CN107735923B - 受电器以及电力传输系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够调整受电电力的受电器以及电力传输系统。包括通过与初级侧谐振线圈之间所产生的磁场共振或者电场共振接受电力的次级侧谐振线圈、被串联插入到次级侧谐振线圈的谐振线圈部的电容器、与电容器并联连接的第一开关以及第二开关的串联电路、与第一开关并联连接并具有第一整流方向的第一整流元件、与第二开关并联连接并具有与第一整流方向相反的第二整流方向的第二整流元件、对次级侧谐振线圈接受的电力进行检测的检测部、以及通过调整切换第一开关以及第二开关的接通/断开的第一信号以及第二信号的相位来调整次级侧谐振线圈接受的电力量的控制部。

Description

受电器以及电力传输系统
技术领域
本发明涉及受电器以及电力传输系统。
背景技术
以往,有一种非接触受电装置,该非接触受电装置具备从供电源的共振元件通过共振以非接触方式接受交流电力的供给的共振元件、从上述共振元件通过电磁感应接受交流电力的供给的激励元件、从来自上述激励元件的交流电力生成直流电力并输出的整流电路、和切换向上述整流电路的交流电力的供给/非供给的切换电路(例如参照专利文献1)。
专利文献1:日本特开2011-019291号公报。
然而,以往的非接触受电装置(受电器)没有考虑共振元件接受的受电电力的调整。如果能够调整受电电力,则能够在送电器与受电器之间高效地传输电力。
发明内容
因此,目的在于提供能够调整受电电力的受电器以及电力传输系统。
本发明的实施方式的受电器包括:次级侧谐振线圈,具有谐振线圈部,并通过与初级侧谐振线圈之间所产生的磁场共振或者电场共振从上述初级侧谐振线圈接受电力;电容器,被串联插入到上述次级侧谐振线圈的上述谐振线圈部;第一开关以及第二开关的串联电路,与上述电容器并联连接;第一整流元件,与上述第一开关并联连接,具有第一整流方向;第二整流元件,与上述第二开关并联连接,具有与上述第一整流方向相反的第二整流方向;检测部,对上述次级侧谐振线圈接受的电力进行检测;以及控制部,通过调整切换上述第一开关的接通/断开的第一信号以及切换上述第二开关的接通/断开的第二信号的相位来调整上述次级侧谐振线圈接受的电力量。
能够提供可调整受电电力的受电器以及电力传输系统。
附图说明
图1是表示电力传输系统的图。
图2是表示通过磁场共振从送电器向电子设备传输电力的状态的图。
图3是表示通过磁场共振从送电器向电子设备传输电力的状态的图。
图4是表示实施方式1的受电器和送电装置的图。
图5是表示控制部的内部结构的图。
图6是表示电容器以及调整部中的电流路径的图。
图7是表示次级侧谐振线圈中所产生的交流电压、和驱动信号所包含的2个时钟的图。
图8是表示受电效率相对于驱动信号的相位的特性的模拟结果的图。
图9是表示使用实施方式1的电力传输系统的送电装置和电子设备的图。
图10是表示驱动信号的相位与受电器的受电电力量的关系的图。
图11是表示受电器接受的电力(受电电力)的差拍的图。
图12是表示受电器接受的电力(受电电力)的差拍的图。
图13是表示实施方式1的受电器中缓和差拍的影响的手法的图。
图14是表示实施方式1的受电器中缓和差拍的影响的手法的图。
图15是表示发现相位的原点的手法的图。
图16是表示送电器和受电器为了设定相位而执行的处理的任务图。
图17是表示送电装置和电子设备的等效电路的图。
图18是表示将相位同互感MTA与互感MTB的关系建立关联的表格数据的图。
图19是将互感MTA、MTB和受电效率建立关联的表格数据。
图20是表示实施方式1的送电器设定受电器的相位的方法的流程图。
图21是表示受电器执行的处理的流程图。
图22是表示受电器执行的处理的流程图。
图23是表示受电器执行的处理的流程图。
图24是表示受电器执行的处理的流程图。
图25是表示实施方式1的变形例的调整部的图。
图26是表示电容器以及调整部中的电流路径的图。
图27是表示实施方式2的受电器和送电装置的图。
图28是表示电容器以及调整部中的电流路径的图。
图29是表示实施方式2的变形例的调整部的图。
图30是表示实施方式2的变形例的调整部的图。
图31是表示电容器以及调整部中的电流路径的图。
具体实施方式
以下,对应用本发明的受电器以及电力传输系统的实施方式进行说明。
<实施方式1>
在对应用本发明的受电器以及电力传输系统的实施方式1进行说明前,使用图1至图3对实施方式1的受电器以及电力传输系统的前提技术进行说明。
图1是表示电力传输系统50的图。
如图1所示,电力传输系统50包括交流电源1、初级侧(送电侧)的送电器10以及次级侧(受电侧)的受电器20。电力传输系统50也可以包括多个送电器10以及受电器20。
送电器10具有初级侧线圈11和初级侧谐振线圈12。受电器20具有次级侧谐振线圈21和次级侧线圈22。在次级侧线圈22上连接负载装置30。
如图1所示,送电器10以及受电器20通过初级侧谐振线圈(LC谐振器)12与次级侧谐振线圈(LC谐振器)21之间的磁场共振(磁场共鸣)从送电器10向受电器20进行能量(电力)的传输。此处,从初级侧谐振线圈12向次级侧谐振线圈21的电力传输不仅是磁场共振还可以是电场共振(电场共鸣)等,但在以下的说明中,主要以磁场共振为例进行说明。
另外,在实施方式1中,作为一个例子,对交流电源1输出的交流电压的频率为6.78MHz,初级侧谐振线圈12和次级侧谐振线圈21的谐振频率为6.78MHz的情况进行说明。
此外,从初级侧线圈11向初级侧谐振线圈12的电力传输利用电磁感应来进行,另外,从次级侧谐振线圈21向次级侧线圈22的电力传输也利用电磁感应来进行。
另外,图1示出电力传输系统50包括次级侧线圈22的方式,但电力传输系统50可以不包括次级侧线圈22,此时,在次级侧谐振线圈21上直接连接负载装置30连接即可。
图2是表示通过磁场共振从送电器10向电子设备40A、40B传输电力的状态的图。
电子设备40A以及40B分别是平板计算机以及智能手机,并分别内置受电器20A、20B。受电器20A以及20B具有从图1所示的受电器20(参照图1)除去了次级侧线圈22的结构。即,受电器20A以及20B具有次级侧谐振线圈21。此外,在图2中简单地表示送电器10,但送电器10与交流电源1(参照图1)连接。
在图2中,电子设备40A、40B被配置在距送电器10相互相等的距离的位置,各自内置的受电器20A以及20B通过磁场共振从送电器10以非接触的状态同时接受电力。
此处作为一个例子,假设在图2所示的状态下,内置在电子设备40A中的受电器20A的受电效率为40%,内置在电子设备40B中的受电器20B的受电效率为40%。
受电器20A以及20B的受电效率以受电器20A以及20B的次级侧线圈22接受的电力相对于从与交流电源1连接的初级侧线圈11传输的电力的比率来表示。此外,在送电器10不包括初级侧线圈11而在交流电源1上直接连接初级侧谐振线圈12的情况下,代替从初级侧线圈11传输的电力而使用从初级侧谐振线圈12传输的电力来求出受电电力即可。另外,在受电器20A以及20B不包括次级侧线圈22的情况下,代替次级侧线圈22接受的电力而使用次级侧谐振线圈21接受的电力来求出受电电力即可。
受电器20A以及20B的受电效率由送电器10和受电器20A以及20B的线圈式样、各自之间的距离/姿势决定。在图2中,由于受电器20A以及20B的结构相同,被配置在距送电器10相互相等的距离/姿势的位置,所以受电器20A以及20B的受电效率相互相等,作为一个例子,为40%。
另外,假设电子设备40A的额定输出为10W,电子设备40B的额定输出为5W。
