CN105052008A - 供电装置以及非接触供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明的非接触供电装置以及非接触供电系统具有：整流电路(1)，其应与商用电源连接；变换部，其与所述整流电路(1)连接；共振电路(8)，其与所述变换部连接，并以非接触方式向受电装置(R)传输电力；通信部(11)，其从所述受电装置(R)取得与被供给电力的负载的电力供给相关的信息；以及控制部，其与所述通信部(11)和所述变换部连接，并根据所述信息对所述变换部进行控制，以使所述负载的电力供给阻抗的值在预定范围内。

Description

供电装置以及非接触供电系统

技术领域

本发明涉及一种供电装置以及非接触供电系统。

本申请根据2013年3月18日在日本申请的日本特愿2013-055046号主张优先权，并在此引用其内容。

背景技术

作为利用2个线圈的磁耦合非接触地传输电力的方式，已知电磁感应方式和磁场共振方式。电磁感应方式通过供电侧线圈与受电侧线圈的电磁感应来非接触传输电力。另一方面，磁场共振方式通过在供电侧线圈上安装电容器来构成供电侧共振器，并且在受电侧线圈上也安装电容器来构成受电侧共振器，在这2个共振器之间传输电力。例如在下述的专利文献1中公开了一种利用这样的磁场共振方式的供电装置、受电装置以及无线供电系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011－147271号公报

发明内容

发明要解决的问题

所述磁场共振方式与电磁感应方式相比，具有电力传输效率高且能够进行长距离传输等高性能，但不仅需要实现电力传输效率，还需要实现系统整体的电力效率的高效率化。尤其在向电动汽车的非接触供电等，从供电装置向受电装置非接触供给较大电力的系统(非接触供电系统)中，要处理的电力较大，因此实现供电装置和受电装置的整体电力效率的提高是不可欠缺的。

用于解决问题的手段

本发明的非接触供电装置具有：整流电路，其应与商用电源连接；变换部，其与所述整流电路连接；共振电路，其与所述变换部连接，并以非接触方式向受电装置传输电力；通信部，其从所述受电装置取得与被供给电力的负载的电力供给相关的信息；以及控制部，其与所述通信部和所述变换部连接，并根据所述信息对所述变换部进行控制，以使所述负载的电力供给阻抗的值在预定范围内。在本发明的非接触供电装置中，供电装置如上所述地控制负载的电力供给阻抗，由此提高供电装置和受电装置的整体的电力效率。

发明效果

根据本发明，能够高效地进行向受电装置中的负载的电力供给，由此能够提高非接触供电系统的整体的电力效率。

此外，根据本发明，供电装置调整向受电装置中的负载的电力供给，因此不需要在受电装置中设置用于调整向负载供给的电力的功能部，例如负载为电池(二次电池)时的充电电路，由此也能够提高非接触供电系统的整体的电力效率。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式的供电装置和非接触供电系统的功能结构的框图。

图2是表示本发明的一实施方式的供电装置和非接触供电系统的动作的第1特性图。

图3是表示本发明的变形例的供电装置和非接触供电系统的动作的第2特性图。

图4是表示本发明的变形例的供电装置和非接触供电系统的动作的第3特性图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的一实施方式进行说明。

如图1所示，本实施方式的非接触供电系统由供电装置S和受电装置R构成。此外，如图所示，供电装置S由整流电路1、斩波电路2、逆变电路3、共振电路4、通信部5、阻抗运算部6以及开关控制部7构成。另外，阻抗运算部6和开关控制部7构成控制部。如后所述，也可以不具备阻抗运算部6。此时，在受电装置侧进行需要的运算。另一方面，受电装置R由共振电路8、整流电路9、测量部10以及通信部11构成。

供电装置S是被固定配置在设置于地面上的供电设施上，并向移动体非接触地供给交流电力的装置，向电池B(负载)供给直流电力。所述供电设施是设有一个或多个移动体的停车位的设施，并具备与停车位的数量相当的供电装置S。另一方面，受电装置R是被配置在所述移动体上，将从供电装置S供给的交流电力变换成直流电力后蓄电的装置。另外，所述移动体例如是电动汽车或混合动力汽车等，需要从外部受电的车辆。

