CN103650289A - 电力发送装置、电力接收装置、车辆、非接触式电源系统和用于非接触式电源系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

在控制非接触式电源系统中，在开始从电力发送装置（200）到电力接收装置的电力传输之前，基于所述电力接收装置的阻抗调节可变电感器（L），从而使所述电力发送装置（200）的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗，该电源系统包括电力发送装置，该电力发送装置包括：电力发送单元；电源单元，其向所述电力发送单元提供电力；以及匹配变换器，其耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并包括调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器，该电源系统还包括电力接收装置，该电力接收装置包括电力接收单元，该电力接收单元执行与所述电力发送单元的电磁谐振，以非接触地从所述电力发送单元接收电力。

Description

电力发送装置、电力接收装置、车辆、非接触式电源系统和用于非接触式电源系统的控制方法

技术领域

本发明涉及电力发送装置、电力接收装置、车辆、非接触式电源系统和用于非接触式电源系统的控制方法，更具体地说，本发明涉及使用电磁谐振传输电力的非接触式供电技术。

背景技术

诸如电动车辆和混合动力车辆之类的车辆作为环境友好车辆成为关注的焦点。这些车辆分别包括产生行驶驱动力的电动机和存储被提供给电动机的电力的可再充电蓄电装置。需要指出，混合动力车辆包括进一步同时包括内燃机和电动机作为动力源的车辆、进一步同时包括燃料电池和蓄电装置作为用于驱动车辆的直流电源的车辆等。

近几年，不使用电线或电力传输电缆的无线电力传输作为将电力从车辆外部电源发送到此类车辆的方法受到关注。已知有三种领先技术作为无线电力传输技术。这三种领先技术分别是使用电磁感应的电力传输、使用诸如微波之类的电磁波的电力传输和使用谐振法的电力传输。

谐振法是非接触式电力传输技术，其中一对谐振器（例如，一对谐振线圈）在电磁场（近场）中谐振，从而通过电磁场传输电力。谐振法能够在相对较长的距离（例如，数米）上传输数千瓦的大电力。

公开号为2010-141976（JP2010-141976A）的日本专利申请描述了使用电磁谐振传输电力的非接触式电力传输系统，其中由固定电感器和可变电容器形成的可变阻抗电路设置在交流电源与一次线圈之间，并且基于谐振系统的检测状态，将相对于一次线圈邻近交流电源的阻抗调节为在谐振频率上与谐振系统的输入阻抗匹配。

根据JP2010-141976A中描述的配置，当谐振线圈之间的距离或负荷相对于设定谐振频率时的基准值发生变化时，到交流电源的反射功率降低，从而即使当交流电源的交流输出电压频率不变化时，也能高效地将电力从交流电源提供给负荷。

一般而言，当执行非接触式供电时，相对于一次侧（电源侧）的二次侧（负荷侧）的阻抗根据二次侧负荷的状态（例如，电池容量或电池电压）而变化。具体而言，在给配备有大容量电池的车辆等供电时，所配备的电池的规格可根据车辆而明显不同，因此阻抗波动范围可能增加。因此，为了有效地将电力传输到尽可能多的各种不同车辆，有必要增大在一次侧与二次侧之间执行阻抗匹配的可调范围。

在JP2010-141976A中描述的配置中，阻抗可以与二次侧的可变阻抗匹配；但是，当其可调范围旨在被增大时，有必要增加可变电容器的电容和可变范围。

当一次侧的阻抗和二次侧的阻抗在供电操作期间被调节时，可采用在整个可调范围上扫描每个元件的阻抗，然后选择具有最大效率的阻抗的方法。在这种情况下，当使用具有较大可变范围的元件时，扫描时间（即阻抗调节时间）延长，从而可能使得电池充电时间延长或者导致在阻抗调节期间效率降低。

发明内容

本发明提供电力发送装置、电力接收装置、车辆、非接触式电源系统或用于非接触式电源系统的控制方法，此方法使用电磁谐振传输电力，并且适当地调节电力发送装置与电力接收装置之间的阻抗，从而提高电力传输效率。

本发明的第一方面涉及一种电力发送装置，用于通过电磁谐振非接触地将电力传输到电力接收装置。该电力发送装置包括：电力发送单元，其执行与在所述电力接收装置中包括的电力接收单元的电磁谐振以传输电力；电源单元，其向所述电力发送单元提供电力；匹配变换器，其耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并包括调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器；以及控制单元，其控制所述匹配变换器。所述控制单元基于从所述电力接收装置发送的指示所述电力接收装置的阻抗的信号，通过在电力传输开始之前调节所述可变电感器，控制所述匹配变换器以使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

在所述电力发送装置中，所述可变电感器可在所述电力发送单元与所述电源单元之间与所述电力发送单元和所述电源单元串联连接。

在所述电力发送装置中，所述可变电容器可在所述电力发送单元与所述电源单元之间与所述电力发送单元和所述电源单元并联连接。

在所述电力发送装置中，在电力传输期间，所述控制单元可响应于所述电力接收装置的阻抗的变化而调节所述可变电容器，以控制所述匹配变换器，从而使所述电力发送装置的阻抗与所述电力接收装置的阻抗匹配。