在这中情况下,从送电器10的初级侧谐振线圈12(参照图1)传输的电力变为18.75W。18.75W利用(10W+5W)/(40%+40%)来求出。
然而,若从送电器10向电子设备40A以及40B传输18.75W的电力,则受电器20A以及20B合计接收15W的电力,由于受电器20A以及20B均衡地接受电力,所以各自接受7.5W的电力。
结果电子设备40A的电力不足2.5W,电子设备40B的电力超出2.5W。
即,即使从送电器10向电子设备40A以及40B传输18.75W的电力,电子设备40A以及40B也无法均衡地受电。换言之,电子设备40A以及40B同时受电时的电力的供给平衡并不好。
图3是表示通过磁场共振从送电器10向电子设备40B1、40B2传输电力的状态的图。
电子设备40B1、40B2是相同的类型的智能手机,分别内置受电器20B1、20B2。受电器20B1以及20B2与图2所示的受电器20B相同。即,受电器20B1以及20B2具有次级侧谐振线圈21。此外,在图3中简单地表示送电器10,但送电器10与交流电源1(参照图1)连接。
在图3中,电子设备40B1以及40B2相对于送电器10的角度(姿势)相同,电子设备40B1被配置在与电子设备40B2相比远离送电器10的位置。电子设备40B1、40B2各自内置的受电器20B1以及20B2通过磁场共振从送电器10以非接触的状态同时接受电力。
此处作为一个例子,假设在图3所示的状态下,内置在电子设备40B1中的受电器20B1的受电效率为35%,内置在电子设备40B2中的受电器20B2的受电效率为45%。
此处,由于电子设备40B1以及40B2相对于送电器10的角度(姿势)相同,所以受电器20B1以及20B2的受电效率由受电器20B1以及20B2的各个与送电器10之间的距离决定。因此,在图3中,受电器20B1的受电效率低于受电器20B2的受电效率。此外,电子设备40B1以及40B2的额定输出都为5W。
这种情况下,从送电器10的初级侧谐振线圈12(参照图1)传输的电力变为12.5W。12.5W利用(5W+5W)/(35%+45%)来求出。
然而,若从送电器10向电子设备40B1以及40B2传输12.5W的电力,则受电器20B1以及20B2合计接收10W的电力。另外,在图3中,由于受电器20B1的受电效率为35%,受电器20B2的受电效率为45%,所以受电器20B1接受约4.4W的电力,受电器20B2接受约5.6%的电力。
结果电子设备40B1的电力不足约0.6W,电子设备40B2的电力超出0.6W。
即,即使从送电器10向电子设备40B1以及40B2传输12.5W的电力,电子设备40B1以及40B2也无法均衡地受电。换言之,电子设备40B1以及40B2同时受电时的电力的供给平衡并不好(有改善的余地)。
此外,此处,对电子设备40B1以及40B2相对于送电器10的角度(姿势)相同,电子设备40B1以及40B2距送电器10的距离不同的情况下的电力的供给平衡进行了说明。
然而,由于受电效率由送电器10与受电器20B1以及20B2之间的距离和角度(姿势)决定,所以如果在图3所示的位置关系中电子设备40B1以及40B2的角度(姿势)不同,则受电器20B1以及20B2的受电效率变为与上述的35%以及45%不同的值。
另外,即使电子设备40B1以及40B2距送电器10的距离相等,如果电子设备40B1以及40B2相对于送电器10的角度(姿势)不同,则受电器20B1以及20B2的受电效率变为相互不同的值。
以上,如图2所示,在通过磁场共振从送电器10向额定输出相互不同的电子设备40A、40B同时传输电力时,电子设备40A以及40B较难均衡地受电。
另外,如图3所示,即使电子设备40B1以及40B2的额定输出相互相等,如果电子设备40B1以及40B2相对于送电器10的角度(姿势)不同,则由于受电器20B1以及20B2的受电效率相互不同,所以电子设备40B1以及40B2也较难均衡地受电。
另外,在图2以及图3中,对电子设备40A以及40B和电子设备40B1以及40B2分别同时受电的情况进行了说明,但也考虑电子设备40A和40B,或者如电子设备40B1和40B2那样的多个电子设备分别分时受电。
然而,在多个电子设备分别分时受电的情况下,由于在各自的电子设备受电的期间,其它的电子设备无法受电,所以产生为了完成全部的电子设备的受电而花费时间这个问题。
接下来,使用图4至图9对实施方式1的受电器以及电力传输系统进行说明。
图4是表示实施方式1的受电器100和送电装置80的图。送电装置80包括交流电源1和送电器10。交流电源1和送电器10与图1所示的相同,但在图4中表示更具体的结构。
另外,受电器100例如包含在与图2所示的电子设备40A或40B,或者图3所示的电子设备40B1或者40B2同样的电子设备中。电子设备内置加速度传感器41。
送电装置80包括交流电源1和送电器10。
送电器10具有初级侧线圈11、初级侧谐振线圈12、匹配电路13、电容器14、控制部15以及天线16。
受电器100包括次级侧谐振线圈110、电容器115、整流电路120、调整部130、平滑电容器140、控制部150、电压计145、输出端子160X、160Y以及天线170。在输出端子160X、160Y上连接有DC-DC转换器210,在DC-DC转换器210的输出侧连接有蓄电池220。
首先,对送电器10进行说明。如图4所示,初级侧线圈11是环状的线圈,在两端间经由匹配电路13与交流电源1连接。初级侧线圈11与初级侧谐振线圈12以非接触的方式接近地配置,与初级侧谐振线圈12电磁场耦合。初级侧线圈11被配设为自己的中心轴与初级侧谐振线圈12的中心轴一致。使中心轴一致是为了提高初级侧线圈11与初级侧谐振线圈12的耦合强度,并且抑制磁通的泄露,抑制在初级侧线圈11以及初级侧谐振线圈12的周围产生不必要的电磁场。
初级侧线圈11通过从交流电源1经由匹配电路13供给的交流电力来产生磁场,通过电磁感应(相互感应)将电力向初级侧谐振线圈12传送。
如图4所示,初级侧谐振线圈12与初级侧线圈11以非接触的方式接近地配置,与初级侧线圈11电磁场耦合。另外,初级侧谐振线圈12被设计为具有规定的谐振频率,具有高的Q值。初级侧谐振线圈12的谐振频率被设定为与次级侧谐振线圈110的谐振频率相等。在初级侧谐振线圈12的两端之间串联连接用于调整谐振频率的电容器14。
初级侧谐振线圈12的谐振频率被设定为与交流电源1输出的交流电力的频率相同的频率。初级侧谐振线圈12的谐振频率由初级侧谐振线圈12的电感和电容器14的静电电容决定。因此,初级侧谐振线圈12的电感和电容器14的静电电容以初级侧谐振线圈12的谐振频率成为与从交流电源1输出的交流电力的频率相同的频率的方式设定。
匹配电路13是为了获得初级侧线圈11与交流电源1的阻抗匹配而被插入,包括电感器L和电容器C。
交流电源1是输出磁场共振所需的频率的交流电力的电源,内置对输出电力进行放大的放大器。交流电源1例如输出从数百kHz~数十MHz左右的高频的交流电力。
电容器14是被串联插入到初级侧谐振线圈12的两端之间的可变电容型的电容器。电容器14是为了调整初级侧谐振线圈12的谐振频率而设置,静电电容由控制部15来设定。
控制部15进行交流电源1的输出电压以及输出频率的控制、电容器14的静电电容的控制等。另外,控制部15通过天线16与受电器100进行数据通信。
以上那样的送电装置80通过磁感应将从交流电源1供给至初级侧线圈11的交流电力向初级侧谐振线圈12传送,从初级侧谐振线圈12通过磁场共振将电力向受电器100的次级侧谐振线圈110传送。
