CN104205567A - 非接触电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种非接触功率传输系统，其能够优化阻抗匹配，并且能够减少传输效率的恶化。该非接触功率传输系统设置有：功率供给装置(3)，该功率供给装置(3)设置有功率供给侧线圈(7)，功率供给到该功率供给侧线圈(7)；以及受电侧线圈(9)，该受电侧线圈(9)与功率供给侧线圈(7)电磁感应耦合。非接触功率传输系统还设置有电容器(8(11))，其通过并联连接到功率供给侧线圈(7)和/或受电侧线圈(9)来组成谐振电路，并且具有变化的电容值，使得在功率供给侧线圈(7)与受电侧线圈(9)在预定的线圈间距离处互相临界耦合的情况下的谐振电路的谐振频率，与在线圈在预定的线圈间距离或小于预定的线圈间距离的距离处互相过耦合的情况下的谐振频率相一致。

Description

非接触电力传输系统
技术领域
本发明涉及非接触电力传输系统。
背景技术
图5是大致示出传统的非接触电力传输系统的构造图。非接触电力传输系统1设置有：供电单元3，该供电单元3作为馈送单元安置在诸如车辆停放空间的地的固定体2上；受电单元5，该受电单元5作为受电单元安置在汽车4的车体中；电压可变电源12，该电压可变电源12应用于供电单元3的供电侧变容器8(下文提及)的两端；控制器14，该控制器14调节并控制电压可变电源12的电压；电压可变电源15，该电压可变电源15应用于受电单元5的受电侧变容器11(下文提及)的两端；以及控制器16，该控制器16调节并控制电压可变电源15的电压。
供电单元3设置有供电侧线圈7，电力供给到该供电侧线圈7；以及供电侧变容器8，该供电侧变容器8并联连接到供电侧线圈7，如图5和6所示。变容器8是二极管，在该二极管中静电电容根据施加于该二极管两端的电压而变化。
受电单元5设置有受电侧线圈9；以及受电侧变容器11，该受电侧变容器11并联连接到受电侧线圈9。变容器11是二极管，在该二极管中静电电容根据施加于该二极管两端的电压而变化。
根据前述非接触电力传输系统1，当汽车4靠近供电单元3并且供电侧线圈7和受电侧线圈9在轴向上彼此面对时，供电侧线圈7和受电侧线圈9通过电磁感应而耦合，以从供电单元3向受电单元5以非接触的方式供电。
即，从直流电源(未示出)的直流电力转换到高频电力(频率f(MHz))的电力供给到供电侧线圈7。这是因为直流电不能在空间中传播。通过在空间中的自由传播，高频电力从供电侧线圈7传输到受电侧线圈9。传输到受电侧线圈9的高频电力通过这样的整流器(未示出)转换成直流电力。从而直流电力能够以非接触的方式从供电侧传输到受电侧。
供电侧线圈7和受电侧线圈9以相同的方式构造。线圈的两端称为端口，供电侧线圈7的两端为供电端口，受电侧线圈9的两端为受电端口。与线圈并联连接的供电侧变容器8和受电侧变容器11用于执行由线圈和电容构成的谐振电路的谐振频率调节以及在端口中的阻抗匹配。而且，可以平行地使用铁氧体，用于提高在低频的效率，但在图5的构造中未示出铁氧体。此处，作为实例，线圈的直径是60mm，构造线圈的铜线的直径是1.2mm，线圈的匝数是5匝，端口的阻抗是50Ω，将描述仿真结果，但其它值可以是有效的。
当在供电侧变容器8和受电侧变容器11的电容Cp是固定的情况下，供电侧线圈7和受电侧线圈9之间的距离是变化的时，图7A示出了频率对传输效率的特性，并且图7B示出频率对反射的特性。在图7A的频率对传输效率特性中，特性曲线A至F分别示出在距离d为2mm、4mm、6mm、8mm、12mm和16mm的情况下的传输效率的特性d2_(S21)2、d4_(S21)2、d6_(S21)2、d8_(S21)2、d12_(S21)2和d16_(S21)2。在图7B的频率对反射特性中，特性曲线A至F也分别示出了在距离d为2mm、4mm、6mm、8mm、12mm和16mm的情况下的反射特性d2_(S11)2、d4_(S11)2、d6_(S11)2、d8_(S11)2、d12_(S11)2和d16_(S11)2。
