CN103250325B - 非接触供电设备 - Google Patents

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Abstract

电源装置（110）产生具有规定频率的电力。输电单元（130、140、150）从电源装置接受电力，经由电磁场与受电单元（210、220、230）产生共振从而以非接触的方式向受电单元输电。电力传感器（115）检测向电源装置的反射电力。放出用线圈单元（180、185）将从电源装置输出的电力向外部放出。继电器（190）在反射电力的检测值超过预先决定的值时，将放出用线圈单元电连接在电源装置与输电单元之间。

Description

非接触供电设备
技术领域
本发明涉及非接触供电设备，尤其是涉及通过输电单元与受电单元经由电磁场产生共振来以非接触的方式进行供电的非接触供电设备。
背景技术
作为考虑了环境的车辆，电力车、混合动力车等的电动车辆引起瞩目。这些车辆搭载有产生行驶驱动力的电动机和蓄积向该电动机供给的电力的可再充电的蓄电装置。需要说明的是，混合动力车是与电动机一起进而搭载有内燃机作为动力源的汽车、与蓄电装置一起进而搭载有燃料电池作为车辆驱动用的直流电源的汽车等。
已知有，在混合动力车中，也与电力车同样地能够从车辆外部的电源对车载的蓄电装置进行充电的车辆。例如，已知有利用充电电缆将设置于房屋的电源插口与设置于车辆的充电口连接，从而能够从一般家庭的电源对蓄电装置进行充电的所谓“插座式混合动力车”。
另一方面，作为输电方法，未使用电源软钱、输电电缆的无线输电近年来引起注目。作为该无线输电技术，作为有力的技术，已知有使用了电磁感应的输电、使用了微波的输电、及基于共振法的输电这三种技术。
其中，共振法是使一对共振器（例如一对线圈）在电磁场（接近场）中共振并经由电磁场进行输电的非接触的输电技术，还能够将几kW的大电力进行比较长距离（例如几m）输电（例如，参照国际公开第2007/008646号小册子（专利文献1））。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：国际公开第2007/008646号小册子
专利文献2：日本特开2010-68634号公报
专利文献3：日本特开2010-70048号公报
专利文献4：日本特开2010-154625号公报
发明内容
在向电动车辆等移动体的供电中使用基于共振法的输电的情况下，由于移动体移动而供电设备的共振线圈与搭载于移动体的共振线圈之间的距离发生变化时，共振系统的阻抗会发生变化。并且，当共振系统的阻抗与电源装置的输出阻抗发生不匹配时，输电效率下降且向电源装置的反射电力增大。在反射电力急增时，由于反射电力而电源装置可能会损伤。
因此，本发明为了解决上述问题而作出，其目的是在通过输电单元与受电单元经由电磁场产生共振来以非接触的方式向受电装置供电的非接触供电设备中，防止反射电力的急增引起的电源装置的损伤。
根据本发明，非接触供电设备是以非接触的方式向包括受电单元的受电装置供电的非接触供电设备，其具备电源装置、输电单元、检测装置、放出用线圈、连接装置。电源装置产生具有规定频率的电力。输电单元从电源装置接受电力并通过经由电磁场与受电单元产生共振来以非接触的方式向受电单元输电。检测装置检测向电源装置的反射电力。放出用线圈将从电源装置输出的电力向外部放出。连接装置在反射电力的检测值超过预先决定的值时，在电源装置与输电单元之间电连接放出用线圈。
优选的是，非接触供电设备还具备电磁屏蔽材料。电磁屏蔽材料设置在放出用线圈的周围，且为了能够从放出用线圈向外部放出电力而仅一方向开口。放出用线圈及电磁屏蔽材料设置于地下。电磁屏蔽材料以开口部朝向地下的方式设置。
优选的是，非接触供电设备还具备阻抗可变装置。阻抗可变装置设置在电源装置与输电单元之间，且用于调整由输电单元及受电单元构成的共振系统的输入阻抗。在反射电力的检测值超过预先决定的值时，连接装置将放出用线圈电连接在阻抗可变装置与输电单元之间。