在所述电力发送装置中，所述匹配变换器可具有作为所述可变电容器的第一和第二电容器，所述可变电感器可连接在所述电力发送单元与所述电源单元之间，所述第一电容器可连接到所述可变电感器的第一端部，所述第一端部连接到所述电力发送单元，所述第二电容器可连接到所述可变电感器的第二端部，并且所述第二端部连接到所述电源单元。

在所述电力发送装置中，所述匹配变换器可包括第三电容器，该第三电容器被设置为与所述第一电容器并联并且被配置为选择性地连接到所述第一电容器。

在所述电力发送装置中，所述匹配变换器可包括开关，该开关与所述第三电容器串联连接并且连接或断开与所述第一电容器并联连接的所述第三电容器。

在所述电力发送装置中，当所述可变电感器的调节完成时，所述控制单元可发送指示对所述电力接收装置的调节完成的第一信号，并且在接收到所述第一信号之后，所述电力接收装置可将指示开始电力传输的指令的第二信号输出到所述电力发送装置。

在所述电力发送装置中，所述匹配变换器可包括切换单元，该切换单元切换所述可变电感器的电感。

本发明的第二方面涉及一种电力接收装置，用于通过电磁谐振非接触地接收从电力发送装置传输的电力，所述电力发送装置包括：电力发送单元；向所述电力发送单元提供电力的电源单元；以及匹配变换器，该匹配变换器耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并且具有用于调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器。该电力接收装置包括：电力接收单元，其执行与所述电力发送单元的电磁谐振，以从所述电力发送装置接收电力；蓄电装置，其被充以接收到的电力；以及控制单元，其控制用于给所述蓄电装置充电的充电操作，其中所述控制单元将指示所述电力接收装置的阻抗的信号输出到所述电力发送装置，并使所述电力发送装置调节所述匹配变换器，从而在从所述电力发送装置的电力传输开始之前，通过调节所述可变电感器使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

本发明的第三方面涉及一种车辆。该车辆包括：上述电力接收装置；以及驱动装置，其使用来自上述蓄电装置的电力产生行驶驱动力。

本发明的第四方面涉及一种非接触式电源系统，用于通过电磁谐振非接触地传输电力。该非接触式电源系统包括：电力发送装置，其包括电力发送单元；电力接收装置，其包括执行与所述电力发送单元的电磁谐振的电力接收单元；以及控制单元，其控制从所述电力发送装置到所述电力接收装置的电力传输，其中所述电力发送装置包括向所述电力发送单元提供电力的电源单元、以及匹配变换器，该匹配变换器耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并包括调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器，并且所述控制单元基于从所述电力接收装置发送的指示所述电力接收装置的阻抗的信号，通过在电力传输开始之前调节所述可变电感器，控制所述匹配变换器以使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

本发明的第五方面涉及一种用于非接触式电源系统的控制方法，该电源系统包括：电力发送装置，其包括：电力发送单元；电源单元，其向所述电力发送单元提供电力；以及匹配变换器，其耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并包括调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器；以及电力接收装置，其包括电力接收单元，该电力接收单元执行与所述电力发送单元的电磁谐振，以非接触地从所述电力发送单元接收电力。所述控制方法包括：在开始从所述电力发送装置到所述电力接收装置的电力传输之前，基于所述电力接收装置的阻抗，通过调节所述可变电感器，使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

根据本发明的各方面，可以提供非接触式电源系统，该电源系统使用电磁谐振传输电力，并且适当地调节所述电力发送装置与所述电力接收装置之间的阻抗，从而提高电力传输效率。

附图说明

下面将参考附图描述本发明的示例性实施例的特征、优点和技术与工业意义，在所述附图中，相同的部件以相同的附图标记表示，其中：

图1是根据本发明的第一实施例的车辆用电源系统的整体示意图；

图2是图1所示的电源系统的详细配置图；

图3是示出使用谐振法的电力传输原理的图；

图4是示出离电流源（磁流源）的距离与磁场强度之间关联的图；

图5是第一实施例中的匹配变换器的详细配置图；

图6是示出匹配变换器进行的阻抗调节的图；

图7是示出在使用图5所示的匹配变换器的情况下的阻抗调节的图；

图8A和8B是示出第一实施例中的电力发送ECU和车辆ECU执行的供电控制处理的流程图；

图9是示出在负荷阻抗的虚部很大的情况下的阻抗调节实例的图；以及

图10是根据第二实施例的匹配变换器的详细配置图。

具体实施方式

下面将参考附图详细地描述本发明的实施例。需要指出，相同的附图标记表示附图中的相同或相应的部件，并且有关它们的描述不再重复。

第一实施例

图1是根据本发明的第一实施例的车辆用电源系统10的整体示意图。如图1所示，电源系统10包括车辆100和电力发送装置200。车辆100包括电力接收单元110和通信单元160。电力发送装置200包括电源装置210和电力发送单元220。此外，电源装置210包括通信单元230。

电力接收单元110例如设置在车辆底面上，并且被配置为非接触地接收从电力发送装置200的电力发送单元220发送的电力。更具体地说，如图2所述，电力接收单元110包括谐振线圈，并且使用电磁场与在电力发送单元220中包括的谐振线圈谐振，从而非接触地从电力发送单元220接收电力。通信单元160是通信接口，用于执行车辆100与电力发送装置200之间的无线通信。