在图7A和7B中，当供电侧线圈7与受电侧线圈9之间的线圈间距离d达到供电侧线圈7与受电侧线圈9临界耦合的预定值时，优化了阻抗匹配以最大化传输效率并且最小化反射损失(参见特性曲线B)。当线圈间距离d增加超过预定值，使得变成松散耦合时，不能实现阻抗匹配，从而反射损失变大(特性曲线C-F)。而且，当线圈间距离d变得太窄使得变为过耦合时，谐振频率变得分为两个，并且带宽变窄，但是在两个谐振频率中传输效率和反射损失变得与临界耦合的大致相同(特性曲线A)。
在该实例中，Cp固定为1500pF(谐振频率＝2.8MHz)，但是在该值处，在d＝4mm处(预定值)获得(没有反射)最优阻抗匹配，并且在d＝4mm处获得最大传输效率(临界耦合)。然而，在d＞4mm处，无法实现阻抗匹配，并且反射损失变得增加，这引起传输效率的下降。不利地，在d＜4mm或者d＝2mm的情况下，例如，发生过耦合，并且谐振频率分为两个，其带宽变窄。从而，当固定Cp时，在距离变化的情况下，在传统领域中引起了传输效率的下降。
引用列表
专利文献
专利文献1：日本专利申请No.2010-259204
发明内容
技术问题
因此，本发明目的在于提供一种非接触电力传输系统，其使得能够优化阻抗匹配并减少传输效率的降低。
解决问题的方案
根据用于解决前述问题的一个方面的本发明涉及一种非接触电力传输系统，包括供电单元3，该供电单元3设置有供电侧线圈7，电力供给到所述供电侧线圈7；受电单元5，该受电单元5设置有受电侧线圈9，所述受电侧线圈9与所述供电侧线圈7电磁耦合；以及电容器8(11)，该电容器与所述供电侧线圈7和所述受电侧线圈9中的至少一个线圈并联连接，以构成谐振电路，该电容器的电容是变化的，使得当所述供电侧线圈7与所述受电侧线圈9以在所述供电侧线圈7与所述受电侧线圈9之间的预定线圈间距离进行临界耦合时的所述谐振电路的谐振频率，与当所述供电侧线圈7与所述受电侧线圈9以短于所述线圈间距离的距离进行过耦合时的所述谐振电路的谐振频率是一致的。
优选地，所述电容器8(11)的所述电容是变化的，使得当所述供电侧线圈7与所述受电侧线圈9以在所述供电侧线圈7与所述受电侧线圈9之间的预定线圈间距离进行临界耦合时的所述谐振电路的谐振频率，与当所述供电侧线圈7与所述受电侧线圈9以比所述线圈间距离短的距离进行过耦合以包括两个所述谐振频率时的两个所述谐振频率中的较低的谐振频率相一致。
优选地，所述的非接触电力传输系统还包括：距离测量单元13，该距离测量单元13测量所述供电侧线圈7与所述受电侧线圈9之间的所述线圈间距离；以及调节单元14(16)，该调节单元根据由所述距离测量单元13测量的所述线圈间距离来调节所述电容器8(11)的所述电容。
说明书中的用于解决前述问题的装置的参考标号在下文中对应于在实施例的说明中的要素的参考标号，用于减少本发明的要素以实施，但不意在限制要求的范围。
发明的有益效果
根据一个方面的本发明，由于设置了与供电侧线圈和受电侧线圈中的至少一个并联连接的电容器以构成谐振电路，并且电容器的电容是变化的，使得当供电侧线圈与所述受电侧线圈在供电侧线圈与受电侧线圈之间的预定线圈间距离进行临界耦合时谐振电路的谐振频率，与当供电侧线圈与受电侧线圈以短于线圈间距离的距离进行过耦合时所述谐振电路的谐振频率是一致的，即使供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离是变化的，据此改变电容器的电容使得能够优化阻抗匹配并且减缓了传输效率的降低。
根据本发明，由于电容变化，使得当供电侧线圈与所述受电侧线圈在预定线圈间距离进行临界耦合时谐振电路的谐振频率，与当供电侧线圈与受电侧线圈以比线圈间距离短的距离进行过耦合以包括两个谐振频率时的两个谐振频率中的较低的谐振频率是一致的，即使供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离是变化的，据此改变电容器的电容使得能够优化阻抗匹配和减缓了传输效率的降低。
根据本发明，由于距离测量单元测量供电侧线圈与所述受电侧线圈之间的线圈间距离，并且调节单元根据由距离测量单元测量的线圈间距离来调节电容器的电容，即使供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离是变化的，也能够调节电容，使得据此自动优化阻抗匹配以减缓传输效率的降低。
