CN103493387A - 电力传输系统以及送电装置 - Google Patents
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Abstract
送电装置(101)具备：送电电路(39)、被动电极(31)以及主动电极(32)。电容器(CG)是基于被动电极(31)和主动电极(32)的电容。升压电路与电容器(CG)构成谐振电路。基于升压变压器(TG)以及电感器(LG)的升压电路，对电压变换电路(37)所发生的电压进行升压，并将升压后的电压施加在被动电极(31)和主动电极(32)之间。控制IC(36)比较升压变压器(TG)的3次绕组(Lt)的整流平滑电压V3和基准电压Vr来PWM控制电压变换电路(37)。由此，不会使受电装置复杂化或大型化，能使向受电装置的负载电路的输出电压稳定化。
Description
技术领域
本发明涉及通过电场耦合来传输电力的电力传输系统以及在该系统中使用的送电装置。
背景技术
用无线来传输电力的系统例如如专利文献1所示那样，一般为利用电磁场从送电单元侧的1次绕组向负载单元侧的2次绕组传输电力的方式(电磁场方式)。但是，在电磁场方式的无线电力传输中，由于穿过绕组的磁通的大小对电动势有较大的影响，因此，要求1次绕组和2次绕组的位置精度较高，另外，绕组的小型化困难。
另一方面，例如已知利用专利文献2、专利文献3、专利文献4中记载那样的静电场从送电单元侧的耦合用电极向负载单元侧的耦合用电极传输电力的方式(电场耦合方式)。在电场耦合方式的无线电力传输中，由于利用耦合用电极间的静电场，因此能缓和各耦合用电极的要求位置精度，另外，能谋求耦合用电极的小型化。通过使用静电耦合，与电磁耦合方式相比，能提高送受电极间的定位和朝向的自由度。
另外，在专利文献5中公开了在数W～数十W级的供电量的无接点电力传输系统中，为了向负载电路供给恒定电压而在受电装置设置DC-DC转换器的技术方案。
图6是表示专利文献2的电力传输系统的基本构成的图。该电力传输系统由送电装置和受电装置构成。在送电装置具备：送电电路1、被动电极2以及主动电极3。在受电装置具备：受电电路5、被动电极7以及主动电极6。并且，通过隔着空隙4使送电装置的主动电极3与受电装置的主动电极6接近，使该2个电极彼此电场耦合。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开平11-40206号公报
专利文献2：JP特表2009-531009号公报
专利文献3：JP特开2009-296857号公报
专利文献4：JP特开2009-089520号公报
专利文献5：JP特开2010-88143号公报
发明的概要
发明要解决的课题
如专利文献5所示那样，若在受电装置设置DC-DC转换器，则虽然能使向受电装置的负载电路的输出电压稳定化，但也会使受电装置整体的电路复杂化。
为了不在受电装置设置DC-DC转换器地，在送电装置侧控制向受电装置的负载电路的输出电压，需要送电装置使用某些手段来监视向受电装置的负载电路的输出电压。在无线电力传输系统中，由于送电装置与受电装置在空间上分离，因此，为了在送电装置侧探测受电装置的状态，需要用某些方法来进行通信。若在受电装置设置通信电路，则电路会大型化，也会让成本提升。另外，由于易于发生与电力传输部的干扰，因此通信控制复杂化。
在专利文献3中，构成为在电场耦合方式的电力传输中测定提供给负载的电力，并基于其结果直接控制谐振电路的常数。但是，这并不是用于使向受电装置侧的负载电路的输出电压恒定的构成。
发明内容
本发明目的在于提供能不使受电装置复杂化或大型化地使向受电装置的负载电路的输出电压稳定化的电场耦合型的电力传输系统以及送电装置。
用于解决课题的手段