电力发送装置200的电源装置210例如将从商业电源提供的交流电力转换为高频电力，然后将该高频电力输出到电力发送单元220。需要指出，电源装置210产生的高频电力的频率例如为1MHz到数十MHz。

电力发送单元220设置在停车场的地板表面（floor surface）上等，并被配置为非接触地将从电源装置210提供的高频电力发送到车辆100的电力接收单元110。更具体地说，电力发送单元220包括谐振线圈，并且使用电磁场与在电力接收单元110中包括的谐振线圈谐振，从而非接触地将电力发送到电力接收单元110。通信单元230是通信接口，用于执行电力发送装置200与车辆100之间的无线通信。

图2是图1所示的电源系统10的详细配置图。如图2所示，车辆100包括整流器180、充电继电器（CHR）170、蓄电装置190、系统主继电器（SMR）115、电力控制单元（PCU）120、电动发电机130、动力传送机构140、驱动轮150、充当控制单元的车辆电子控制单元（ECU）300、电流传感器171和电压传感器172，此外还包括电力接收单元110和通信单元160。电力接收单元110包括二次谐振线圈111、电容器112和二次线圈113。

需要指出，在该实施例中，电动车辆例如被描述为车辆100；但是，车辆100的配置不限于电动车辆，只要车辆能够使用蓄电装置中存储的电力行驶均可。车辆100的另一实例包括配备引擎的混合动力车辆、配备燃料电池的燃料电池车辆等。

二次谐振线圈111使用电磁场，通过电磁谐振从在电力发送装置200中包括的一次谐振线圈221接收电力。

二次谐振线圈111的匝数基于离电力发送装置200的一次谐振线圈221的距离、一次谐振线圈221与二次谐振线圈111之间的谐振频率等而被适当地设定，从而增加指示一次谐振线圈221与二次谐振线圈111之间谐振强度的Q值（例如，Q>100）、指示它们之间耦合度的κ等。

电容器112连接到二次谐振线圈111的两端，并与二次谐振线圈111一起形成LC谐振电路。电容器112的电容适当地被设定，以便基于二次谐振线圈111的电感获取预定的谐振频率。需要指出，当期望的谐振频率通过二次谐振线圈111本身的杂散电容而获取时，电容器112可以被省略。

二次线圈113与二次谐振线圈111同轴地设置，并且能够通过电磁感应磁耦合到二次谐振线圈111。二次线圈113通过电磁感应提取二次谐振线圈111接收的电力，并将该电力输出到整流器180。

整流器180对从二次线圈113接收的交流电力进行整流，并通过CHR170将经过整流的直流电力输出到蓄电装置190。整流器180例如可被形成为包括二极管电桥和平滑电容器（均未示出）。整流器180可以是所谓的开关调节器，它使用开关控制对交流进行整流；但是，整流器180可以被包括在电力接收单元110中，并且为了防止出现由产生的电磁场导致的开关元件错误操作等，整流器180理想地为静态整流器，例如二极管电桥。

需要指出，在本实施例中，整流器180所整流的直流电力被直接输出到蓄电装置190；但是，当经过整流的直流电压不同于蓄电装置190允许的充电电压时，可在整流器180与蓄电装置190之间设置用于电压转换的DC/DC转换器（未示出）。

电压传感器172被设置在连接整流器180与蓄电装置190的电力线对之间。电压传感器172检测整流器180的二次侧直流电压，即，从电力发送装置200接收的接收到的电压，然后将检测值VC输出到车辆ECU300。

电流传感器171被设置在连接整流器180与蓄电装置190的电力线之一中。电流传感器171检测用于给蓄电装置190充电的充电电流，然后将检测值IC输出到车辆ECU300。

CHR170电连接到整流器180和蓄电装置190。CHR170由来自车辆ECU300的控制信号SE2控制，并且在将来自整流器180的电力提供给蓄电装置190与中断将来自整流器180的电力提供给蓄电装置190之间切换。

蓄电装置190是被配置为可充电和放电的蓄电元件。蓄电装置190例如由诸如锂离子电池、镍金属氢化物电池和铅酸电池之类的二次电池、或者诸如双电层电容器之类的蓄电元件构成。

蓄电装置190通过CHR170连接到整流器180。蓄电装置190存储由电力接收单元110接收并被整流器180整流的电力。此外，蓄电装置190还通过SMR115连接到PCU120。蓄电装置190将用于产生车辆驱动力的电力提供给PCU120。而且，蓄电装置190存储电动发电机130产生的电力。蓄电装置190的输出例如约为200V。

电压传感器和电流传感器（均未示出）针对蓄电装置190而设置。电压传感器用于检测蓄电装置190的电压VB。电流传感器用于检测被输入蓄电装置190或从蓄电装置190输出的电流IB。这些检测值被输出到车辆ECU300。车辆ECU300基于电压VB和电流IB计算蓄电装置190的充电状态（也称为“SOC”）。

SMR115被插入到连接蓄电装置190与PCU120的电力线中。然后，SMR115由来自车辆ECU300的控制信号SE1控制，并且在蓄电装置190与PCU120之间的电力提供与电力中断之间切换。

PCU120包括转换器和逆变器（均未示出）。转换器由来自车辆ECU300的控制信号PWC控制，并转换来自蓄电装置190的电压。逆变器由来自车辆ECU300的控制信号PWI控制，并使用转换器转换的电力驱动电动发电机130。