附图说明
图1是示出根据本发明的非接触电力传输系统的一个实施例的构造图；
图2A是示出在根据本发明的非接触电力传输系统中在1MHz的谐振频率中，当在供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离d变化时的传输特性的频率对传输效率的特性图；
图2B是示出在根据本发明的非接触电力传输系统中在1MHz的谐振频率中，当在供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离d变化时的传输特性的频率对反射的特性图；
图3A是示出在根据本发明的非接触电力传输系统中在1.8MHz的谐振频率中，当在供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离d变化时的传输特性的频率对传输效率的特性图；
图3B是示出在根据本发明的非接触电力传输系统中在1.8MHz的谐振频率中，当在供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离d变化时的传输特性的频率对传输效率的特性图；
图4是在传统技术和实施例中的传输距离d(线圈间距离)对传输效率的特性图；
图5是示出传统的非接触电力传输系统的一个实施例的大致构造的构造图；
图6是示出在图5的非接触电力传输系统中的供电单元与受电单元的构造的构造图；
图7A是示出在图5的非接触电力传输系统中当供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离d变化时的传输特性的频率对传输效率特性图；以及
图7B是示出在图5的非接触电力传输系统中当供电侧线圈与受电侧线圈之间的距离d变化时的频率对反射特性图。
参考标记列表
3   供电单元(供电装置)
5   受电单元(受电装置)
7   供电侧线圈
8   供电侧变容器(电容器)
9   受电侧线圈
11  受电侧变容器(电容器)
12  电压可变电源(调节装置的一部分)
13  距离测量单元(距离测量装置)
14  控制器(调节装置的一部分)
15  电压可变电源(调节装置的一部分)
16  控制器(调节装置的一部分)
具体实施方式
后文将通过参考附图描述本发明的非接触电力传输系统。图1是示出根据本发明的非接触电力传输系统的一个实施例的构造图。注意用同样的附图标号标注与图5示出的传统实例相同的要素。
非接触电力传输系统1设置有：供电单元3，该供电单元3作为供电单元安置在这样的固定体2上；受电单元5，该受电单元5作为受电单元安置在作为移动体的汽车4的车体(车底)中；电压可变电源12；距离测量单元13；控制器14；电压可变电源15；以及控制器16。
供电单元3设置有供电侧线圈7和供电侧变容器8，如图5和6所示。供电侧变容器8是二极管，该二极管的电容根据从电压可变电源12施加到该二极管的两端的电压而变化。
受电单元5设置有受电侧线圈9和受电侧变容器11，该受电侧变容器11并联连接到受电侧线圈9。受电侧变容器11是二极管，该二极管的静电电容根据从电压可变电源15施加到该二极管两端的电压而变化。
以距离测量单元13为例，使用诸如红外距离传感器或UWB(超宽带)定位传感器的红外型号或无线信号来的电测量单元，该电测量单元从获得的供电侧线圈7与受电侧线圈9之间的线圈间距离d的测量距离来测量从固定提2到汽车4的距离。线圈间距离d可以以这样的方式变化：距离从在没有乘客或者载物的汽车4的距离(对应于权利要求中的“预定的线圈间距离”)开始根据乘客的数量或者载物量的变化而变短。
控制器14例如由CPU构成，该CPU用作控制电压可变电源12的测量装置，使得根据通过距离测量单元13测量的线圈间距离d的电压施加到供电侧变容器8。
然后，在描述前述非接触电力传输系统1的操作之前，描述本发明的基本原理。
基本原理如下：如图7所示的前述传统技术，在线圈间距离d变化的情况下，当线圈间距离d增加从而松散耦合时，不能够实现阻抗匹配，从而增加了反射损失。然而，当线圈间距离d变窄从而过耦合时，谐振频率变得分成两个并且带宽变窄，而反射损失在两个谐振频率中显著降低。然后，当调节Cp时，将谐振频率调节为使得在预定的线圈间距离处实现临界耦合，并且当距离变得短于预定线圈间距离时，利用过耦合调节谐振频率，使得调节成实现与临界耦合相同的谐振频率。