更优选的是，非接触供电设备还具备控制装置。控制装置在反射电力的检测值超过了预先决定的值时使连接装置动作，并将阻抗可变装置的阻抗变更为规定值。
更优选的是，规定值是以使放出用线圈与所述放出用线圈的周围空间的阻抗匹配的方式预先设定的值。
优选的是，输电单元包括一次线圈和一次自共振线圈。一次线圈从电源装置接受电力。一次自共振线圈从一次线圈利用电磁感应接受电力并产生电磁场。受电单元包括二次自共振线圈和二次线圈。二次自共振线圈通过经由电磁场而与一次自共振线圈产生共振来从一次自共振线圈接受电力。二次线圈通过电磁感应将由二次自共振线圈接受到的电力取出并输出。
优选的是，受电装置搭载于车辆。
发明效果
在本发明中，当反射电力的检测值超过预先决定的值时，将放出用线圈电连接在电源装置与输电单元之间，从电源装置输出的电力由放出用线圈向外部放出。因此，根据本发明，能够防止反射电力的急增造成的电源装置的损伤。
附图说明
图1是本发明的实施方式的非接触供电系统的整体结构图。
图2是表示了图1所示的阻抗匹配器的电路结构的一例的电路图。
图3是用于说明基于共振法的输电的原理的图。
图4是用于说明供电设备中的输电单元及放出用线圈单元的配置结构的图。
图5是表示在图1所示的供电设备中检测超过阈值的反射电力时的ECU的处理的流程图。
图6是表示在实施方式的变形例的供电设备中检测超过阈值的反射电力时的ECU的处理的流程图。
图7是取代放出用线圈单元而设有放电电阻的非接触供电系统的整体结构图。
具体实施方式
以下，关于本发明的实施方式，参照附图进行详细说明。需要说明的是，对于图中同一或相当部分，标注同一标号，不重复其说明。
图1是本发明的实施方式的非接触供电系统的整体结构图。参照图1，该非接触供电系统具备供电设备100和车辆200。
供电设备100包括电源装置110、电力传感器115、阻抗匹配器120、一次线圈130、一次自共振线圈140、电容器150、电子控制单元（以下称为“ECU”）160、及通信装置170。而且，供电设备100还包括线圈180、放出用自共振线圈185、及继电器190。
电源装置110产生具有规定频率的电力。作为一例，电源装置110从未图示的系统电源接受电力，产生具有1MHz~十几MHz的规定频率的电力。电源装置110按照从ECU160接受的指令，控制电力的产生及停止以及输出电力。
电力传感器115检测电源装置110的反射电力，并将该检测值向ECU160输出。需要说明的是，反射电力是从电源装置110输出的电力发生反射而向电源装置110返回的电力。需要说明的是，在该电力传感器115中可以使用能够检测电源装置中的反射电力的各种公知的传感器。
阻抗匹配器120设置在电源装置110与一次线圈130之间且能够变更内部的阻抗。阻抗匹配器120按照从ECU160接受的指令而变更阻抗，由此使包括一次线圈130、一次自共振线圈140及电容器150、以及车辆200的二次自共振线圈210、电容器220及二次线圈230（后述）在内的共振系统的输入阻抗与电源装置110的输出阻抗匹配。
图2是表示了图1所示的阻抗匹配器120的电路结构的一例的电路图。参照图2，阻抗匹配器120包括可变电容器122、124、线圈126。可变电容器122与电源装置110（图1）并联连接。可变电容器124与一次线圈130（图1）并联连接。线圈126在设置于电源装置110与一次线圈130之间的电力线对的一方连接在可变电容器122、124的连接节点间。
在该阻抗匹配器120中，按照从ECU160（图1）接受的指令，变更可变电容器122、124中的至少一方的电容，由此使阻抗变化。由此，阻抗匹配器120按照从ECU160接受的指令，使共振系统的输入阻抗与电源装置110的输出阻抗匹配。
需要说明的是，虽然并未特别图示，但也可以利用可变线圈来构成线圈126，并通过变更可变线圈的电感而能够变更阻抗。
再次参照图1，一次线圈130与一次自共振线圈140隔开规定的间隔而设置在与一次自共振线圈140大致同轴上。一次线圈130通过电磁感应而与一次自共振线圈140进行磁耦合，并将从电源装置110供给的高频电力通过电磁感应向一次自共振线圈140供给。