电动发电机130是交流旋转电机，并且例如是包括嵌有永磁体的转子的永磁同步电动机。

电动发电机130的输出转矩通过动力传送机构140被传输到驱动轮150以驱动车辆100。电动发电机130能够在车辆100的再生制动操作期间使用驱动轮150的旋转力产生电力。然后，所产生的电力被PCU120转换为充电电力以给蓄电装置190充电。

此外，在除了电动发电机130之外还配备引擎（未示出）的混合动力车辆中，引擎与电动发电机130协作地操作以产生所需的车辆驱动力。此时，蓄电装置190可使用通过引擎旋转产生的电力而被充电。

如上所述，通信单元160是通信接口，用于执行车辆100与电力发送装置200之间的无线通信。通信单元160将有关蓄电装置190的电池信息INFO（包括SOC）从车辆ECU300输出到电力发送装置200。此外，通信单元160将指示电力发送装置200开始或停止电力发送的信号STRT或STP输出到电力发送装置200。

车辆ECU300包括中央处理单元（CPU）、存储单元和输入/输出缓冲器，这些在图1中未示出。ECU300输入来自传感器的信号等，将控制信号输出到各个装置，并且控制车辆100和各个装置。需要指出，对车辆100与各个装置的控制不仅限于软件处理，而且还可以通过专用硬件（电子电路）处理。

当车辆ECU300通过用户操作等接收充电开始信号TRG时，车辆ECU300基于满足预定条件的事实，通过通信单元160将指示开始电力发送的信号STRT输出到电力发送装置200。此外，车辆ECU300基于蓄电装置190充满电的事实或用户操作等，通过通信单元160将指示停止电力发送的信号STP输出到电力发送装置200。

需要指出，除了形成“驱动装置”的SMR115、PCU120、电动发电机130、动力传送机构140和驱动轮150之外，根据本发明的一方面，车辆100的配置可被视为“电力接收装置”。

如上所述，电力发送装置200包括电源装置210和电力发送单元220。除了通信单元230之外，电源装置210进一步包括充当控制单元的电力发送ECU240、电源单元250和匹配变换器260。此外，电力发送单元220包括一次谐振线圈221、电容器222和一次线圈223。

电源单元250由来自电力发送ECU240的控制信号MOD控制，并将从交流电源（例如商业电源）接收的电力转换为高频电力。然后，电源单元250通过匹配变换器260将转换的高频电力提供给一次线圈223。需要指出，电源单元250所产生的高频电力的频率例如为1MHz到数十MHz。

匹配变换器260是用于使电力发送装置200与车辆100之间阻抗匹配的电路。匹配变换器260的细节将在下面的图5中描述，并且大体被配置为包括可变电容器和可变电感器。匹配变换器260由电力发送ECU240基于从车辆100发送的电池信息INFO而给出的控制信号ADJ控制，并且可变电容器和可变电感器被调节为使得电力发送装置200的阻抗与车辆100侧的阻抗匹配。此外，匹配变换器260将指示阻抗调节完成的信号COMP输出到电力发送ECU240。

一次谐振线圈221通过电磁谐振将电力传输到在车辆100的电力接收单元110中包括的二次谐振线圈111。

一次谐振线圈221的匝数基于离车辆100的二次谐振线圈111的距离、一次谐振线圈221与二次谐振线圈111之间的谐振频率等而被适当地设定，从而增加指示一次谐振线圈221与二次谐振线圈111之间谐振强度的Q值（例如，Q>100）、指示它们之间耦合度的κ等。

电容器222连接到一次谐振线圈221的两端，并与一次谐振线圈221一起形成LC谐振电路。电容器222的电容适当地被设定，以便基于一次谐振线圈221的电感获取预定的谐振频率。需要指出，当期望的谐振频率通过一次谐振线圈221本身的杂散电容获取时，电容器222可以被省略。

一次线圈223与一次谐振线圈221同轴地设置，并且能够通过电磁感应磁耦合到一次谐振线圈221。一次线圈223通过电磁感应将经由匹配变换器260提供的高频电力发送到一次谐振线圈221。

如上所述，通信单元230是通信接口，用于执行电力发送装置200与车辆100之间的无线通信。通信单元230接收从车辆100的通信单元160发送的电池信息INFO和用于指示开始或停止电力发送的信号STRT或STP，并将这些信息输出到电力发送ECU240。此外，通信单元230从电力发送ECU240接收指示通过匹配变换器260的阻抗调节完成的信号COMP，并将信号COMP输出到车辆100。

电力发送ECU240包括CPU、存储装置和输入/输出缓冲器（图1中未示出）。电力发送ECU240输入来自传感器的信号等，并将控制信号输出到各个装置，从而控制电源装置210中的各个装置。需要指出，对各个装置的控制不仅限于软件处理，而且还可以通过专用硬件（电子电路）处理。

接下来，将参考图3和4描述通过电磁谐振实现的非接触式供电（下文也称为谐振法）。

图3是示出使用谐振法的电力传输原理的图。如图3所示，在此谐振法中，正如两个音叉相互谐振的情况那样，具有相同固有频率的两个LC谐振线圈在电磁场（近场）中相互谐振，从而通过电磁场将电力从谐振线圈之一传输到另一谐振线圈。