所述供电装置S中的整流电路1例如是二极管桥，对从外部的商用电源供给的商用电力(例如，单相100伏特，50Hz)进行全波整流后输出给斩波电路2。从该整流电路1向斩波电路2供给的电力(全波整流电力)是正弦波状的商用电力在零交叉点折返的单极性(例如，正极性)的脉动电流。

斩波电路2通过开关控制部7控制开关动作，由此对自身的输出电压进行调整后输出给逆变电路3。斩波电路2的输出是通过斩波电路2内的电感器(扼流圈)和滤波电容器的功能，使脉动电流即全波整流电力被充分滤波而得的直流电力。

即，该斩波电路2向逆变电路3输出按如下方式进行调整后的电压，即将从受电装置R的整流电路9向电池B(负载)供给直流电力时的电力供给阻抗Zout(＝负载阻抗)调整成根据下限值Zmin和上限值Zmax规定的一定范围的容许阻抗Zr内。所述容许阻抗Zr是为使从整流电路9向电池B的供电效率(充电效率)成为良好而预先设定的阻抗，例如是20～45Ω。

此外，该斩波电路2通过开关控制部7控制开关动作，由此也作为功率因数改善电路(PFC)发挥功能。即，斩波电路2以全波整流电力的零交叉点为基准，用比全波整流电力的频率充分高的频率来对全波整流电力进行开关，由此加宽全波整流电力的电流的流通期间来改善功率因数。一般，斩波电路作为功率因数改善电路发挥功能是众所周知的，因此，在此省略对斩波电路2的功率因数改善原理的详细的说明。

逆变电路3通过开关控制部7控制开关动作，由此将从所述斩波电路2供给的直流电力变换成预定频率(传输频率f)的交流电力后输出给共振电路4。所述传输频率f通过该非接触供电系统的设计时的事前研究，预先取得使共振电路4与共振电路8之间的电力传输的效率(传输效率)良好的值。或者，也可以变更频率f，以便成为所需的传输效率。

共振电路4是连接供电线圈与供电电容器而得的共振电路。在所述供电线圈和供电电容器中，将供电线圈设置在与停放在所述停车位上的移动体的预定位置(设有受电线圈的位置)相对的位置上。此外，将该共振电路4的共振频率设定成与所述逆变电路3的传输频率f接近的频率。

通信部5与受电装置R的通信部11进行近距离无线通信，由此从通信部11取得充电信息。该充电信息是表示从整流电路9向负载，例如作为一例向电池B供给的直流电力的电力供给状态的信息(与向负载的电力供给相关的信息)，作为具体例是与负载相关的电压以及电流。负载为电池时，信息例如是供给电压(充电电压Vj)和供给电流(充电电流Ij)。可以根据负载的类型采用各种信息，信息的解释并不局限于这些例子。这样的通信部5向控制部输出从通信部11取得的信息。具体而言，向包含在控制部内的阻抗运算部6进行输出。另外，通信部5与通信部11的通信方式是ZigBee(注册商标)或蓝牙(注册商标)等近距离无线通信或使用光信号的近距离光通信。

为了易于理解，以负载为电池的一例进行说明时，阻抗运算部6根据从所述通信部5输入的充电电压Vj和充电电流Ij来运算所述电力供给阻抗Zout(＝负载阻抗)，并将运算结果输出给开关控制部7。即，阻抗运算部6将充电电压Vj除以充电电流Ij来取得电力供给阻抗Zout(＝负载阻抗)，并将电力供给阻抗Zout输出给开关控制部7。