一次自共振线圈140通过电磁感应从一次线圈130接受电力，经由电磁场与搭载于车辆200的二次自共振线圈210（后述）产生共振，由此向二次自共振线圈210输电。需要说明的是，在一次自共振线圈140设有电容器150。电容器150例如连接在一次自共振线圈140的两端部间。并且，以Q值（例如，Q>100）及耦合度κ等增大的方式适当设计一次自共振线圈140的线圈直径及匝数以及电容器150的电容。
需要说明的是，一次线圈130为了容易地进行从电源装置110向一次自共振线圈140的供电而设置，可以不设置一次线圈130而在一次自共振线圈140上直接连接电源装置110。而且，也可以形成为利用一次自共振线圈140的浮游电容而不设置电容器150的结构。
线圈180构成为可由继电器190而与阻抗匹配器120和一次线圈130之间的电路电连接。线圈180与放出用自共振线圈185隔开规定的间隔而设置在与放出用自共振线圈185大致同轴上。并且，当继电器190被接通时，线圈180从阻抗匹配器120与一次线圈130之间的电路接受电力而通过电磁感应与放出用自共振线圈185磁耦合，并将该接受到的电力通过电磁感应向放出用自共振线圈185供给。
放出用自共振线圈185是用于将增大了的反射电力向外部放出的线圈。放出用自共振线圈185以周围的空间与阻抗匹配的方式适当设计线圈直径、匝数及电容器电容，当通过电磁感应从线圈180接受电力时，将该接受到的电力向周围放出。
需要说明的是，线圈180也是为了使向放出用自共振线圈185的供电容易而设置的线圈，也可以不设置线圈180，而在阻抗匹配器120与一次线圈130之间的电路上经由继电器190而连接放出用自共振线圈185。而且，还可以利用放出用自共振线圈185的浮游电容，而在放出用自共振线圈185上不设置电容器。
继电器190设置于如下电路上，即该电路用于将线圈180电连接在阻抗匹配器120与一次线圈130之间的电路上，由ECU160进行接通/切断。
ECU160在从供电设备100向车辆200供电时，从电力传感器115接受反射电力的检测值，从通信装置170接受由通信装置170接收到的车辆200侧的受电状况（受电电压、受电电流等）。而且，ECU160还从通信装置170接受与搭载于车辆200的蓄电装置280（后述）的充电状态（以下称为“SOC（State Of Charge）”）相关的信息、供电开始/结束指令等。
并且，ECU160通过利用CPU（Central Processing Unit）执行预先存储的程序的软件处理及/或专用的电子电路的硬件处理，来执行规定的处理。
具体而言，ECU160控制电源装置110的动作。而且，ECU160以使共振系统的输入阻抗与电源装置110的输出阻抗匹配的方式调整阻抗匹配器120的阻抗。
另外，ECU160在从供电设备100向车辆200的供电中，当反射电力的检测值超过预先设定的值时，使继电器190接通。由此，在阻抗匹配器120与一次线圈130之间的电路上电连接线圈180。如此，反射电力的一部分向线圈180供给，从放出用自共振线圈185向外部放出电力。需要说明的是，关于由放出用自共振线圈185进行的电力放出处理，在后面详细说明。
通信装置170是用于与车辆200进行通信的通信接口。通信装置170从车辆200接收车辆200的受电状况、蓄电装置280的SOC等的信息而向ECU160输出。
另一方面，车辆200包括二次自共振线圈210、电容器220、二次线圈230、整流器260、充电器270、蓄电装置280、动力输出装置285、ECU290、及通信装置300。
二次自共振线圈210经由电磁场与供电设备100的一次自共振线圈140产生共振，由此从一次自共振线圈140接受电力。需要说明的是，在二次自共振线圈210设有电容器220。电容器220例如连接在二次自共振线圈210的两端部间。并且，以Q值（例如，Q>100）及耦合度κ等增大的方式适当设计二次自共振线圈210的线圈直径及匝数以及电容器220的电容。