(1)本发明的电力传输系统具备：送电装置，其具备由主动电极和被动电极构成的送电装置侧耦合电极、以及与所述送电装置侧耦合电极连接并提供高频电压送电电路；和受电装置，其具有由主动电极和被动电极构成并与所述送电装置侧耦合电极耦合的受电装置侧耦合电极、以及与所述受电装置侧耦合电极连接并向负载电路提供电力受电电路，所述电力传输系统的特征在于，所述送电电路具备：电压变换电路(升压转换器)，其以直流电源电压为输入，输出高于该电源电压的电压；直流交流变换电路(逆变器电路)，其将所述电压变换电路的输出电压变换为交流电压；绕组型升压变压器，其以所述直流交流变换电路的输出电压为输入，与所述送电装置侧耦合电极一起构成LC谐振电路。
(2)优选具备：控制电路，其设于所述送电装置侧，检测向所述送电装置侧耦合电极的提供电压，使所述送电装置侧耦合电极的电压成为恒定地控制所述电压变换电路的电压变换比。
(3)优选向所述送电装置侧耦合电极的提供电压的检测点是所述绕组型升压变压器的2次绕组。
(4)优选向所述送电装置侧耦合电极的提供电压的检测点是所述绕组型升压变压器的1次绕组。
(5)优选向所述送电装置侧耦合电极的提供电压的检测点是所述绕组型升压变压器的3次绕组。
(6)本发明的送电装置，与受电装置一起构成电力传输系统，该受电装置具备：由主动电极和被动电极构成的受电装置侧耦合电极、以及与所述受电装置侧耦合电极连接并向负载电路提供电力的受电电路，所述送电装置具备：由主动电极和被动电极构成并与所述受电装置侧耦合电极耦合的送电装置侧耦合电极、以及与所述送电装置侧耦合电极连接并提供高频电压的送电电路，所述送电电路具备：电压变换电路(升压转换器)，其以直流电源电压为输入，输出高于该电源电压的电压；直流交流变换电路(逆变器电路)，其将所述电压变换电路的输出电压变换成交流电压；和绕组型升压变压器，其以所述直流交流变换电路的输出电压为输入，与所述送电装置侧耦合电极一起构成LC谐振电路。
发明的效果
根据本发明，即使不在受电侧使用DC-DC转换器也能使向受电装置的负载电路的输出电压稳定化。另外，能使升压变压器的卷绕数比较小，能降低寄生在升压变压器的2次绕组的寄生电容，并能兼顾变压器的小型化和高频化。
附图说明
图1是电力传输系统401的等效电路图。
图2是第2实施方式所涉及的电力传输系统402的简略电路图。
图3是电力传输系统402的等效电路图。
图4是第3实施方式的电力传输系统403的电路图。
图5是第4实施方式的电力传输系统404的电路图。
图6是表示专利文献2的电力传输系统的基本构成的图。
具体实施方式
《第1实施方式》
图1是电力传输系统401的等效电路图。在该图1中，送电装置101具备：送电电路39、被动电极31以及主动电极32。该被动电极31以及主动电极32是送电装置侧耦合电极。送电电路39由升压变压器TG、电感器LG、直流交流变换电路38、电压变换电路37构成。直流交流变换电路38例如发生100kHz～数十MHz的高频电压。基于升压变压器TG以及电感器LG的升压电路，对直流交流变换电路38所发生的电压进行升压，并将升压的电压施加在被动电极31和主动电极32之间。电容器CG是基于被动电极31和主动电极32的电容。所述升压电路和电容器CG构成谐振电路。
受电装置201具备：被动电极41、主动电极42、受电电路49以及负载电路48。该被动电极41以及主动电极42是受电装置侧耦合电极。受电电路49由基于降压变压器TL和电感器LL的降压电路等构成。在被动电极41和主动电极42之间连接有基于降压变压器TL以及电感器LL的降压电路。电容器CL是基于被动电极41和主动电极42的电容。所述降压电路与电容器CL构成谐振电路。在降压变压器TL的2次侧连接有负载电路48。
通过直流电源Vin对送电电路39输入直流电源电压。电容器Cin是输入滤波器。
直流交流变换电路38是桥连接开关元件Q1～Q4的电路。虽然在开关元件Q1～Q4的栅极连接有开关控制电路，但在图中省略。该开关控制电路以50％占空比来交替反复Q1、Q4接通且Q2、Q3断开的期间、和Q2、Q3接通且Q1、Q4断开的期间。