具体而言，作为电磁感应线圈的一次线圈223连接到高频电源装置210，并且频率为1MHz到数十MHz的高频电力被提供给通过电磁感应而磁耦合到一次线圈223的一次谐振线圈221。一次谐振线圈221是由线圈本身的电感和杂散电容或连接到线圈两端的电容器（未示出）形成的LC谐振器，并使用电磁场（近场）与固有频率与一次谐振线圈221相同的二次谐振线圈111谐振。然后，能量（电力）通过电磁场被从一次谐振线圈221传输到二次谐振线圈111。被传输到二次谐振线圈111的能量（电力）由二次线圈113（该二次线圈113是磁耦合到二次谐振线圈111的电磁感应线圈）通过电磁感应而提取，并且被提供给负荷600。使用谐振法的电力传输在指示一次谐振线圈221与二次谐振线圈111之间谐振强度的Q值例如大于100时执行。需要指出，图3中的负荷600对应于位于图2中的整流器180下游的装置。

图4是示出离电流源（磁流源）的距离与电磁场强度之间关联的图。如图4所示，电磁场包括三个分量。曲线k1是与离波源的距离成反比例的分量，被称为“辐射场”。曲线k2是与离波源的距离的平方成反比例的分量，被称为“感应场”。此外，曲线k3是与离波源的距离的立方成反比例的分量，被称为“静态场”。

在这些分量中，存在一个区域，其中电磁场强度随着离波源的距离而陡然下降，在谐振法中，该近场（瞬逝场）被用于传输能量（电力）。即，利用近场使具有相同固有频率的一对谐振器（例如，一对LC谐振线圈）发生谐振，能量（电力）被从一个谐振器（一次谐振线圈）传输到另一谐振器（二次谐振线圈）。该近场不会将能量（电力）传播到远处，因此，与通过将能量传播到远处的“辐射场”传输能量（电力）的电磁波相比，谐振法能够以较低的能量损失传输电力。

在上述以高频传输电力的电源系统中，电力传输效率受电力发送侧的阻抗和电力接收侧的阻抗影响。在图2所示的配置中，当安装在车辆上的蓄电装置被充电时，阻抗根据安装的蓄电装置的类型和规格（电容、电压、内部电阻等）而变化。此外，即使在相同蓄电装置中，阻抗也根据充电量而变化。

因此，有必要基于不同的蓄电装置和蓄电装置的充电状态适当地使阻抗匹配。为了实现此目标，如图2所示，可以设置用于使阻抗匹配的匹配变换器。

对于此类阻抗变换器，在使阻抗匹配时，一般地，使用在整个可变范围上扫描匹配变换器的阻抗以搜索具有最大效率的阻抗的方法。此时，为了处理众多具有不同阻抗的车辆类型，有必要增大阻抗的可变范围，因此延长用于扫描阻抗的调节时间，最终可延长充电时间。

此外，当在执行充电的同时执行阻抗调节时，电力传输以低传输效率执行，直到阻抗调节完成。

然后，在第一实施例中，将描述这样一种电源系统，其中使用具有可变电感器和可变电容器的匹配变换器以减少用于阻抗匹配的时间段，从而可以提高电力传输效率。

图5是根据第一实施例的匹配变换器260的详细配置图。如图5所示，匹配变换器260包括可变电容器C1和C2以及可变电感器L。

可变电感器L1连接在电源单元250与电力发送单元220之间。可变电容器C1连接到可变电感器L的端部，该端部连接到电力发送单元220。此外，可变电容器C2连接到电感器L的端部，该端部连接到电源单元250。

可变电感器L包括具有不同电感的多个抽头，例如图5所示的三个开关抽头L1至L3。然后，可变电感器L通过选择器265在抽头之间切换以改变电感。

将参考图6和7更详细地描述在上述匹配变换器中调节阻抗的方法。

图6、图7和图10（下面描述）分别是指示用于设计阻抗匹配的复数阻抗的圆图，被称为史密斯图。史密斯图的横轴指示复数阻抗的实部，横轴的左端指示0Ω（短路），横轴的右端指示∞Ω（开路）。此外，纵轴指示复数阻抗的虚部。使用该史密斯图，一般来讲，调节电容器和电感器来获取圆心P0，即，阻抗50Ω。

在斯密斯图中，当电容器与特定负荷并联连接时，阻抗基于电容器的电容，沿着与横轴的左端（0Ω）相切的圆周（例如，图6中的圆D1、D2、D3、D4或D5）在顺时针方向（CW方向）上变化。此外，当电感器与负荷串联连接时，阻抗基于电感，沿着与横轴的右端（∞Ω）相切的圆周（例如，图6中的圆D11、D12、D13、D14或D15）在CW方向上变化。

在图5所示的匹配变换器260中，例如，假设负荷具有纯电阻50Ω（图6中的P3）。此时，根据可变电容器C1，阻抗如图6中的箭头AR12所示的那样变化。然后，通过可变电感器L，阻抗如箭头AR20所示的那样变化。而且，根据可变电容器C2，阻抗如箭头AR30所示的那样变化，并最终到达点P0。通过此方式，可变电容器C1和C2的电容以及可变电感器L的电感基于负荷的阻抗而被适当地调节，从而可以使电力发送装置200与车辆100之间的阻抗匹配。