接下来,对受电器100所包含的次级侧谐振线圈110进行说明。此处,作为一个例子,对谐振频率为6.78MHz的方式进行说明。
次级侧谐振线圈110被设计为具有与初级侧谐振线圈12相同的谐振频率,具有高的Q值。次级侧谐振线圈110具有谐振线圈部111和端子112X、112Y。此处,谐振线圈部111虽然实质上是次级侧谐振线圈110本身,但此处,将在谐振线圈部111的两端设置有端子112X、112Y的元件作为次级侧谐振线圈110来看待。
在谐振线圈部111中串联插入用于调整谐振频率的电容器115。另外,调整部130与电容器115并联连接。另外,在谐振线圈部111的两端设置有端子112X、112Y。端子112X、112Y与整流电路120连接。端子112X、112Y分别是第一端子以及第二端子的一个例子。
次级侧谐振线圈110不经由次级侧线圈而与整流电路120连接。次级侧谐振线圈110在通过调整部130而成为可能产生谐振的状态时,将从送电器10的初级侧谐振线圈12通过磁场共振传送的交流电力输出给整流电路120。
电容器115是为了调整次级侧谐振线圈110的谐振频率而被串联插入到谐振线圈部111。电容器115具有端子115X以及115Y。调整部130与电容器115并联连接。
整流电路120具有4个二极管121~124。二极管121~124连接成桥状,对从次级侧谐振线圈110输入的电力进行全波整流并输出。
调整部130在次级侧谐振线圈110的谐振线圈部111中与电容器115并联连接。
调整部130具有开关131X、131Y、二极管132X、132Y、电容器133X、133Y以及端子134X、134Y。
开关131X以及131Y在端子134X以及134Y之间相互串联连接。开关131X以及131Y分别是第一开关以及第二开关的一个例子。端子134X、134Y分别与电容器115的端子115X、115Y连接。因此,开关131X以及131Y的串联电路与电容器115并联连接。
二极管132X和电容器133X与开关131X并联连接。二极管13Y和电容器133Y与开关131Y并联连接。二极管132X以及132Y相互的阳极彼此连接,并且相互的阴极与电容器115连接。即,二极管132X以及132Y被连接成相互的整流方向为相反方向。
此外,二极管132X以及132Y分别是第一整流元件以及第二整流元件的一个例子。另外,调整部130可以不包括电容器133X以及133Y。
作为开关131X、二极管132X以及电容器133X,例如能够使用FET(Field EffectTransistor:场效应晶体管)。P沟道型或者N沟道型的FET的漏极-源极间的体二极管连接为具有二极管132X那样的整流方向即可。在使用N沟道型的FET的情况下,源极为二极管132X的阳极,漏极为二极管132X的阴极。
另外,开关131X通过将从控制部150输出的驱动信号输入至栅极来切换漏极-源极间的连接状态而实现。另外,电容器133X能够通过漏极-源极间的寄生电容来实现。
同样地,作为开关131Y、二极管132Y以及电容器133Y,例如能够使用FET。P沟道型或者N沟道型的FET的漏极-源极间的体二极管连接为具有二极管132B那样的整流方向即可。使用N沟道型的FET的情况下,源极为二极管132Y的阳极,漏极为二极管132Y的阴极。
另外,开关131Y通过将从控制部150输出的驱动信号输入至栅极来切换漏极-源极间的连接状态而实现。另外,电容器133Y能够通过漏极-源极间的寄生电容来实现。
此外,开关131X、二极管132X以及电容器133X并不限于通过FET来实现,也可以通过将开关、二极管以及电容器并联连接来实现。这对于开关131Y、二极管132Y以及电容器133Y也是同样的。
开关131X和131Y以相互相反相位切换接通/断开。在开关131X断开、开关131Y接通时,在调整部130内在从端子134X经过电容器133X以及开关131Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中变为能够从端子115X向端子115Y流动谐振电流的状态。即,在图4中,在次级侧谐振线圈110中变为谐振电流能够沿顺时针的方向流动的状态。
另外,在开关131X接通、开关131Y断开时,在调整部130内产生从端子134X经过开关131X以及二极管132Y朝向端子134Y的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。
因此,若使开关131X断开、使开关131Y接通,从在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动的状态切换为开关131X接通、开关131Y断开的状态,则不产生谐振电流。是因为电流路径不包括电容器。
另外,在开关131X接通、开关131Y断开时,在调整部130内在从端子134Y经过电容器133Y以及开关131X朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中变为能够从端子115Y向端子115X流动谐振电流的状态。即,在图4中,在次级侧谐振线圈110中变为谐振电流能够沿逆时针的方向流动的状态。
另外,在开关131X断开、开关131Y接通时,在调整部130内产生从端子134Y经过开关131Y以及二极管132X朝向端子134X的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。
因此,若使开关131X接通、使开关131Y断开,从在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动的状态切换为开关131X断开、开关131Y接通的状态,则不产生谐振电流。是因为电流路径不包括电容器。
调整部130通过如上述那样切换开关131X以及131Y来切换能够产生谐振电流的状态、和不产生谐振电流的状态。开关131X以及131Y的切换通过从控制部150输出的驱动信号来进行。
驱动信号的频率被设定为次级侧谐振线圈110接受的交流频率。
开关131X以及131Y以上述那样的高的频率进行交流电流的切断。例如组合2个FET而成的调整部130能够高速进行交流电流的切断。
此外,驱动信号和调整部130的动作使用图6来后述。
平滑电容器140与整流电路120的输出侧连接,对被整流电路120全波整流的电力进行平滑化,并作为直流电力而输出。在平滑电容器140的输出侧连接输出端子160X、160Y。被整流电路120全波整流的电力使交流电力的负成分反转为正成分,所以能够大致作为交流电力来看待,但通过使用平滑电容器140,即使在被全波整流的电力中包含脉动的情况下,也能够获得稳定的直流电力。
此外,连结平滑电容器140的上侧的端子和输出端子160X的线路为高电压侧的线路,连结平滑电容器140的下侧的端子和输出端子160Y的线路为低电压侧的线路。
控制部150在内部存储器中保持表示蓄电池220的额定输出的数据。另外,根据来自送电器10的控制部15的请求对受电器100从送电器10接受的电力(受电电力)进行测量,并经由天线170将表示受电电力的数据发送给送电器10。
另外,控制部150若从送电器10接收表示相位的数据,则使用接收到的相位来生成驱动信号,驱动开关131X以及131Y。此外,受电电力由控制部150基于电压计145所测量的电压V和蓄电池220的内部电阻值R来求出即可。受电电力P利用P=V2/R来求出。另外,处理部151求出受电电力P。
此处,使用图5对控制部150进行说明。图5是表示控制部150的内部结构的图。
控制部150具有处理部151、振荡器152、相移电路153、相位控制部154、反转电路155以及相位原点检测部156。