该直流交流变换电路38与升压变压器TG的1次绕组一起构成逆变器电路。
电压变换电路37构成升压转换器(升压斩波器电路)，该升压转换器基于由电感器Lc、MOSFET构成的开关元件Qc以及二极管Dc。开关元件Qc通过控制IC36而被驱动。关于该电压变换电路的动作在后面叙述。
在对送电装置101安装受电装置201时，送电装置101与受电装置201的主动电极彼此电容耦合，通过被动电极彼此电容耦合，能从送电装置101向受电装置201传输电力。
在送电装置101中，在送电电路39的升压变压器TG设有3次绕组Lt，并在该3次绕组Lt连接基于二极管D1，D2、电感器L1以及电容器C1的整流平滑电路。升压变压器TG的1次绕组Lp与3次绕组Lt的卷绕数比例如为(2∶1)到(1∶2)的程度。
由于3次绕组Lt的两端电压与1次绕组Lp以及2次绕组Ls变压器耦合，因此，输出与送电装置侧的输入电压变化以及向受电装置的负载电路的输出电压的变化相应的电压。通过适当设定卷绕数比，增加了电路设计的自由度。
控制电压变换电路37的控制IC36，将基准电压发生电路Ref发生的基准电压Vr与所述整流平滑电路的输出电压V3进行比较，根据其比较结果来PWM控制电压变换电路37。该控制是使所述电压V3与基准电压Vr相等的反馈控制。具体地，V3＞Vr时，使电压变换电路37的开关元件Qc的接通时间幅度变窄，V3＜Vr时，使电压变换电路37的开关元件Qc的接通时间幅度变宽。
通过所述反馈控制，送电装置侧耦合电极31-32间的电压V1被保持为恒定电压。与此相伴，受电装置侧耦合电极41-42间的电压V2也被保持为恒定。
受电装置侧耦合电极41-42间的电压V2对应于负载电路48的负载大小(负载电流的大小)而变化，但由于耦合电极31，32和41，42电场耦合，因此，伴随电压V2的变动，送电装置侧耦合电极31-32间的电压V1也变动。若该电压V1变动，则升压变压器TG的2次绕组Ls的两端电压变动。由此，变压器耦合的3次绕组Lt的起电电压(generate voltage)的整流平滑电压V3也变动。因此，通过进行反馈控制以使该电压V3成为恒定，能使向受电装置201的负载电路48的输出电压稳定化。
如此，不需要在受电装置设置DC-DC转换器等特别的电压稳定化电路，能简化受电装置的构成。
另外，通过在升压变压器的前级侧设置升压转换器，能使升压变压器的卷绕数比较小，能降低寄生于升压变压器的2次绕组的寄生电容，并能兼顾变压器的小型化和高频化。
另外，由于不是通过逆变器电路的脉宽控制(PWM)来控制发生电压，而是用电压变换电路37来控制向直流交流变换电路38(逆变器电路)提供的电压，因此，直流交流变换电路38(逆变器电路)能总是以占空比50％来发生交变电压。由此，在送电装置101的基于升压电路和电容器CG的谐振电路的谐振波形、以及在受电装置201的基于降压电路和电容器CL的谐振电路的谐振波形，分别失真较少。因此，能以大致正弦波形来进行电力传输，能降低发生高次谐波分量引起的不希望的辐射、噪声。
《第2实施方式》
图2是第2实施方式所涉及的电力传输系统402的简略电路图。该电力传输系统402由送电装置102和受电装置202构成。送电装置102具备送电装置侧被动电极31和送电装置侧主动电极32，受电装置202具备受电装置侧被动电极41和受电装置侧主动电极42。
在送电装置侧主动电极32和送电装置侧被动电极31之间连接有送电电路39。在受电装置侧主动电极42和受电装置侧被动电极41之间连接有受电电路49，在受电电路49连接有负载电路48。
送电电路39在送电装置侧主动电极32和送电装置侧被动电极31之间施加高频电压。受电电路49对受电装置侧主动电极42和受电装置侧被动电极41之间产生的电压进行降压。负载电路48，将向受电电路49的负载电路48的输出电压，作为电源电压输入。该负载电路48具备：对受电电路49的输出进行整流平滑的整流平滑电路以及用该整流平滑电路的输出进行充电的2次电池等。