开关控制部7根据从整流电路1输入的全波整流电力或从阻抗运算部6输入的电力供给阻抗Zout来控制所述斩波电路2和逆变电路3。即，开关控制部7根据全波整流电力来生成全波整流电力的重复频率(商用电力为50Hz时是加倍的100Hz)的整数倍，且与全波整流电力的零交叉点相位同步的开关信号(斩波电路用脉冲信号)后输出给斩波电路2，由此使斩波电路2作为功率因数改善电路发挥功能。

此外，开关控制部7以电力供给阻抗Zout在所述的容许阻抗Zr内的方式设定所述斩波电路用脉冲信号的占空比，由此调整占空比，并调整斩波电路2的输出电压。该开关控制部7例如取得电力供给阻抗Zout与容许阻抗Zr的差值，并根据差值来设定斩波电路用脉冲信号的占空比。另外，已知通过调整开关信号的占空比，能够变更斩波电路的输出电压。

并且，开关控制部7设定并调整占空比或/和各相的相位差，以使电力供给阻抗Zout在上述的容许阻抗Zr内。然后，开关控制部7生成调整了占空比或/和各相的相位差的开关信号(逆变器用脉冲信号)并输出给逆变电路3，由此调整逆变电路3的输出电压。

例如，开关控制部7取得电力供给阻抗Zout与容许阻抗Zr的差值，并根据差值设定逆变器用脉冲信号的占空比或/和各相的相位差。另外，已知通过调整开关信号的占空比或各相的相位差，可以改变逆变电路的输出电压。另外，所述阻抗运算部6和开关控制部7构成本实施方式的控制部。

另一方面，受电装置R中的共振电路8是连接受电线圈与受电电容器而得的共振电路。所述受电线圈被设置在移动体的底部或侧部、上部等，当移动体停放在停车位上时，与供电装置S的供电线圈接近地相对。

这样共振电路8，受电线圈与共振电路4的供电线圈接近相对而进行磁耦合。其结果，共振电路8从共振电路4非接触地接受通过逆变电路3向供电线圈供给的交流电力和供电线圈与受电线圈的耦合系数所对应的交流电力后输出给整流电路9。即，将该非接触供电系统构成为依据磁场共振方式的非接触供电系统。

整流电路9例如由二极管桥、电抗器以及滤波电容器构成，对从所述共振电路8供给的交流电力(受电电力)进行全波整流且滤波后输出给电池B。从该整流电路9向电池B供给的电力是将由二极管桥全波整流后的全波整流电力通过电抗器和滤波电容器进行滤波后的直流电力。

测量部10测量表示从整流电路9向电池B的电力供给状态的电量即充电电压Vj和充电电流Ij，并作为充电信息输出给通信部11。通信部11将所述充电信息无线发送给供电装置S的通信部5。即，该通信部11是与通信部5之间进行近距离无线通信的部件，与通信部5同样地进行ZigBee(注册商标)或蓝牙(注册商标)等电波通信或使用光信号的光通信。

作为负载的一例的电池B是锂离子电池等二次电池，充电并积蓄从所述整流电路9供给的直流电力。未进行图示，但该电池B与用于驱动移动体的行驶用电动机的逆变器(行驶用逆变器)或/和用于控制移动体的行驶的控制设备连接，并向这些行驶用逆变器或控制设备供给驱动电力。

接着，参照图2～图4，对如上所述地构成的供电装置和非接触供电系统的动作进行详细的说明。

当移动体进入停车位时，该非接触供电系统开始针对移动体的供电。例如，供电装置S的通信部5以一定周期连续发送通信请求信号。另一方面，当移动体进入停车位时，受电装置R的通信部11能够接收所述通信请求信号，因此针对通信请求信号向通信部5发送应答信号。然后，通信部5在接收该应答信号时，经由阻抗运算部6向开关控制部7通知应答信号的接收。其结果，开关控制部7判断(识别)为移动体进入了可供电的区域内。