在以上原理的基础上，当供电侧线圈7与受电侧线圈9之间的距离在将要传输的1MHz的高频电力的频率(供电单元3和受电单元5的谐振频率)处变化时，在图2A、2B中示出了传输特性。图2A示出了频率对传输效率的特性，图2B示出了频率对反射的特性。在图2A的频率对传输效率特性中特性曲线A至F分别示出在d＝2mm、4mm、6mm、8mm、12mm、16mm处的传输效率d2_(S21)2、d4_(S21)2、d6_(S21)2d8_(S21)2、d12_(S21)2、d16_(S21)2。在图2B的频率对反射特性中，特性曲线A至F分别示出了在d＝2mm、4mm、6mm、8mm、12mm、16mm处的反射特性d2_(S21)2、d4_(S21)2d6_(S21)2、d8_(S21)2、d12_(S21)2、d16_(S21)2。
如图2A、2B所示，在d＝16mm的情况下，在谐振频率f0＝1MHz处供电侧线圈7与受电侧线圈9临界地耦合。相反，在距离d小于16mm(2mm、4mm、6mm、8mm、12mm)的情况下，供电侧线圈7与受电侧线圈9以两个谐振频率(f1，f2(f1＜f2))过耦合，并且两个谐振频率中较低的谐振频率f1与在d＝16mm的情况下的临界耦合的谐振频率f0(1MHz)相一致。结果，在d＝2mm到16mm的宽度范围内传输效率达到超过95％并且谐振频率f0固定至在d＝16mm处获得的频率(1MHz)。
描述本发明的具体设计流程，首先，设定供电侧线圈7与受电侧线圈9之间的最大距离d_max(在图2A、2B中，d_max＝16mm)。d_max对应于在权利要求中的“预定线圈间距离”。获得在该d_max(图2A、2B的情况下f0＝1MHz)处的临界耦合的谐振频率f0。在d＜d_max(过耦合)时调节供电侧变容器8和受电侧变容器11的电容Cp，使得在两个谐振频率中的较低频率f1与在临界耦合的情况下的谐振频率f0相一致。为了与在根据线圈间距离d变化的过耦合中的谐振频率f1相一致，供电侧变容器8和受电侧变容器11如图表1所示。
[图表1]
距离d 变电容电容
2mm 7400pF
4mm 8300pF
6mm 8500pF
8mm 9000pF
12mm 10000pF
16mm 12000pF
类似地，在图3中示出d_max＝8mm的情况下的设计结果。结果，在d＝2mm至8mm的范围内，在临界耦合的情况下谐振频率f0＝1.8MHz，获得了最大传输效率。在d_max＝8mm的临界耦合的情况下，谐振频率f0变成1.8MHz，并且因此供电侧变容器8和受电侧变容器11的电容Cp如图表2所示，这用来在d＝8mm的临界耦合的情况下调节至谐振频率f0＝1.8MHz。
[图表2]
距离d 变电容电容
2mm 2400pF
4mm 2700pF
6mm 3300pF
8mm 3900pF
然后，描述前述电力馈送系统1的操作。首先，控制器14输入由距离测量单元13获得线圈间距离d。例如，控制器14具有预先存储在未示出的存储器中的表，该表示出线圈间距离d与供电侧变容器8的电容Cp之间的关系，如图1和2所示。控制器14从表中读取与输入的线圈间距离d相对应的供电侧变容器8的电容Cp，并且控制电压可变电源12，使得供电侧变容器8的电容变为所述读取值。
此外，在高频电力的传输时，控制器14利用高频将由通过距离测量单元13获得的线圈间距离d的信息调制的AM、FM、PM或者ASK、FSK或PSK的调制信号多重化(multiply)，并将作为多重化信号的高频电力信号从供电单元3传输到受电单元5。控制器16将来自在受电单元5处接收的多重化的高频电力信号的调制信号解调，并且输入线圈间距离d的信息。控制器16具有在未示出的存储器中存储的表，该表示出了线圈间距离d与受电侧变容器11的电容Cp之间的关系。控制器16从表中读取与输入的线圈间距离d相对应的受电侧变容器11的电容Cp，并且控制电压可变电源15，使得受电侧变容器11的电容变成所述读取值。