受电装置侧被动电极41与送电装置侧被动电极31相接，直流地导通。
根据第2实施方式，由于用升压过的高电压进行电力传输，因此，流到送电装置侧被动电极31的电流例如为数mA级，送电装置侧被动电极的接触电阻的影响非常小，因此不需要将接触电阻抑制得较低。为此，能应用导电橡胶等的各种接触手段。
图3是电力传输系统402的等效电路图。连接在送电装置侧被动电极31和受电装置侧被动电极41之间的电阻r，相当于构成在送电装置侧被动电极31和受电装置侧被动电极41的接触部的接触电阻。连接在送电装置侧有源32和受电装置侧主动电极42之间的电容器Cm，相当于在送电装置侧主动电极32和受电装置侧主动电极42之间产生的电容。其它构成与图1所示的电力传输系统401相同。
若用r表征所述接触电阻r的电阻值，用Cm表征电场耦合部的电容器Cm的电容，用ω表征角频率，则成为r＜＜1/ωCm的关系。如此，通过使送电装置102和受电装置202的被动电极彼此直接导通，受电装置侧被动电极41的电位与送电装置侧被动电极31的电位变得大致相等。其结果，受电装置侧被动电极41的电位稳定化，抑制了接地电位变动以及不希望的电磁场的泄漏。另外，由于抑制了浮遊电容，因此耦合度提高，能得到高的传输效率。
如此，在将受电装置202安装在送电装置102时，通过送电装置102和受电装置202的主动电极彼此电容耦合，被动电极彼此直接导通，能从送电装置102向受电装置202传输电力。
《第3实施方式》
图4是第3实施方式的电力传输系统403的电路图。该电力传输系统403由送电装置103以及受电装置201构成。电容器CG是基于送电装置侧耦合电极的被动电极和主动电极的电容。电容器CL是基于受电装置侧耦合电极的被动电极和主动电极的电容。
受电装置201的构成与第1实施方式所示的受电装置相同。在此，受电装置201的负载电路48由二极管桥DB、平滑电容器Co以及负载RL构成。
送电装置103的构成与第1实施方式所示的送电装置101大致相同。向送电装置的电压变换电路37(升压转换器)反馈的信号布线的取出点不同。
在送电电路39的升压变压器TG的1次绕组Lp连接有基于开关元件Q1～Q4的桥连接的逆变器电路的输出端子。
在升压变压器TG的2次绕组Ls连接有基于二极管D1、电容器C1的整流平滑电路以及基于电阻R1、R2的分压电路。由所述整流平滑电路将升压变压器TG的2次绕组Ls的电压变换为直流电压，用基于电阻R1、R2的分压电路对该直流电压进行分压，将分压后的电压输入到控制IC36，作为电压V3。基准电压发生电路Ref发生基准电压Vr并将其向控制IC36输入。
所述控制IC36比较电压V3与基准电压Vr，根据其比较结果来控制升压转换器的开关元件Qc。通过该PWM控制来控制升压转换器的电压变换比。该控制是使所述电压V3与基准电压Vr相等的反馈控制。具体地，V3＞Vr时，使开关元件Qc的接通时间幅度变窄，V3＜Vr时，使开关元件Qc的接通时间幅度变宽。作为其结果，能使来自送电装置103的输出电压恒定。
如此，通过检测出升压变压器TG的2次绕组的电压，能灵敏度良好地检测向受电装置201的负载电路48的输出电压的变动。
另外，如第1实施方式所述那样，由于不是通过逆变器电路的脉宽控制(PWM)控制发生电压，而是用电压变换电路37控制提供给直流交流变换电路38(逆变器电路)的电压，因此直流交流变换电路38(逆变器电路)能总是以占空比50％发生交变电压。由此，能以大致正弦波形来进行电力传输，能降低发生高次谐波分量引起的不希望的辐射、噪声。
进而，由于未在升压变压器TG设置3次绕组，因此能使升压变压器TG小型化。
《第4实施方式》
图5是第4实施方式的电力传输系统404的电路图。该电力传输系统404由送电装置104以及受电装置201构成。电容器CG是基于送电装置侧耦合电极的被动电极和主动电极的电容。电容器CL是基于受电装置侧耦合电极的被动电极和主动电极的电容。