二次线圈230与二次自共振线圈210隔开规定的间隔而设置在与二次自共振线圈210大致同轴上。二次线圈230通过电磁感应而能够与二次自共振线圈210磁耦合，利用电磁感应将通过二次自共振线圈210接受到的电力取出而向整流器260输出。
需要说明的是，二次线圈230是为了使来自二次自共振线圈210的电力的取出容易而设置的线圈，也可以不设置二次线圈230而在二次自共振线圈210上直接连接整流器260。而且，还可以形成为利用二次自共振线圈210的浮游电容而不设置电容器220的结构。
整流器260对由二次线圈230取出的电力（交流）进行整流。充电器270将从整流器260输出的直流电力电压转换成蓄电装置280的充电电压而向蓄电装置280输出。蓄电装置280是能够再充电的直流电源，例如由锂离子、镍氢等二次电池构成。蓄电装置280除了蓄积从充电器270接受的电力之外，也蓄积由动力输出装置285发电的再生电力。并且，蓄电装置280将其蓄积的电力向动力输出装置285供给。需要说明的是，作为蓄电装置280，也可以采用大电容的电容器。
动力输出装置285使用蓄电装置280蓄积的电力而产生车辆200的行驶驱动力。虽然并未特别图示，但动力输出装置285例如包括从蓄电装置280接受电力的逆变器、由逆变器驱动的电动机、及由电动机驱动的驱动轮等。需要说明的是，动力输出装置285也可以包括用于对蓄电装置280进行充电的发电机和能够驱动发电机的发动机。
ECU290利用由CPU执行预先存储的程序的软件处理及/或专用的电子电路的硬件处理来控制充电器270的动作。通信装置300是用于与供电设备100进行通信的通信接口。通信装置300从ECU290接受车辆200的受电状况、蓄电装置280的SOC等的信息而向供电设备100发送。
在该非接触供电系统中，除了用于向车辆200输电的一次自共振线圈140及一次线圈130之外，还设有用于将从电源装置110输出的电力向外部放出的放出用自共振线圈185及线圈180。并且，当由电力传感器115检测出的反射电力超过阈值时，继电器190被接通，将线圈180电连接在阻抗匹配器120与一次线圈130之间的电路上。由此，将增大了的反射电力从放出用自共振线圈185向周围的空间放出。需要说明的是，反射电力的上述阈值基于电源装置110的规格而适当设定。
图3是用于说明基于共振法的输电的原理的图。参照图3，在该共振法中，与2个音叉发生共振的情况同样地，具有相同的固有振动频率的2个LC共振线圈在电磁场（接近场）中产生共振，由此从一方的线圈向另一方的线圈经由电磁场传输电力。
具体而言，在电源装置110上连接一次线圈130，利用电磁感应向与一次线圈130磁耦合的一次自共振线圈140供给1M~十几MHz的高频电力。一次自共振线圈140与电容器150一起形成LC共振器，经由电磁场（接近场）与和一次自共振线圈140具有相同的共振频率的二次自共振线圈210产生共振。如此，能量（电力）经由电磁场从一次自共振线圈140向二次自共振线圈210移动。向二次自共振线圈210移动的能量（电力）由通过电磁感应而与二次自共振线圈210磁耦合的二次线圈230取出，向整流器260（图1）以后的负载350供给。需要说明的是，基于共振法的输电在表示一次自共振线圈140与二次自共振线圈210的共振强度的Q值例如比100大时实现。
图4是用于说明供电设备100中的输电单元及放出用线圈单元的配置结构的图。需要说明的是，在该图4中，由一次线圈130、一次自共振线圈140及电容器150构成的单元（以下称为“输电单元”）简化为圆柱状而记载。同样地，车辆200的由二次自共振线圈210、电容器220及二次线圈230构成的单元（以下称为“受电单元”）也简化为圆柱状而记载。此外，由线圈180及放出用自共振线圈185构成的单元（以下称为“放出用线圈单元”）也简化为圆柱状而记载。