电感随着线圈长度（匝数）的增加而增加。因此，不容易连续改变电感，一般而言，使用正如图5所示的可变电感器L中那样不连续地改变电感的方法。另一方面，可以通过相对简单的结构不连续地改变电感，这样可以有利地将电感的整个可变范围设定得很大。

与此相对，电容器能够通过改变电极之间的相对面的面积来改变其电容，因此相对容易连续地改变电容。但是，大电容电容器相对较为昂贵，当前，在高频上表现出有利特性的大电容电容器类型很少。

然后，在本实施例中，使用可变电感器L作为在电力传输之前粗略调节阻抗的致动器，并且使用电容器C1和C2作为在电力传输期间精细地动态调节变化的阻抗的致动器。

图7是示出在使用图5所示的匹配变换器的情况下根据第一实施的阻抗调节的图。在图7中，扇形区域DM1、DM2或DM3指示当可变电感器L固定在L1、L2或L3上时，使用可变电容器C1和C2使阻抗匹配的区域。换言之，当负荷（即车辆侧）的阻抗在区域DM1的范围（如图7中的范围CS1）内变化时，可变电感器L的电感被设定为L1，并且对于随着充电进度改变的变化阻抗，只有改变可变电容器C1和C2，才可以使阻抗匹配。

此外，作为另一实例，当负荷的阻抗在区域DM3的范围（如范围CS2）内变化时，可变电感器L的电感被设定为L3，从而能够在充电期间仅通过可变电容器C1和C2使变化的阻抗匹配。

通过此方式，可变电感器L在开始电力传输之前被提前调节，以便相对于车辆100上安装的蓄电装置190的充电量（即SOC）变化的阻抗变化范围仅通过可变电容器C1和C2进行调节。这样，便没必要在电力传输操作期间扫描整个阻抗调节范围，并且可以仅使用可变电容器C1和C2执行精细调节（细微调节）。通过执行此操作，可以减少阻抗调节时间，并且可以减少充电时间且提高充电效率。

需要指出，图5和图7描述了可变电感器L的开关抽头数为3的实例；但是，开关抽头数不限于此配置，可以更多或更少。当开关抽头数减少时，有必要增大可变电容器C1和C2的调节范围（图7中的扇形区域），因此很容易处理其中负荷的阻抗波动范围很大的情况；但是，有必要增加每个电容器的电容以便可变电容器C1和C2覆盖较宽的区域。

另一方面，当开关抽头数量增加时，允许可变电容器C1和C2覆盖的调节范围较小；但是，仅特定的电感无法覆盖负荷的阻抗波动范围。

因此，在考虑假设的负荷阻抗波动范围、可用电容器的电容和可变范围等的设计条件下，适当地设定开关抽头数量。

图8是示出第一实施例中的电力发送ECU240和车辆ECU300执行的供电控制处理的流程图。图8所示的流程图通过以预定的间隔执行在电力发送ECU240和车辆ECU300中预存的程序来实现。备选地，对于部分步骤，此处理可通过构建专用硬件（电子电路）来实现。

首先将描述车辆100的车辆ECU300执行的处理。现在参考图2和图8，当车辆100停在电力发送单元220上方的预定停车位置时，车辆ECU300在步骤（下文将步骤缩写为“S”）300使用通信单元160开始与电力发送装置200的通信。

然后，当ECU300在S310接收到基于用户操作等的充电开始信号TRG时，ECU300在S320将有关蓄电装置190的电池信息INFO发送到电力发送装置200。电池信息INFO包括当前的SOC、指示蓄电装置190的阻抗波动范围的信息等。需要指出，在下面将描述的电力发送ECU240中，响应于接收到的电池信息INFO执行匹配变换器260的初始调节。

之后，在S330，车辆ECU300闭合CHR170以准备蓄电装置190的充电。

在S340，当车辆ECU300从电力发送ECU240接收到匹配变换器260的调节完成标志COMP时，车辆ECU300响应于接收到的调节完成标志COMP，将电力发送开始信号STRT发送到电力发送ECU240。电力发送ECU240响应于接收到的电力发送开始信号，开始电力发送操作。

当从电力发送装置200的电力发送开始时，车辆ECU300在S350使用接收到的电力给蓄电装置190充电。

为了在电力发送装置200的匹配变换器260中动态地与充电操作进度造成的蓄电装置190的变化阻抗匹配，车辆ECU300在S350将电池信息INFO发送到电力发送ECU240。

然后，车辆ECU300在S370判定蓄电装置190是否充满电。

当蓄电装置190未充满电时（S370的结果为否），处理返回到S350并继续充电操作以给蓄电装置190充电。

当蓄电装置190被充满电时（S370的结果为是），处理继续到S380，并且车辆ECU300将电力发送停止信号STP发送到电力发送ECU240，从而停止电力发送操作。尽管图8未示出，例如，当充电被用户操作强制停止，或者当车辆100中发生任何异常时，即使当蓄电装置190未充满电，也可发送电力发送停止信号STP。

之后，响应于从电力发送装置200的电力发送停止的事实，车辆ECU300在S390断开CHR170以停止充电操作。

接下来，将描述电力发送ECU240执行的处理。现在返回参考图2和图8，响应于车辆100停在预定的停车位置的事实，电力发送ECU240在S100使用通信单元230开始与车辆100的通信。