处理部151基于由电压计145测量的电压V和蓄电池220的内部电阻值R来求出受电电力P。处理部151基于受电电力P经由相位控制部154来调整相移电路153的时钟CLK1、CLK2的相位。
另外,处理部151将受电电力P输入给相位原点检测部156,使相位原点检测部156检测相位的原点。
振荡器152能够发振与交流电源1输出的交流电压的频率相等的频率的正弦波,并且只要是能够调整振荡频率的振荡器即可。此处,交流电压的频率为6.78MHz。振荡器152发振的正弦波被用作驱动开关131X以及131Y的时钟CLK1、CLK2。
作为振荡器152,例如能够使用水晶振荡器。另外,作为振荡器152,可以代替水晶振子,例如使用陶瓷制的振子(例如压电元件)来使正弦波发振。
另外,可以使用PLL(Phase Locked Loop:锁相环)来代替振荡器152,使用振荡器152的情况与使用PLL的情况相比,能够廉价地提供受电器100。
相移电路153与振荡器152的输出侧连接,基于从相位控制部154输入的表示相位的信号,使从振荡器152输出的时钟的相位位移信号表示的相位并输出。作为相移电路153,例如使用Phase Shifter即可。
相位控制部154若被输入从送电器10发送的表示相位的信号,则将表示相位的信号变换为相移电路153用的信号并输出。
基于从相位控制部154输入的信号,相位被位移的时钟分支为两个,一个保持原样作为时钟CLK1被输出,另一个被反转电路155反转而作为时钟CLK2被输出。时钟CLK1和CLK2是控制部150输出的控制信号。
反转电路155将从相移电路153输出的正弦波反转并作为时钟CLK2而输出。反转电路155只要是能够反转正弦波的电路即可,例如使用运算放大器等即可。
相位原点检测部156通过控制相移电路153使时钟的相位位移的位移量来调整相移电路153输出的时钟相对于振荡器152输出的时钟的相位,检测获得最大的电力的相位。这样求出的相位被用作相位的原点。此外,相位原点检测部156被处理部151控制。
电压计145连接在输出端子160X与160Y之间。电压计145用于计算受电器100的受电电力。由于如果基于由电压计145所测量的电压V、和蓄电池220的内部电阻值R如上述那样求出受电电力,则与测量电流来测量受电电力的情况相比,损失较少,所以是优选的测量方法。然而,受电器100的受电电力可以测量电流和电压来求出。在测量电流的情况下,使用霍尔元件、磁阻元件、检测线圈或者电阻器等来测量即可。
DC-DC转换器210与输出端子160X、160Y连接,将从受电器100输出的直流电力的电压变换为蓄电池220的额定电压并输出。DC-DC转换器210在整流电路120的输出电压高于蓄电池220的额定电压的情况下,将整流电路120的输出电压降压到蓄电池220的额定电压。另外,DC-DC转换器210在整流电路120的输出电压低于蓄电池220的额定电压的情况下,将整流电路120的输出电压升压到蓄电池220的额定电压。
蓄电池220只要是可反复充电的二次电池即可,例如能够使用锂离子电池。例如在受电器100被内置于平板计算机或者智能手机等电子设备中的情况下,蓄电池220是这样的电子设备的主蓄电池。
此外,初级侧线圈11、初级侧谐振线圈12、次级侧谐振线圈110例如通过卷绕铜线来制成。然而,初级侧线圈11、初级侧谐振线圈12、次级侧谐振线圈110的材质也可以是铜以外的金属(例如金、铝等)。另外,初级侧线圈11、初级侧谐振线圈12、次级侧谐振线圈110的材质也可以不同。
在这样的结构中,初级侧线圈11以及初级侧谐振线圈12是电力的送电侧,次级侧谐振线圈110是电力的受电侧。
由于通过磁场共振方式,利用初级侧谐振线圈12与次级侧谐振线圈110之间所产生的磁场共振来从送电侧向受电侧传输电力,所以与通过电磁感应从送电侧向受电侧传输电力的电磁感应方式相比,实现长距离的电力的传输。
对于磁场共振方式,在谐振线圈彼此之间的距离或者位置偏移这些方面,有比电磁感应方式自由度高,位置自由这些优点。
接下来,使用图6对利用驱动信号驱动开关131X以及131Y时的电流路径进行说明。
图6是表示电容器115以及调整部130中的电流路径的图。图6与图4同样地,将从端子134X通过电容器115或者调整部130的内部流向端子134Y的电流的方向称为顺时针(CW(Clockwise))。另外,将从端子134Y通过电容器115或者调整部130的内部流向端子134X的电流的方向称为逆时针(CCW(Counterclockwise))。
首先,在开关131X和131Y都断开,电流为顺时针(CW)的情况下,在从端子134X经过电容器133X以及二极管132Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115X流向端子115Y。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动。
在开关131X和131Y都断开,电流为逆时针(CCW)的情况下,在从端子134Y经过电容器133Y以及二极管132X朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115Y流向端子115X。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动。
在开关131X接通、开关131Y断开,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部130内产生从端子134X经过开关131X以及二极管132Y朝向端子134Y的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。此外,此时,即使将开关131Y接通,在次级侧谐振线圈110中也不流动谐振电流。
开关131X接通、开关131Y断开,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部130内在从端子134Y经过电容器133Y以及开关131X朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115Y流向端子115X。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动。此外,在与开关131X并联的二极管132X中也流动电流。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部130内在从端子134X经过电容器133X以及开关131Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115X流向端子115Y。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动。此外,在与开关131Y并联的二极管132Y中也流动电流。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部130内产生从端子134Y经过开关131Y以及二极管132X朝向端子134X的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。此外,此时,即使将开关131X接通,在次级侧谐振线圈110中也不流动谐振电流。
此外,有助于谐振电流的谐振频率的静电电容由电容器115和电容器132X或者132Y决定。因此,优选电容器132X和132Y的静电电容相等。