参照图4，供电设备100的输电单元及放出用线圈单元设置在地下。在输电单元的周围设置有屏蔽箱410，在放出用线圈单元的周围也设置有屏蔽箱420。为了能够向车辆200的受电单元输电，屏蔽箱410的地面侧开口。另一方面，为了朝向地下放出电力，屏蔽箱420的地面的相反侧开口。由此，在由放出用线圈单元进行的电力放出时，能够防止意图之外的电力朝向地上放出的情况。
需要说明的是，在车辆200侧的受电单元的周围还设置有屏蔽箱430。并且，为了能够从供电设备100的输电单元受电，屏蔽箱430的地面侧开口。
图5是表示在图1所示的供电设备100中检测到超过阈值的反射电力时的ECU160的处理的流程图。参照图5，ECU160从电力传感器115接受由电力传感器115（图1）检测出的向电源装置110的反射电力（步骤S10）。然后，ECU160判定反射电力的检测值是否大于预先决定的阈值（步骤S20）。需要说明的是，该阈值基于电源装置110的规格而适当设定。
当判定为反射电力大于阈值时（在步骤S20中为是），ECU160使继电器190（图1）接通（步骤S30）。由此，将线圈180电连接在阻抗匹配器120与一次线圈130之间的电路上（图1），增大了的反射电力由放出用自共振线圈185向周围的空间放出。并且，ECU160输出警报，将从放出用线圈单元放出电力的情况向周围通知（步骤S40）。
另一方面，在步骤S20中，当判定为反射电力为阈值以下时（在步骤S20中为否），ECU160不将继电器190接通而继续向车辆200输电（步骤S50）。
如以上那样，在该实施方式中，当反射电力的检测值超过预先决定的阈值时，将放出用线圈单元电连接在电源装置110与输电单元之间，从电源装置110输出的电力由放出用线圈单元向外部放出。因此，根据该实施方式，能够防止反射电力的急增造成的电源装置110的损伤。
[变形例]
也可以在判定为向电源装置110的反射电力大于阈值时，将继电器190接通，并以放出用自共振线圈185与周围的空间的阻抗进行匹配的方式变更阻抗匹配器120的阻抗。由此，放出用线圈单元的设计的自由度提高。
图6是表示在该变形例的供电设备100中检测出超过阈值的反射电力时的ECU160的处理的流程图。参照图6，该流程图在图5所示的流程图中还包括步骤S35。即，在步骤S30中将继电器190接通后，ECU160将阻抗匹配器120设定为放电用的规定值（步骤S35）。
需要说明的是，该规定值是以使由放出用自共振线圈185和周围空间形成的共振系统的输入阻抗与电源装置110的输出阻抗匹配的方式预先求出的值。并且，当阻抗匹配器120的阻抗变更为规定值时，ECU160将处理向步骤S40推进，输出警报。
如以上那样，根据该变形例，能够防止反射电力的急增造成的电源装置110的损伤，并且放出用线圈单元的设计的自由度提高。
需要说明的是，在上述的实施方式及变形例中，通过设置放出用线圈单元而将过大的反射电力向外部放出，但也可以取代放出用线圈单元而设置放电电阻。
图7是取代放出用线圈单元而设有放电电阻的非接触供电系统的整体结构图。参照图7，该非接触供电系统具备供电设备100A和车辆200。供电设备100A在图1所示的供电设备100的结构中，取代包括线圈180及放出用自共振线圈185的放出用线圈单元而包含放电电阻195。
并且，在从供电设备100向车辆200的供电中，当反射电力的检测值超过预先决定的值时，继电器190被接通。由此，将放电电阻195电连接在阻抗匹配器120与一次线圈130之间的电路上，由于在放电电阻195中电力被消耗从而抑制反射电力的急增。
需要说明的是，在上述的实施方式中，使供电设备100的一次自共振线圈140与车辆200的二次自共振线圈210共振而进行输电，但也可以由一对高电介质盘来构成输电单元及受电单元。高电介质盘由高介电常数材料构成，例如可使用TiO2、BaTi4O9、LiTaO3等。
需要说明的是，在上述中，二次自共振线圈210、电容器220及二次线圈230形成本发明中的“受电单元”的一实施例，一次线圈130、一次自共振线圈140及电容器150形成本发明中的“输电单元”的一实施例。而且，电力传感器115对应于本发明中的“检测装置”的一实施例，放出用自共振线圈185及线圈180形成本发明中的“放出用线圈”的一实施例。