由于上述控制，即使供电侧线圈7与受电侧线圈9之间的距离在预定的线圈间距离以下变化，也使得在由供电侧线圈7和供电侧变容器8构成的谐振电路与由受电侧线圈9和受电侧变容器11构成的谐振电路的过耦合时的谐振频率f1，与以预定距离在临界耦合时的谐振频率f0相一致，优化了阻抗匹配，这保持了临界耦合时的传输效率的值。
根据前述供电系统1，供电侧变容器8和受电侧变容器11分别并联连接到供电侧线圈7和受电侧线圈9，其中电容Cp是可变的。由于供电侧变容器8和受电侧变容器11的电容Cp的变化改变了传输效率，供电侧变容器8和受电侧变容器11的电容Cp根据供电侧线圈7与受电侧线圈9之间的线圈间距离d的变化而变化使得电力能够以非接触的方式高效地供给，即使供电侧线圈7与受电侧线圈9之间的线圈间距离d变化。
图4是在由传输距离d(线圈间距离)为水平轴并且传输效率为纵轴定义的图中，比较前述的本发明与传统技术的特性图。在传统技术在d＝4mm处实现最大传输效率的同时，在除该距离之外的位置传输效率下降。根据本发明，通过控制使得用于传输距离(线圈间距离)d的变化的过耦合时的谐振频率f1与在预定线圈距离处的临界耦合时的f＝1MHz相一致，在传输效率不变化的情况下保持高的传输效率。
由于使用变容器电气地实现了电容器的电容Cp的变化，与有益的控制系统的组合也使得能够对根据本发明的线圈间距离的变化的实时跟踪。本发明的范围在于通过电容器的电容的变化对于线圈间距离的偏差的测量，但不仅是通过变容器，而且通过诸如可变电容器(condensor)、或者从平行布置的多个电容有选择地切换的机械可变电容器来获取的。
在本发明中，使用这样的反馈控制使得由乘客或者载物的数量引起的线圈间距离的精细变化的精细响应。
如上所述，虽然描述了本发明的实施例，然而本发明不限于此，而是虑及了各种修改和应用。只要仍然包括本发明的主旨，变化或应用就在本发明的范围内。
例如，虽然在前述实施例中由距离测量单元13测量的线圈间距离d的数据传输到汽车4侧，然而本发明不限于此。例如，可以传输根据前述线圈间距离d的供电侧变容器8的电容C的数据。
而且，虽然在前述实施例中，在传输电力时距离数据乘以高频电力信号，代替以上所述，利用除了用于电力传输的频率之外的频率的通信允许距离数据的通信。
虽然在前述实施例中，供电侧变容器8和受电侧变容器11分别并联连接到供电侧线圈7和受电侧线圈9，本发明不限于此。例如，去除受电侧变容器11，只在供电侧线圈7处安置供电侧变容器8，可以只调节供电侧变容器8的电容。并且，去除供电侧变容器8，只在受电侧线圈9处安置受电侧变容器11，可以调节受电侧变容器11的电容。
而且，作为其它实施例，可以控制在每个端口的目标频率的监控反射损失、电容器的电容，使得最小化反射损失。

Claims (3)

1.一种非接触电力传输系统，包括：
供电单元，该供电单元设置有供电侧线圈，电力供给到所述供电侧线圈；
受电单元，该受电单元设置有受电侧线圈，所述受电侧线圈与所述供电侧线圈电磁耦合；以及
电容器，该电容器与所述供电侧线圈和所述受电侧线圈中的至少一个线圈并联连接，从而构成谐振电路，该电容器的电容是变化的，使得当所述供电侧线圈与所述受电侧线圈以在所述供电侧线圈与所述受电侧线圈之间的预定的线圈间距离进行临界耦合时的所述谐振电路的谐振频率，与当所述供电侧线圈与所述受电侧线圈以比所述线圈间距离短的距离进行过耦合时的所述谐振电路的谐振频率相一致。
2.根据权利要求1所述的非接触电力传输系统，
其中，所述电容器的所述电容是变化的，使得当所述供电侧线圈与所述受电侧线圈以在所述供电侧线圈与所述受电侧线圈之间的预定的所述线圈间距离进行临界耦合时的所述谐振电路的谐振频率，与当所述供电侧线圈与所述受电侧线圈以比所述线圈间距离短的距离进行过耦合从而包括两个谐振频率时的所述两个谐振频率中的较低的谐振频率相一致。
3.根据权利要求1或2所述的非接触电力传输系统，还包括：
距离测量单元，该距离测量单元测量所述供电侧线圈与所述受电侧线圈之间的所述线圈间距离；以及
调节单元，该调节单元根据由所述距离测量单元测量的所述线圈距离来调节所述电容器的所述电容。
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