图7是表示次级侧谐振线圈110所产生的交流电压、和驱动信号所包含的2个时钟的图。
图7(A)以及(B)所示的交流电压V0是与送电频率同一频率的波形,例如是次级侧谐振线圈110所产生的交流电压。另外,时钟CLK1、CLK2是驱动信号所包含的2个时钟。例如,时钟CLK1使用于开关131X的驱动用,时钟CLK2使用于开关131Y的驱动用。时钟CLK1以及CLK2分别是第一信号以及第二信号的一个例子,是用于开关131X、131Y的开关的信号。
在图7(A)中,时钟CLK1、CLK2与交流电压V0同步。即,时钟CLK1、CLK2的频率与交流电压V0的频率相等,时钟CLK1的相位与交流电压V0的相位相等。此外,时钟CLK2的相位与时钟CLK1相差180度,为相反相位。
在图7(A)中,交流电压V0的周期T为频率f的倒数,频率为6.78MHz。
实施方式1的受电器100不进行使交流电压V0和时钟CLK1、CLK2同步,而以受电电力为最大时的时钟CLK1、CLK2的相位为基准来控制时钟CLK1、CLK2的相位。此处,将成为基准的相位称为相位的原点。相位的原点后述。
在图7(B)中,时钟CLK1、CLK2的相位相对于交流电压V0延迟θ度。这样相对于交流电压V0具有相位θ度的时钟CLK1、CLK2由控制部150使用相移电路153来生成即可。
接下来,使用图8对调整驱动信号的相位的情况下,受电器100从送电器10接受的电力的受电效率进行说明。
图8是表示受电效率相对于驱动信号的相位的特性的模拟结果的图。横轴的相位是将受电电力最大的相位设为0度时的相对于交流电压V0的2个时钟的相位,纵轴的受电效率是受电器100输出的电力(Pout)相对于交流电源1(参照图1)向送电器10输入的电力(Pin)的比。受电效率和送电器10与受电器100之间的电力的传输效率相等。
此外,送电器10传送的电力的频率为6.78MHz,驱动信号的频率也与此相同地设定。另外,相位为0度的状态是在谐振电流的1周期的整个期间中在次级侧谐振线圈110中产生由磁场共振所引起的谐振,谐振电流流向次级侧谐振线圈110的状态。相位变大意味在谐振电流的1周期中在次级侧谐振线圈110不产生谐振的期间增加。因此,相位为180度的状态变为理论上在次级侧谐振线圈110中完全不流动谐振电流的状态。
如图8所示,若使相位从0度开始增大,则受电效率降低。若相位变为约60度以上,则受电效率约小于0.1。若这样使相对于交流电压V0的2个时钟的相位变化,则流向次级侧谐振线圈110的谐振电流的电力量变化,由此受电效率变化。
图9是表示使用实施方式1的电力传输系统400的送电装置80和电子设备200A以及200B的图。
送电装置80与图4所示的送电装置80相同,但在图9中,将图4中的初级侧线圈11、控制部15以及天线16以外的构成要素表示为电源部10A。电源部10A是对初级侧谐振线圈12、匹配电路13、电容器14进行统一表示的装置。此外,可以将交流电源1、初级侧谐振线圈12、匹配电路13、电容器14汇总而作为电源部来展示。
天线16只要是例如能够进行Bluetooth(注册商标)那样的近距离的无线通信的天线即可。天线16是为了从电子设备200A以及200B所包含的受电器100A以及100B接收表示受电电力以及额定输出的数据而设置的,接收到的数据被输入至控制部15。控制部15是控制部的一个例子,并且是第三通信部的一个例子。
电子设备200A以及200B例如分别是平板计算机或者智能手机等终端机。电子设备200A以及200B分别内置受电器100A以及100B、DC-DC转换器210A以及210B以及蓄电池220A以及220B。
受电器100A以及100B具有与图4所示的受电器100同样的结构。以下,在不特别区分受电器100A以及100B的情况下,称为受电器100。
DC-DC转换器210A以及210B分别与图4所示的DC-DC转换器210相同。另外,蓄电池220A以及220B分别与图4所示的蓄电池220相同。
受电器100A具有次级侧谐振线圈110A、电容器115A、整流电路120A、调整部130A、平滑电容器140A、控制部150A以及天线170A。次级侧谐振线圈110A是第一次级侧谐振线圈的一个例子。
次级侧谐振线圈110A、电容器115A、整流电路120A、调整部130A、平滑电容器140A、控制部150A分别与图4所示的次级侧谐振线圈110、电容器115、整流电路120、调整部130、平滑电容器140、控制部150对应。此外,在图9中,简单地表示次级侧谐振线圈110A、整流电路120A、平滑电容器140A,电压计145以及输出端子160X、160Y省略。
受电器100B具有次级侧谐振线圈110B、电容器115B、整流电路120B、调整部130B、平滑电容器140B、控制部150B以及天线170B。受电器100B从受电器100A来看是其它受电器的一个例子。另外,次级侧谐振线圈110B是第二次级侧谐振线圈的一个例子。
次级侧谐振线圈110B、电容器115B、整流电路120B、调整部130B、平滑电容器140B、控制部150B分别与图4所示的次级侧谐振线圈110、电容器115、整流电路120、调整部130、平滑电容器140、控制部150对应。此外,在图9中,简单地表示次级侧谐振线圈110B、整流电路120B、平滑电容器140B、电压计145以及输出端子160X、160Y省略。
天线170A以及170B只要是例如能够进行Bluetooth(注册商标)那样的近距离的无线通信的天线即可。天线170A以及170B是为了与送电器10的天线16进行数据通信而设置,分别与受电器100A以及100B的控制部150A以及150B连接。控制部150A以及150B是驱动控制部的一个例子,并且分别是第一通信部以及第二通信部的一个例子。
受电器100A的控制部150A将表示次级侧谐振线圈110A的受电电力、和蓄电池220A的额定输出的数据经由天线170A发送给送电器10。同样地,受电器100B的控制部150B将表示次级侧谐振线圈110B的受电电力和蓄电池220B的额定输出的数据经由天线170B发送给送电器10。
电子设备200A以及200B在分别被配置在送电装置80的附近的状态下能够不与送电装置80接触而对蓄电池220A以及220B进行充电。蓄电池220A以及220B的充电可以同时进行。
电力传输系统400由图9所示的构成要素中的、送电器10和受电器100A以及100B构建。即,送电装置80和电子设备200A以及200B采用能够进行基于磁场共振的非接触状态下的电力传输的电力传输系统400。
此处,若同时进行蓄电池220A以及220B的充电,则如使用图2以及图3所说明那样,可能会产生向电子设备200A以及200B的电力的供给平衡不良的状态。
因此,送电器10为了改善电力供给的平衡,而基于次级侧谐振线圈110A的受电效率、蓄电池220A的额定输出、次级侧谐振线圈110B的受电效率以及蓄电池220B的额定输出来设定相对于交流电压V0的驱动调整部130A以及130B的驱动信号(时钟CLK1和CLK2)的相位。
图10是表示驱动信号的相位与受电器100A以及100B的受电效率的关系的图。
此处,对在将驱动受电器100B的调整部130B的驱动信号的相位固定为受电效率最大的相位(0度)的状态下,使驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位从受电效率最大的相位(0度)开始变化的情况进行说明。
此外,受电效率变为最大是受电电力变为最大。因此,受电效率最大的相位与受电电力变为最大的相位同义,意味相位的原点。