受电装置201的构成与第1实施方式所示的受电装置相同。在此，受电装置201的负载电路48由二极管桥DB、平滑电容器Co以及负载RL构成。
在升压变压器TG的1次绕组Lp连接有基于二极管D1，D2、电容器C1的整流平滑电路。用所述整流平滑电路将升压变压器TG的1次绕组Lp的电压变换成直流电压，并对控制IC36输入该直流电压，作为电压V3。基准电压发生电路Ref发生基准电压Vr并将其输入到控制IC36。其它的电路构成与图4所示相同。
所述控制IC36比较电压V3与基准电压Vr，根据其比较结果来PWM控制升压转换器的开关元件Qc。
如此，通过检测升压变压器TG的1次绕组Lp的电压，能不对升压变压器TG的2次绕组Ls、电感器LG以及电容器CG引起的谐振带来影响地间接监控向受电装置的负载电路的输出电压。
符号的说明
DB 二极管桥
Lp 1次绕组
Ls 2次绕组
Lt 3次绕组
Q1～Q4 开关元件
Qc 开关元件
r 电阻
Ref 基准电压发生电路
RL 负载
TG 升压变压器
TL 降压变压器
Vin 直流电源
Vr 基准电压
31 送电装置侧被动电极
32 送电装置侧主动电极
(31，32) 送电装置侧耦合电极
36 控制IC
37 电压变换电路
38 直流交流变换电路
39 送电电路
41 受电装置侧被动电极
42 受电装置侧主动电极
(41，42) 受电装置侧耦合电极
48 负载电路
49 受电电路
101～104 送电装置
201、202 受电装置
401～404 电力传输系统
Claims (6)
1.一种电力传输系统，具备：
送电装置，其具备由主动电极和被动电极构成的送电装置侧耦合电极、以及与所述送电装置侧耦合电极连接并提供高频电压的送电电路；和
受电装置，其具备由主动电极和被动电极构成并与所述送电装置侧耦合电极耦合的受电装置侧耦合电极、以及与所述受电装置侧耦合电极连接并向负载电路提供电力的受电电路，
所述电力传输系统的特征在于，
所述送电电路具备：
电压变换电路，其以直流电源电压为输入，输出高于该电源电压的电压；
直流交流变换电路，其将所述电压变换电路的输出电压变换为交流电压；和
绕组型升压变压器，其以所述直流交流变换电路的输出电压为输入，与所述送电装置侧耦合电极一起构成LC谐振电路。
2.根据权利要求1所述的电力传输系统，其特征在于，
所述电力传输系统具备：
控制电路，其设于所述送电装置侧，检测向所述送电装置侧耦合电极的提供电压，并控制所述电压变换电路的电压变换比，以使所述送电装置侧耦合电极的电压成为恒定。
3.根据权利要求2所述的电力传输系统，其特征在于，
向所述送电装置侧耦合电极的提供电压的检测点是所述绕组型升压变压器的2次绕组。
4.根据权利要求2所述的电力传输系统，其特征在于，
向所述送电装置侧耦合电极的提供电压的检测点是所述绕组型升压变压器的1次绕组。
5.根据权利要求2所述的电力传输系统，其特征在于，
向所述送电装置侧耦合电极的提供电压的检测点是所述绕组型升压变压器的3次绕组。
6.一种送电装置，与受电装置一起构成电力传输系统，
该受电装置具备：由主动电极和被动电极构成的受电装置侧耦合电极、以及与所述受电装置侧耦合电极连接并向负载电路提供电力的受电电路，
所述送电装置具备：由主动电极和被动电极构成并与所述受电装置侧耦合电极耦合的送电装置侧耦合电极、以及与所述送电装置侧耦合电极连接并提供高频电压的送电电路，
所述送电电路具备：
电压变换电路，其以直流电源电压为输入，输出高于该电源电压的电压；
直流交流变换电路，其将所述电压变换电路的输出电压变换成交流电压；和
绕组型升压变压器，其以所述直流交流变换电路的输出电压为输入，与所述送电装置侧耦合电极一起构成LC谐振电路。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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