗“ZL”变得明显的高。在此状态，AC电压“Vs”的增加引起AC功率产生器11处的过电流。

因此，根据本实施例，在直到阻抗调节器13的输出电压变得高于二次电池19的电压为止的时长中，控制器15执行控制以便阻抗调节器13的阻抗“Z2”充分较低。此控制可以防止AC功率产生器11中的故障。

用于控制电池的充电电流和电压的调节器可以在二次电池块或者在阻抗调节器13中实施。

如上所述，根据本实施例，甚至在二次电池19的电压值高并且除非功率输送器12的输出电压充分增加否则负载电流不流动的情况下，可以防止过电流在AC功率产生器11处出现。

[第七实施例]

图8是根据第七实施例的无线功率传输设备中的阻抗调节器的框图。

在图4和5中示出的阻抗调节器具有整流和升压配置。本实施例描述了另一实例。

如图8所示，在此实例中，使用在交流部件处的线圈81和电容元件82调节阻抗并且随后由电路83执行整流。因此，从功率传输器看负载电路的阻抗变得等价较低。在阻抗转换期间，开关SW1合上并且开关SW2断开。在正常状态下，开关SW1断开并且开关SW2合上.

在此实例中，线圈的数目和电容元件的数目仅为一。因此，阻抗“Z2”不能逐渐变化。然而，包括多个线圈、电容元件和开关的组合的电路能够逐渐改变阻抗“Z2”。

虽然描述了确定的实施例，但是这些实施例仅作为实例出现，并且没有旨在限制本发明的范围。实际上，这里描述的新实施例可以修改为任意其它形式；另外，可以在不脱离本发明的精神的下，进行在这里描述的实施例的形式上的不同的省略、替代和改变。当落入本发明的范围和精神中时，所附权利要求及其等价物旨在覆盖这样的形式或者修改。

Claims

1.一种可与根据来自功率传输装置的AC功率操作的第一负载电路连接的功率接收装置，包括：

功率接收器，通过磁耦合从所述功率传输装置接收所述AC功率；

阻抗调节器，能够转换在所述功率接收器处接收的所述AC功率的电压和电流中的至少一个；以及

控制器，控制所述功率传输装置的输出电压的增加，

其中当所述第一负载电路被连接到所述功率接收装置时，所述AC功率通过所述阻抗调节器提供到所述第一负载电路，以及

2.根据权利要求1的功率接收装置，所述功率接收装置可与根据从所述功率传输装置接收的所述AC功率操作的第二负载电路连接，所述功率接收装置还包括：

开关，切换在所述阻抗调节器和所述第二负载电路之间的连接，

其中在其中所述AC功率产生器的所述输出电压被增加的时长的至少一部分的期间所述控制器合上所述开关。

3.根据权利要求1的功率接收装置，

其中所述阻抗调节器包括切换转换器，所述切换转换器包括多个开关和多个电容元件，以及

所述控制器通过控制所述开关的切换的占空比和所述电容元件的充电和放电来调节所述阻抗调节器的所述输入阻抗。

4.根据权利要求1的功率接收装置，

其中所述控制器朝向第一目标值增加所述阻抗调节器的所述输入阻抗并且朝向第二目标值增加所述功率传输装置的所述输出电压，以及

与所述第一目标值相关的所述输入阻抗的增加速率低于与所述第二目标值相关的所述功率传输装置的所述输出电压的增加速率。

5.根据权利要求1的功率接收装置，

其中所述功率接收装置还包括所述第一负载电路，以及

所述第一负载电路是二次电池。

6.一种向可连接到负载电路的功率接收装置传输功率的功率传输装置，所述功率接收装置包括接收AC功率的功率接收器和将在所述功率接收器处接收的所述AC功率传输到所述负载电路的阻抗调节器，所述负载电路根据通过所述阻抗调节器接收的所述AC功率操作，包括：

AC功率产生器，产生所述AC功率；

功率传输器，通过与所述功率接收器的磁耦合向所述功率接收装置传输所述AC功率；以及

控制器，控制所述AC功率产生器的输出电压的增加，

其中所述控制器控制所述阻抗调节器以便在其中所述AC功率产生器的所述输出电压被增加的时长的至少一部分的期间所述阻抗调节器的输入阻抗低于所述负载电路的输入阻抗。

7.根据权利要求6的功率传输装置，

其中所述控制器朝向第一目标值增加所述阻抗调节器的所述输入阻抗并且朝向第二目标值增加所述AC功率产生器的所述输出电压，并且与所述第一目标值相关的所述输入阻抗的增加速率低于与所述第二目标值相关的所述AC功率产生器的所述输出电压的增加速率。

8.一种控制功率传输装置和功率接收装置的控制装置，所述功率接收装置能够通过所述功率接收装置中的阻抗调节器向负载电路提供来自所述功率传输装置的AC功率，

其中所述控制装置控制所述功率传输装置的输出电压的增加，以及控制所述阻抗调节器以便在其中所述功率传输装置的所述输出电压被增加的时长的至少一部分的期间所述阻抗调节器的输入阻抗低于所述负载电路的输入阻抗。