在图10中,横轴表示驱动受电器100A、100B的调整部130A、130B的驱动信号的相位(θA、θB)。另外,左侧的纵轴表示受电器100A以及100B的各自的受电效率和受电器100A以及100B的受电效率的合计值。
若在将驱动受电器100B的调整部130B的驱动信号的相位固定为0度的状态下,使驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位从0度开始增大或者降低,则如图10所示,受电器100A的受电效率的比率降低。受电器100A的受电效率在相位为0度时最大。另外,伴随着受电器100A的受电效率的降低,受电器100A的受电效率的比率增大。
由于若这样使驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位变化,则受电器100A的受电量减少,所以流向受电器100A的电流也减少。即,因相位的变化,受电器100A的阻抗发生变化。
在使用磁场共振的同时电力传输中,由受电器100A和100B分配通过磁场共振从送电器10向受电器100A以及100B传送的电力。因此,若使驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位从0度开始变化,则受电器100A的受电量减少,相应地受电器100B的受电量增加。
因此,如图10所示,受电器100A的受电效率的比率降低。另外,伴随于此,受电器100B的受电效率的比率增大。
若驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位变化到约±90度,则受电器100A的受电效率的比率大致降低到0,受电器100B的受电效率的比率增大到约0.8。
而且,受电器100A以及100B的受电效率的和在驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位为0度时约为0.85,若驱动受电器100B的调整部130A的驱动信号的相位降低到约±90度,则受电器100A以及100B的受电效率的和变为约0.8。
若这样在将驱动受电器100A的调整部130B的驱动信号的相位固定为0度的状态下,使驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位从0度开始变化,则受电器100A的受电效率的比率降低,受电器100B的受电效率的比率增大。而且,受电器100A以及100B的受电效率的和约为0.8前后的值,没有较大地变动。
在使用了磁场共振的电力传输中,因为由受电器100A和100B分配通过磁场共振从送电器10向受电器100A以及100B传送的电力,所以即使相位变化,受电器100A以及100B的受电效率的和也没有较大地变动。
同样地,如果在将驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位固定为0度的状态下,使驱动受电器100B的调整部130B的驱动信号的相位从0度开始降低,则受电器100B的受电效率的比率降低,受电器100A的受电效率的比率增大。而且,受电器100A以及100B的受电效率的和约为0.8前后的值,没有较大地变动。
因此,如果调整驱动受电器100A或者100B的调整部130A或者130B的任意一方的驱动信号的相位,则能够调整受电器100A以及100B的受电效率的比率。
若如以上那样使驱动调整部130A或者130B的驱动信号的相位变化,则受电器100A以及100B的次级侧谐振线圈110A以及110B的受电效率的比率改变。
因此,在实施方式1中,使调整部130A以及130B中的哪个的驱动信号的相位从相位的原点开始变更如下那样判定。
首先,求出将蓄电池220A的额定输出除以次级侧谐振线圈110A的受电效率所得的第一值、和将蓄电池220B的额定输出除以次级侧谐振线圈110B的受电效率所得的第二值。
而且,使与第一值和第二值中任意一个较小的一方的受电器(100A或者100B)对应的驱动信号的相位从0度开始变化来设定为适当的相位。
将额定输出除以受电效率所得的值表示送电器10向受电器(100A或者100B)传送的电力量(必要送电量)。必要送电量是指以受电器(100A或者100B)能够不产生多余电力和不足电力而进行受电的方式从送电器10传送的电力量。
因此,如果消减向必要送电量小的一方的受电器(100A或者100B)的电力供给量,则能够使向必要送电量大的一方的受电器(100A或者100B)的电力供给量增加。结果能够改善向受电器100A以及100B的电力供给量的平衡。
从图10可知,若使任意一方的受电器(100A或者100B)的相位变化,则该受电器(100A或者100B)的受电电力量降低。另外,任意另一方的受电器(100A或者100B)在相位被固定为0度的状态下,受电电力量增大。
因此,如果使与必要送电量小的一方的受电器(100A或者100B)对应的驱动信号的相位从相位的原点(0度)开始变化,则向必要送电量小的一方的受电器(100A或者100B)的电力供给量被消减,能够使向必要送电量大的一方的受电器(100A或者100B)的电力供给量增加。
这样改善向受电器100A以及100B的电力供给量的平衡即可。此外,具体的相位的设定方法后述。
图11以及图12是表示受电器100接受的电力(受电电力)的差拍的图。在图11以及图12中,横轴为时间轴,纵轴表示受电电力。在图11以及图12中,将受电电力为零的电平表示为0W。
受电器100接受的电力(受电电力)包含差拍。在没有次级侧谐振线圈110所产生的交流电压V0的频率与时钟CLK1、CLK2的频率的差(频率差)的情况下,如图11的左侧所示,不产生差拍。
然而,在有频率差的情况下,如图11的右侧所示,产生差拍。若产生差拍,则受电电力周期性地变化,产生几乎为零的期间。
如图12的(A)所示,在频率差较大的情况下,差拍的频率变高。另外,若频率差变小,则如图12的(B)、(C)、(D)所示,差拍的频率变低。
而且,如图12的(E)所示,由于即使频率差相当小也产生差拍,所以受电电力相对于时间的变化不是恒定的,随着时间经过而降低。
此处,作为一个例子,假设在交流电压V0的频率为6.78MHz的情况下,交流电压V0的频率与时钟CLK1、CLK2的频率之间的频率差为1mHz。在这种情况下,差拍的周期约为30分钟。因此,即使例如在受电开始时,交流电压V0的频率与时钟CLK1、CLK2的频率的频率差为1mHz,在约15分钟后,受电电力大致变为零。
在交流电压V0的频率为6.78MHz的情况下,使频率差为零非常困难,使频率差为1mHz也并不简单。
在实施方式1中,在产生这样的受电电力的差拍的情况下,确保受电电力。
图13以及图14是表示实施方式1的受电器100中缓和差拍的影响的手法的图。在图13以及图14中,横轴为时间,纵轴表示受电器100的受电电力。
如图13所示,产生差拍的情况下的受电电力从t=0开始随着时间的经过而缓缓地减少。这种情况下,在受电电力相对于t=0时的P0降低X%时,调整时钟CLK1、CLK2的相位来使受电电力增大。在图13中,在t=t1时调整时钟CLK1、CLK2的相位来使受电电力增大。
此时,优选直到受电电力降低X%为止的经过时间tX比从调整时钟CLK1、CLK2的相位到受电电力稳定为止的过渡响应期间tP充分长。因此,在实施方式1的受电器100中调整时钟CLK1、CLK2的频率,以使经过时间tX比过渡响应期间tP充分长。