当电力发送ECU240在S110从车辆ECU300接收电池信息INFO时，如图7所示基于从电池信息INFO中包括的信息确定的车辆100侧的阻抗和阻抗变化范围而调节可变电感器L的电感，并且在S120执行可变电容器C1和C2的初始调节，以便电力发送装置200侧的阻抗与车辆100侧的当前阻抗一致。

然后，电力发送ECU240在S130判定匹配变换器260的初始调节是否完成。

当匹配变换器260的调节未完成时（S130的结果为否），处理返回到S120，继续匹配变换器260的调节。

当匹配变换器260的调节完成时（S130的结果为是），处理继续到S140，并且电力发送ECU240将匹配变换器260的调节完成标志COMP发送到车辆ECU300。

然后，在S150，响应于已从车辆ECU300接收到电力发送开始信号STRT的事实，电力发送ECU240控制电源单元250以开始电力发送操作。

之后，在S160，电力发送ECU240在执行电力发送操作期间从车辆ECU300接收电池信息INFO。然后，电力发送ECU240基于电池信息INFO检测车辆100侧的阻抗变化，并且调节匹配变换器260的可变电容器C1和C2，以使电力发送装置200侧的阻抗与车辆100侧的阻抗一致。

电力发送ECU240在S180判定是否从车辆ECU300接收到电力发送停止信号SPT。

当未接收到电力发送停止信号SPT时（S180的结果为否），处理返回到S160，并且电力发送ECU240在调节匹配变换器260期间继续电力发送操作，直到接收到电力发送停止信号SPT。

另一方面，当接收到电力发送停止信号SPT时（S180的结果为是），处理继续到S190，并且电力发送ECU240停止电力发送操作。

通过根据上述处理执行控制，可以使用可变电感器粗略地调节匹配变换器，以便能够在执行电力传输操作之前，覆盖车辆侧的阻抗波动范围，并且可以在执行电力传输期间使用可变电容器细微地调节阻抗，以使电力发送装置侧的阻抗与车辆侧的阻抗一致。通过执行此操作，可以减少阻抗调节所需的时间，从而减少蓄电装置的充电时间并提高电力传输效率。而且，与仅使用可变电容器的阻抗调节相比，可减小可变电容器的电容和可变范围，因此可以减少匹配变换器整体的尺寸和成本。

第二实施例

当使用第一实施例中描述的方法调节匹配变换器时，例如由于用于对整流器整流的直流电压进行平滑化的电容器、装置的杂散电容等，电容性虚部可以被包括在作为负荷的车辆侧的负荷阻抗中。此时，如图9的史密斯图中的点P10所示，负荷阻抗被置于相对于史密斯图的横轴的上侧（正侧）。

此时，根据可变电感器的可变范围和可变电容器C2的可变范围，需要显著增大可变电容器C1的可变范围。

但是，如上所述，大电容的电容器非常昂贵，并且只有少数类型的大电容电容器在高频上表现出有利的特性，因此阻抗可能无法适当地在根据成本和性能选择的可用的可变电容器C1的可变范围内进行匹配。

然后，在第二实施例中，将描述包括可选择性地与可变电容器C1并联连接的附加电容器的匹配变换器的配置，即使在要求超出可变电容器C1可变范围的电容时，也可与负荷的阻抗匹配。

图10是根据第二实施例的匹配变换器260A的详细配置图。图10所示的匹配变换器260A被配置为使得电容增加部268被增加到图5所示的第一实施例中的匹配变换器260内。在图10中，不再重复描述与图5重叠的元件。

电容增加部268包括至少一个附加电容器。图10示出包括两个附加电容器C11和C12的实例；相反，可以配置为仅包括电容器C11或可以配置为包括多于两个的电容器。此外，电容增加部268中包括的电容器可以是固定电容的电容器，例如电容器C11和C12，或者可以是可变电容器，例如电容器C1和C2。需要指出，电容器C11和C12的电容基于所需的调节范围而被适当地设定，它们可以具有相同的电容，也可以具有不同的电容。

电容器C11连同串联连接的开关SW11一起与可变电容器C1并联连接。此外，电容器C12连同串联连接的开关SW12一起与可变电容器C1并联连接。

当需要超出可变电容器C1的可变范围的电容时，电力发送ECU240基于过量的电容使开关SW11和SW12选择性地在导通状态和非导通状态之间切换。

通过此方式，匹配变换器被配置为具有可选择性地连接到可变电容器的附加电容器，从而能够处理负荷阻抗更大的波动。

需要指出，在上述描述中，描述了电容器被选择性地增加到可变电容器C1中的实例，但是，当需要增大可变电容器C2的可变范围时，可为可变电容器C2设置上述电容增加部。

在本实施例中，将描述针对电力发送装置设置匹配变换器的情况；相反，可针对车辆侧（电力接收侧）设置匹配变换器。此外，在上述描述中，描述了从电力发送装置向车辆提供电力的情况；但是，即使在来自车辆蓄电装置的电力被提供给系统电源侧（正如在智能电网中那样）时，也可应用本发明的此方面以使电力发送侧的阻抗与电力接收侧的阻抗匹配。

此外，在上述描述中，描述了电力发送单元和电力接收单元包括谐振线圈和电磁感应线圈（一次线圈和二次线圈）的实例，相反，本发明的此方面也适用于被配置为电力发送单元和电力接收单元不包含任何电磁感应线圈的谐振系统。此时，在图2中，在电力发送装置200侧，一次谐振线圈221在不需要一次线圈223介入的情况下耦合到匹配变换器260，并且在车辆100侧，二次谐振线圈111在不需要二次线圈113介入的情况下耦合到整流器180。