然后，开关控制部7在判断为移动体进入了可供电的区域内时，通信部5将与向负载的电力供给相关的信息，例如充电信息的发送请求发送给通信部11，通信部5取得充电电压Vj和充电电流Ij。即，通信部11在接收所述发送请求时，从测量部10取得充电电压Vj和充电电流Ij后发送给通信部5。然后，通信部5将从通信部11接收到的充电电压Vj和充电电流Ij提供给阻抗运算部6。然后，阻抗运算部6将充电电压Vj除以充电电流Ij来算出电力供给阻抗Zout后输出给开关控制部7。

然后，从供电装置S向受电装置R供给电力时，开关控制部7开始斩波电路用脉冲信号和逆变器用脉冲信号的生成，由此开始从供电线圈向受电线圈的电力传输。即，开关控制部7检测从整流电路1输入的全波整流电力的零交叉点，并且输出根据零交叉点或斩波电路2内的电抗器(扼流圈)的电感值设定的重复频率，或以使斩波电路2的输出电压成为所需的值的方式设定的占空比的斩波电路用脉冲信号。

然后，开关控制部7根据所述零交叉点和全波整流电力的重复频率，将斩波电路用脉冲信号的重复频率设定成全波整流电力的重复频率的整数倍(例如100倍)，并且使斩波电路用脉冲信号的相位与全波整流电力的零交叉点同步。

并且，开关控制部7设定所述斩波电路用脉冲信号的占空比，以使从阻抗运算部6输入的电力供给阻抗Zout成为容许阻抗Zr内。由此，开关控制部7调整占空比，并调整斩波电路2的输出电压。

即，开关控制部7，在作为斩波电路用脉冲信号的属性值的重复频率、相位以及占空比中，设定斩波电路用脉冲信号的相位，以使斩波电路2作为功率因数改善电路发挥功能，并设定斩波电路用脉冲信号的占空比，以使整流电路9的电力供给阻抗Zout成为容许阻抗Zr内。也就是说，本实施方式的斩波电路2作为功率因数改善电路发挥功能，并且也作为使整流电路9的电力供给阻抗Zout成为容许阻抗Zr内的阻抗调整器发挥功能。

并且，开关控制部7，在作为逆变电路脉冲信号的属性值的重复频率、相位以及占空比中设定逆变电路脉冲信号的占空比和/或各相的相位差，以使电力供给阻抗Zout成为容许阻抗Zr内。由此，开关控制部7调整占空比和/或各相的相位差，并调整逆变电路3的输出电压。也就是说，本实施方式的逆变电路3作为使整流电路9的电力供给阻抗Zout成为容许阻抗Zr内的阻抗调整器发挥功能。

开关控制部7在通过如上所述地生成斩波电路用脉冲信号和逆变器用脉冲信号来开始从供电线圈(供电装置S)向受电线圈(受电装置R)的非接触电力传输时，对通信部5以预定的时间间隔输出与向负载的电力供给相关的信息(充电信息(充电电压Vj和充电电流Ij))的取得请求。然后，通信部5从通信部11以预定的时间间隔接收与向负载的电力供给相关的信息(充电信息(充电电压Vj和充电电流Ij))，并依次输出给阻抗运算部6。其结果，从阻抗运算部6依次向开关控制部7输入电力供给阻抗Zout。

然后，开关控制部7根据从阻抗运算部6时时刻刻依次输入的电力供给阻抗Zout，依次设定斩波电路用脉冲信号的占空比、逆变电路脉冲信号的占空比以及各相的相位差。其结果，负载为电池时，电力供给阻抗Zout在从SOC(StateOfCharge：充电率)较低的电池B的供电开始至SOC较高的供电结束为止的充电期间成为容许阻抗Zr内，由此在充电期间可进行高效率的充电。

图2是对将这样的电力供给阻抗Zou设成容许阻抗Zr内的控制(电力供给阻抗控制)组合了功率恒定控制时的动作图，并表示充电期间的充电电压Vj、充电电流Ij、充电功率Pj以及电力供给阻抗Zout的时间变化，其中，功率恒定控制是在从充电开始至充电结束为止的期间，从整流电路9依次向电池B供给恒定功率的控制。