这样的时钟CLK1、CLK2的频率的调整由振荡器152基于处理部151基于电压计145的检测电压所计算的受电电力(参照图5)来进行。此外,受电电力P0是成为调整时钟CLK1、CLK2的相位来使受电电力增大时的目标值的规定的设定值的一个例子。电力P0是为了在多个受电器100从送电器10受电的情况下,使向多个受电器100的电力分配最优化而由送电器10设定。
另外,在产生差拍的情况下,即使通过调整时钟CLK1、CLK2的相位来进行增大,受电电力也会再次降低,所以通过反复调整时钟CLK1、CLK2的相位,如图14所示,能够使受电电力的降低量为1%以内。在图14中,用黑圆点(●)表示通过调整时钟CLK1、CLK2的相位而增大的受电电力,用白圆点(○)表示增大前的受电电力。
这样的时钟CLK1、CLK2的相位的调整由相移电路153(参照图5)基于处理部151计算的受电电力来进行。增大的受电电力(●)为图13所示的电力P0。
如图14所示,在为了使受电电力增大而调整相位时,关于使相位前进何种程度或者使相位延迟何种程度,例如通过实验等预先调查相位与受电电力的变化的关系后设定即可。
此处,作为一个例子,对当受电电力降低1%时调整时钟CLK1、CLK2的相位的方式进行了说明,但根据用途等适当地设定X%的值即可。
图15是表示发现相位的原点的手法的图。
在实施方式1的受电器100中,通过360度扫描时钟CLK1、CLK2的相位来求出给予受电电力的最大值PMAX的相位θ0。将该相位θ0用作相位的原点。时钟CLK1、CLK2的相位的扫描通过控制部150的处理部151使相位原点检测部156控制相移电路153,相移电路153使时钟CLK1、CLK2的相位位移来执行即可。
接下来,使用图16对送电器10从受电器100A以及100B得到表示受电效率和额定输出的数据的方法进行说明。
图16是表示送电器10和受电器100A以及100B为了设定相位而执行的处理的任务图。该任务由控制部15、150A以及150B(参照图9)执行。
首先,受电器100A将表示受电电力的数据发送给送电器10(步骤S1A)。同样地,受电器100B将表示受电电力的数据发送给送电器10(步骤S1B)。由此,送电器10从受电器100A以及100B接收表示受电电力的数据(步骤S1)。
表示受电电力的数据的发送例如根据来自送电器10的请求,由控制部150A以及150B经由天线170A以及170B进行即可。另外,使表示受电电力的数据包括识别受电器100A以及100B的标识符即可。
表示受电电力的数据如下那样获取即可。首先,从送电器10对受电器100B通过无线通信发送将调整部130B的两开关(图4的131X以及131Y)设定为接通的信号,并且从送电器10对受电器100A通过无线通信发送将调整部130A的两开关设定为断开的信号。
此处,若使调整部130B的两开关接通,则调整部130B不产生谐振,受电器100B变为不接受电力的状态。即,受电器100B被断开。另外,若使调整部130A的两开关断开,则次级侧谐振线圈110A变为流动谐振电流的状态。
而且,从送电器10通过磁场共振向受电器100A传送规定的电力,由受电器100A接受电力。此时,如果将表示由受电器100A接收到的电力量的信号传送给送电器10,则能够由送电器10测量受电器100A的受电效率。
另外,为了测量受电器100B的受电效率,从送电器10对受电器100A通过无线通信发送将调整部130A的两开关设定为接通的信号,并且从送电器10对受电器100B通过无线通信发送将调整部130B的两开关设定为断开的信号。如果从送电器10通过磁场共振将规定的电力向受电器100B传送,并将表示由受电器100B接收到的电力量的信号传送给送电器10,则能够由送电器10测量受电器100B的受电效率。
接下来,受电器100A将表示额定输出的数据发送给送电器10(步骤S2A)。同样地,受电器100B将表示额定输出的数据发送给送电器10(步骤S2B)。由此,送电器10从受电器100A以及100B接收表示额定输出的数据(步骤S2)。
表示电子设备200A以及200B的额定输出的数据例如预先储存在控制部150A以及150B的内部存储器中,发送表示受电效率的数据后,控制部150A以及150B经由天线170A以及170B发送给送电器10即可。
接下来,送电器10基于表示受电器100A的受电效率的数据以及表示额定输出的数据、和表示受电器100B的受电效率的数据以及表示额定输出的数据来调整受电器100A或者100B的任意一方的驱动信号的相位(步骤S3)。不调整任意另一方的驱动信号的相位。
接下来,送电器10对受电器100A以及100B发送调整相位的指令(步骤S4)。而且,受电器100A以及100B接收调整相位的指令(步骤S4A以及S4B)。
调整相位的指令包括为了调整电力的分配比而调整相位的第一指令、和如图14所示是否进行针对于差拍的相位的调整的第二指令这两种指令。
此处,送电器10的控制部15被设定为经由天线16将调整相位的指令向受电器100A以及100B发送。此处,作为一个例子,在为了减少受电器100A的受电量而调整受电器100A的驱动信号的相位的情况下,向受电器100B发送的第一指令变为将相位调整为0度(相位的原点)的指令。即,变为不调整相位的指令。
另外,对于调整相位的指令中的第二指令,只要根据在受电器100A以及100B的各个中是否进行针对于差拍的相位的调整设定指令的内容即可。
受电器100A以及100B的控制部150A以及150B将调整相位的指令设定为驱动信号(步骤S5A以及S5B)。此处,作为一个例子,在调整受电器100A的驱动信号的相位的情况下,受电器100B的控制部150B不调整相位。
送电器10开始送电(步骤S6)。例如在对送电器10进行了表示控制部150A以及150B完成调整对驱动信号的相位的指令的设定的通知时执行步骤S6的处理即可。
此处,使用图17以及图18对表示受电器100A以及100B的受电效率的数据的获取方法进行说明。
图17是表示送电装置80和电子设备200A以及200B的等效电路的图。图17所示的等效电路与图9所示的送电装置80和电子设备200A以及200B对应。但是,此处作为送电装置80不包括初级侧线圈11,在交流电源1上直接连接初级侧谐振线圈12进行说明。另外,受电器100A以及100B分别包括电压计145A以及145B。
在图17中,次级侧谐振线圈110A为线圈LRA和电阻器RRA,电容器115A为电容器CRA。另外,平滑电容器140A为电容器CSA,DC-DC转换器210A和蓄电池220A为电阻器RLA
同样地,次级侧谐振线圈110B为线圈LRB和电阻器RRB,电容器115B为电容器CRB。另外,平滑电容器140B为电容器CSB,DC-DC转换器210B和蓄电池220B为电阻器RLB
另外,送电装置80的初级侧谐振线圈12为电阻器RT和线圈LT,交流电源1为电源VS和电阻器RS。另外,电容器14为电容器CT
将送电装置80与电子设备200A的互感设为MTA,将送电装置80与电子设备200B的互感设为MTB,将电子设备200A与200B的互感设为MAB
此处,若比较互感MTA和互感MTB,则互感MAB小到能够忽略,所以此处,对互感MTA和互感MTB进行研究。
互感MTA由送电装置80和电子设备200A的受电器100A的受电效率决定。是因为受电效率由受电器100A相对于送电装置80的位置(距离)和姿势(角度)决定。同样地,互感MTB由送电装置80和电子设备200B的受电器100B的受电效率决定。
受电器100A的受电效率能够通过在将受电器100B断开的状态下,从送电器10向受电器100A传送电力并对受电器100A接受的电力量进行计测来求出。同样地,受电器100B的受电效率能够通过在将受电器100A断开的状态下,从送电器10向受电器100B传送电力并对受电器100B接受的电力量进行计测来求出。