上面描述的实施例仅作为示例，并非用于限制所有方面。本发明的范围由所附权利要求而非上面的描述限定。本发明的范围旨在包含处于所附权利要求及其等同物的范围内的所有修改。

Claims (13)

1.一种电力发送装置，用于通过电磁谐振非接触地将电力传输到电力接收装置，该电力发送装置包括：

电力发送单元，其执行与在所述电力接收装置中包括的电力接收单元的电磁谐振以传输电力；

电源单元，其向所述电力发送单元提供电力；

匹配变换器，其耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并包括调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器；以及

控制单元，其控制所述匹配变换器，其中

所述控制单元基于从所述电力接收装置发送的指示所述电力接收装置的阻抗的信号，通过在电力传输开始之前调节所述可变电感器，控制所述匹配变换器以使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

2.根据权利要求1的电力发送装置，其中

所述可变电感器在所述电力发送单元与所述电源单元之间与所述电力发送单元和所述电源单元串联连接。

3.根据权利要求1或2的电力发送装置，其中

所述可变电容器在所述电力发送单元与所述电源单元之间与所述电力发送单元和所述电源单元并联连接。

4.根据权利要求1至3中任一项的电力发送装置，其中

在电力传输期间，所述控制单元响应于所述电力接收装置的阻抗的变化而调节所述可变电容器，以控制所述匹配变换器，从而使所述电力发送装置的阻抗与所述电力接收装置的阻抗匹配。

5.根据权利要求1至4中任一项的电力发送装置，其中

所述匹配变换器具有作为所述可变电容器的第一和第二电容器，

所述可变电感器连接在所述电力发送单元与所述电源单元之间，

所述第一电容器连接到所述可变电感器的第一端部，

所述第一端部连接到所述电力发送单元，

所述第二电容器连接到所述可变电感器的第二端部，并且

所述第二端部连接到所述电源单元。

6.根据权利要求5的电力发送装置，其中

所述匹配变换器包括第三电容器，该第三电容器被设置为与所述第一电容器并联并且被配置为选择性地连接到所述第一电容器。

7.根据权利要求6的电力发送装置，其中

所述匹配变换器包括开关，该开关与所述第三电容器串联连接并且连接或断开与所述第一电容器并联连接的所述第三电容器。

8.根据权利要求1至7中任一项的电力发送装置，其中

当所述可变电感器的调节完成时，所述控制单元发送指示对所述电力接收装置的调节完成的第一信号，并且

在接收到所述第一信号之后，所述电力接收装置将指示开始电力传输的指令的第二信号输出到所述电力发送装置。

9.根据权利要求1至7中任一项的电力发送装置，其中

所述匹配变换器包括切换单元，该切换单元切换所述可变电感器的电感。

10.一种电力接收装置，用于通过电磁谐振非接触地接收从电力发送装置传输的电力，所述电力发送装置包括：电力发送单元；向所述电力发送单元提供电力的电源单元；以及匹配变换器，该匹配变换器耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并且具有用于调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器，该电力接收装置包括：

电力接收单元，其执行与所述电力发送单元的电磁谐振，以从所述电力发送装置接收电力；

蓄电装置，其被充以接收到的电力；以及

控制单元，其控制用于给所述蓄电装置充电的充电操作，其中

所述控制单元将指示所述电力接收装置的阻抗的信号输出到所述电力发送装置，并使所述电力发送装置调节所述匹配变换器，从而在从所述电力发送装置的电力传输开始之前，通过调节所述可变电感器使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

11.一种车辆，包括：

根据权利要求10的电力接收装置；以及

驱动装置，其使用来自根据权利要求10的蓄电装置的电力产生行驶驱动力。

12.一种非接触式电源系统，用于通过电磁谐振非接触地传输电力，该非接触式电源系统包括：

电力发送装置，其包括电力发送单元；

电力接收装置，其包括执行与所述电力发送单元的电磁谐振的电力接收单元；以及

控制单元，其控制从所述电力发送装置到所述电力接收装置的电力传输，其中

所述电力发送装置包括向所述电力发送单元提供电力的电源单元、以及匹配变换器，该匹配变换器耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并包括调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器，并且

所述控制单元基于从所述电力接收装置发送的指示所述电力接收装置的阻抗的信号，通过在电力传输开始之前调节所述可变电感器，控制所述匹配变换器以使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

13.一种用于非接触式电源系统的控制方法，该电源系统包括：

电力发送装置，其包括：电力发送单元；电源单元，其向所述电力发送单元提供电力；以及匹配变换器，其耦合在所述电源单元与所述电力发送单元之间并包括调节所述电力发送装置的阻抗的可变电感器和可变电容器；以及

电力接收装置，其包括电力接收单元，该电力接收单元执行与所述电力发送单元的电磁谐振，以非接触地从所述电力发送单元接收电力，所述控制方法包括：

在开始从所述电力发送装置到所述电力接收装置的电力传输之前，基于所述电力接收装置的阻抗，通过调节所述可变电感器，使所述电力发送装置的阻抗接近所述电力接收装置的阻抗。

Images