在该特性图中，期间T1是电力供给阻抗控制优先于功率恒定控制发挥功能，由此使电力供给阻抗Zout与容许阻抗Zr的下限值Zmin一致的控制期间。即，在该期间T1，充电电压Vj因电池B的SOC较小而较小，对充电电流Ij进行调整，以使电力供给阻抗Zout不低于下限值Zmin。

期间T2是功率恒定控制和电力供给阻抗控制双方发挥功能，由此充电功率Pj维持目标功率P0，并且，电力供给阻抗Zout从下限值Zmin朝着上限值Zmax变化的控制期间。在期间T2，电池B的SOC上升某种程度，对充电电流Ij进行调整，以使电力供给阻抗Zout从下限值Zmin朝着上限值Zmax变化，并且使充电功率Pj维持目标功率P0。

期间T3是电力供给阻抗控制优先于功率恒定控制发挥功能，由此使电力供给阻抗Zout与上限值Zmax一致的控制期间。即，在该期间T3，充电电压Vj因电池B的SOC变得较大而较大，对充电电流Ij进行调整，以使电力供给阻抗Zout不超过上限值Zmax。

另一方面，图3是对电力供给阻抗控制组合了电流恒定控制时的动作图，并表示充电期间的充电电压Vj、充电电流Ij、充电功率Pj以及电力供给阻抗Zout的时间变化，其中，电流恒定控制是在从充电开始至充电结束为止的期间，从整流电路9依次向电池B供给恒定电流的控制。

在该特性图中，期间T4是电力供给阻抗控制优先于电流恒定控制发挥功能，由此使电力供给阻抗Zout与下限值Zmin一致的控制期间。即，在该期间T4，充电电压Vj因电池B的SOC较小而较小，对充电电流Ij进行调整，以使电力供给阻抗Zout不低于下限值Zmin。

期间T5是电流恒定控制和电力供给阻抗控制双方发挥功能，由此充电电流Ij维持目标电流I0，并且电力供给阻抗Zout从下限值Zmin朝着上限值Zmax变化的控制期间。在该期间T5，电池B的SOC上升某种程度，使充电电流Ij维持目标电流I0，由此电力供给阻抗Zout从下限值Zmin朝着上限值Zmax变化。

期间T6是电力供给阻抗控制优先于电流恒定控制发挥功能，由此使电力供给阻抗Zout与上限值Zmax一致的控制期间。即，在该期间T6，充电电压Vj因电池B的SOC变得较大而较大，对充电电流Ij进行调整，以使电力供给阻抗Zout不超过上限值Zmax。

根据这样的本实施方式，在电池B的充电期间以电力供给阻抗Zout成为容许阻抗Zr内的方式进行控制，因此能够最小化由充电期间的整流电路9引起的电池B的充电中的电力损失，因此，能够比以往提高非接触供电系统的整体的电力效率。

此外，根据本实施方式，不需要在受电装置R中设置用于调整向电池B的充电电流的充电电路，由此也能够比以往提高非接触供电系统的整体的电力效率。

另外，本发明并不局限于上述实施方式，例如考虑以下的变形例。

(1)在上述实施方式中，对供电装置S将由充电电压Vj和充电电流Ij构成的充电信息作为用于表示电力供给状态的信息来取得的情况进行了说明，但本发明并不局限于此。例如，也可以使测量部10具备与阻抗运算部6同样的运算功能，并将由测量部10计算出的电力供给阻抗Zout从通信部11发送给通信部5。

(2)在上述实施方式中，将容许阻抗Zr设为根据下限值Zmin和上限値Zmax规定的一定范围的值，但本发明并不局限于此。也可以将容许阻抗Zr设为没有数值幅度的一定值。图4是表示该情况的充电电压Vj、充电电流Ij、充电功率Pj以及电力供给阻抗Zout的时间变化的特性图。即，在该情况下，容许阻抗Zr维持没有容许幅度的一定值，因此不能将功率恒定控制或电流恒定控制与电力供给阻抗控制组合，随着电池B的SOC上升引起的充电电压Vj的上升，充电电流Ij和充电功率Pj依次上升。