此外，继电器190对应于本发明中的“连接装置”的一实施例，屏蔽箱420对应于本发明中的“电磁屏蔽材料”的一实施例。而且，此外，阻抗匹配器120对应于本发明中的“阻抗可变装置”的一实施例，ECU160对应于本发明中的“控制装置”的一实施例。
应该考虑本次公开的实施方式全部的点是例示而不是限制性的内容。本发明的范围不是由上述的实施方式的说明公开而是由权利要求书公开，且意图包括与权利要求书均等的意思及范围内的全部变更。
标号说明
100、100A供电设备，110电源装置，115电力传感器，120阻抗匹配器，122、124可变电容器，126线圈，130一次线圈，140一次自共振线圈，150、220电容器，160、290ECU，170、300通信装置，180线圈，185放出用自共振线圈，190继电器，195放电电阻，200车辆，230二次线圈，260整流器，270充电器，280蓄电装置，285动力输出装置，350负载，410、420、430屏蔽箱。

Claims (7)

1.一种非接触供电设备，以非接触的方式向包括受电单元(210、220、230)的受电装置(200)供电，其中，
所述非接触供电设备具备：
电源装置(110)，产生具有规定频率的电力；
输电单元(130、140、150)，用于从所述电源装置接受电力并通过经由电磁场与所述受电单元产生共振来以非接触的方式向所述受电单元输电；
检测装置(115)，用于检测向所述电源装置的反射电力；
放电装置，由放出用线圈(180、185)或电阻(195)构成，所述放出用线圈(180、185)用于将所述反射电力向外部放出，所述电阻(195)用于消耗所述反射电力；及
连接装置(190)，在所述反射电力的检测值超过预先决定的值时，在所述电源装置与所述输电单元之间电连接所述放电装置。
2.根据权利要求1所述的非接触供电设备，其中，
所述放电装置是所述放出用线圈，
所述非接触供电设备还具备电磁屏蔽材料(420)，该电磁屏蔽材料(420)设置在所述放出用线圈的周围，且为了能够从所述放出用线圈向外部放出电力而仅一方向开口，
所述放出用线圈及所述电磁屏蔽材料设置于地下，
所述电磁屏蔽材料以开口部朝向地下的方式设置。
3.根据权利要求1所述的非接触供电设备，其中，
所述非接触供电设备还具备阻抗可变装置(120)，该阻抗可变装置(120)设置在所述电源装置与所述输电单元之间，且用于调整由所述输电单元及所述受电单元构成的共振系统的输入阻抗，
在所述反射电力的检测值超过所述预先决定的值时，所述连接装置将所述放电装置电连接在所述阻抗可变装置与所述输电单元之间。
4.根据权利要求3所述的非接触供电设备，其中，
所述非接触供电设备还具备控制装置(160)，该控制装置(160)用于在所述反射电力的检测值超过了所述预先决定的值时使所述连接装置动作，并将所述阻抗可变装置的阻抗变更为规定值。
5.根据权利要求4所述的非接触供电设备，其中，
所述放电装置是所述放出用线圈，
所述规定值是以使所述放出用线圈与所述放出用线圈的周围空间的阻抗匹配的方式预先设定的值。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的非接触供电设备，其中，
所述输电单元包括：
从所述电源装置接受电力的一次线圈(130)；及
从所述一次线圈利用电磁感应接受电力并产生所述电磁场的一次自共振线圈(140)，
所述受电单元包括：
通过经由所述电磁场而与所述一次自共振线圈产生共振来从所述一次自共振线圈接受电力的二次自共振线圈(210)；及
通过电磁感应将由所述二次自共振线圈接受到的电力取出并输出的二次线圈(230)。
7.根据权利要求1～5中任一项所述的非接触供电设备，其中，
所述受电装置搭载于车辆。
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