(3)在上述实施方式中，使斩波电路2和逆变电路3具备作为阻抗调整器的功能，但本发明并不局限于此。也可以使斩波电路2或逆变电路3的某一方具备作为阻抗调整器的功能。此外，在上述实施方式中，使斩波电路2具备整流电路1的功率因数改善功能，但也可以省略该功率因数改善功能。

(4)在上述实施方式中，对依据磁场共振方式的非接触供电系统进行了说明，但本发明并不局限于此。也可以将本发明应用于电磁感应方式。此外，在上述实施方式中，将负载设为电池B，但本发明的负载并不局限于电池B，包含各种蓄电装置和接受电力供给来发现预定功能的各种设备。

产业上的可利用性

本发明实现非接触供电系统的整体的电力效率的提高。

符号说明

S供电装置

R受电装置

1整流电路

2斩波电路

3逆变电路

4共振电路

5通信部

6阻抗运算部

7开关控制部

8共振电路

9整流电路

10测量部

11通信部

B电池

Claims (12)

1.一种非接触供电装置，其特征在于，具有：

整流电路，其应与商用电源连接；

变换部，其与所述整流电路连接；

共振电路，其与所述变换部连接，并以非接触方式向受电装置传输电力；

通信部，其从所述受电装置取得与被供给电力的负载的电力供给相关的信息；以及

控制部，其与所述通信部和所述变换部连接，并根据所述信息对所述变换部进行控制，以使所述负载的电力供给阻抗的值在预定范围内。

2.根据权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述变换部包括与所述整流电路连接的斩波电路，

所述控制部根据所述信息来调整向所述斩波电路输出的脉冲信号的占空比。

3.根据权利要求2所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述变换部包括与所述斩波电路连接的逆变电路，

所述控制部根据所述信息来调整向所述逆变电路输出的脉冲信号的占空比或所述脉冲信号的各相的相位差。

4.根据权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述通信部从所述受电装置取得与所述负载相关的电压和电流作为所述信息。

5.根据权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述通信部从所述受电装置取得所述电力供给阻抗作为所述信息。

6.根据权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述通信部从所述受电装置取得所述负载即电池的充电电压和充电电流作为所述信息。

7.根据权利要求6所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述控制部根据所述充电电压和所述充电电流来计算所述电力供给阻抗，并根据计算出的所述电力供给阻抗控制所述变换部，以使所述电力供给阻抗的值在预定的范围内。

8.根据权利要求6所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述控制部对所述变换部进行控制，以使所述电力供给阻抗在第1期间为所述预定的范围内的下限值，在与所述第1期间衔接的第2期间从所述下限值向所述预定范围内增加，在与所述第2期间衔接的第3期间为所述预定的范围内的上限值。

9.根据权利要求8所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述控制部对所述变换部进行控制，以使向所述电池供给的功率在所述第2期间成为恒定。

10.根据权利要求8所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述控制部对所述变换部进行控制，以使所述电池的所述充电电流在所述第2期间成为恒定。

11.根据权利要求6所述的非接触供电装置，其特征在于，

所述控制部对所述变换部进行控制，以使所述电力供给阻抗成为所述预定范围内的恒定值。

12.一种非接触供电系统，其特征在于，具有：

供电装置和受电装置，

所述供电装置具备：应与商用电源连接的第1整流电路；与所述整流电路连接的变换部；与所述变换部连接，并以非接触方式传输电力的第1共振电路；取得与被供给电力的负载的电力供给相关的信息的第1通信部；以及控制部，其与所述通信部和所述变换部连接，并根据所述信息对所述变换部进行控制，以使所述负载的电力供给阻抗的值在预定范围内，

所述受电装置具备：以非接触方式接受电力的第2共振电路；与所述受电侧的共振电路连接的第2整流电路；测量与对所述负载的电力供给相关的所述信息的测量部；以及与所述测量部连接，并向所述供电装置输出所述信息的第2通信部。