因此,如果求出受电器100A和100B单独的受电效率,则能够求出互感MTA和互感MTB
在实施方式1中,为了改变受电器100A以及100B的次级侧谐振线圈110A以及110B的受电效率的比率,而使驱动调整部130A或者130B的驱动信号的相位变化。
因此,预先准备将相位同互感MTA与互感MTB的关系建立关联的表格数据,使用这个表格数据来调整驱动信号的相位。
图18是表示将相位同互感MTA与互感MTB的关系建立关联的表格数据的图。
图18的(A)是用于在将驱动调整部130B的驱动信号的相位固定为0度的状态下,调整驱动调整部130A的驱动信号的相位的表格数据。
互感MTA1、MTA2、MTA3…实际是取具体的互感MTA的值。同样地,互感MTB1、MTB2、MTB3…实际是取具体的互感MTB的值。相位PH1A、PH2A、PH3A、…、PH11A、PH12A、PH13A、…具体而言取通过模拟或者实验所求出的具体的相位的值。
图18的(B)是用于将驱动调整部130A的驱动信号的相位固定为0度的状态下,调整驱动调整部130B的驱动信号的相位的表格数据。
互感MTA1、MTA2、MTA3…和互感MTB1、MTB2、MTB3…与图18的(A)同样的。相位PH1B、PH2B、PH3B、…、PH11B、PH12B、PH13B、…具体而言取通过模拟或者实验所求出的具体的相位的值。
对于通过实验求出图18的(A)以及(B)所示的表格数据,通过在各种改变受电器100A和100B相对于送电器10的位置以及姿势的状态下,对互感MTA和MTB进行计测,并实现相位的最优化,能够创建。
图19是将互感MTA、MTB和受电效率建立关联的表格数据。图19的(A)是将互感MTA和受电器100A的受电效率建立关联的表格数据,图19的(B)是将互感MTB和受电器100B的受电效率建立关联的表格数据。
互感MTA、MTB分别由送电装置80和受电器100A、100B的受电效率EA、EB决定。
在图19的(A)中,将互感MTA1、MTA2、…和受电器100A的受电效率EA1、EA2、…建立关联。另外,在图19的(B)中,将互感MTB1、MTB2、…和受电器100B的受电效率EB1、EB2、…建立关联。
如果预先通过实验等测量受电器100A、100B的互感MTA、MTB和受电效率,创建图19的(A)、(B)所示那样的表格数据,则能够根据受电器100A、100B的受电效率来求出受电器100A、100B的互感MTA、MTB。或者也可以通过模拟根据受电器100A、100B的受电效率来求出受电器100A、100B的互感MTA、MTB
接下来,使用图20对相位的设定方法进行说明。
图20是表示设定实施方式1的送电器10受电器100A或者100B的相位的方法的流程图。该流程表示由送电器10的控制部15执行的处理,是表示图16的步骤S3的处理内容的详细的图。
控制部15若从受电器100A以及100B接收表示受电电力的信号来求出受电效率,并从受电器100A以及100B接收表示额定输出的信号而进入步骤S3,则开始图20所示的处理。
控制部15求出将蓄电池220A的额定输出除以次级侧谐振线圈110A的受电效率所得的第一值、和将蓄电池220B的额定输出除以次级侧谐振线圈110B的受电效率所得的第二值,并判定第一值是否大于第二值(步骤S31)。
控制部15若判定为第一值大于第二值(S31:是),则将驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位设定为0度(步骤S31A)。将相位设定为0度是指设定为相位的原点。
此外,对于相位的原点,通过利用相移电路153使驱动信号的相位变化,检测处理部151基于电压计145的检测电压所计算的受电电力,从而求出给予图15所示的受电电力的最大值PMAX的相位θ0即可。
接下来,控制部15设定驱动受电器100B的调整部130B的驱动信号的相位(步骤S32A)。具体而言,控制部15基于图14的(A)以及(B)所示的表格数据,分别根据受电器100A、100B的受电效率EA、EB来求出受电器100A、100B的互感MTA、MTB。而且,控制部15根据图13的(B)所示的表格数据,基于受电器100A、100B的互感MTA、MTB来求出驱动受电器100B的调整部130B的驱动信号的相位。
若步骤S32A的处理结束,则控制部15使流程进入步骤S4(参照图11)。
另外,控制部15若判定为第一值小于第二值(S31:否),则将驱动受电器100B的调整部130B的驱动信号的相位设定为0度(步骤S31B)。将相位设定为0度是指设定为相位的原点。
接下来,控制部15设定驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位(步骤S32B)。具体而言,控制部15基于图14的(A)以及(B)所示的表格数据,分别根据受电器100A、100B的受电效率EA、EB来求出受电器100A、100B的互感MTA、MTB。而且,控制部15根据图13的(A)所示的表格数据,基于受电器100A、100B的互感MTA、MTB来求出驱动受电器100A的调整部130A的驱动信号的相位。
若步骤S32B的处理结束,则控制部15使流程进入步骤S4(参照图11)。
如以上那样操作,控制部15设定驱动受电器100A、100B的调整部130A、130B的驱动信号的相位。
图21至图24是表示控制部150执行的处理的流程图。
此处,将时钟CLK1、CLK2称为开关信号,该开关信号进行开关131X、131Y的开关。
控制部150判定是否需要开关信号的相位控制(步骤S300)。是否需要开关信号的相位控制由从送电器10接收的调整相位的指令所包含的第一指令和第二指令的内容来决定。
第一指令表示为了变更电力的分配比而调整相位的情况是需要开关信号的相位控制的情况。另外,第二指令表示进行针对于差拍的相位的调整的情况是需要开关信号的相位控制的情况。
不需要开关信号的相位控制的情况是第一指令表示不进行用于变更电力的分配比的相位的调整、且第二指令表示不进行针对于差拍的相位的调整的情况。
控制部150若判定为需要开关信号的相位控制(S300:是),则调整开关信号的频率(步骤S310)。步骤S310的详细使用图22来后述,但在步骤S310中,控制部150调整时钟CLK1、CLK2的频率,以使经过时间tX比过渡响应期间tP充分长。
控制部150求出相位的原点(步骤S320)。步骤S320的详细使用图23来后述,但在步骤S320中,控制部150如使用图15所说明那样求出相位的原点。
控制部150判定受电器100(自己)是否正移动(步骤S330)。受电器100(自己)是否正移动例如基于包括控制部150的电子设备内置的加速度传感器41(参照图4)的检测值来判定即可。
在步骤S330中判定受电器100(自己)是否正移动是因为区分开受电电力的降低是由于控制部150远离送电器10还是因受电电力的差拍所造成的降低来进行处理。
控制部150若判定为受电器100(自己)没有移动(S330:否),则控制开关信号的相位(步骤S340)。步骤S340的详细使用图24来后述,在步骤S340中,控制部150通过控制开关信号的相位来使因差拍而降低的受电电力增大。
控制部150判定受电状态是否在继续(步骤S350)。在步骤S350中,只要根据受电器100(自己)是否正受电进行判定即可。
控制部150若判定为受电状态在继续(S350:是),则使流程返回到步骤S340。结果控制部150通过控制开关信号的相位来使因差拍而降低的受电电力增大。
另外,控制部150若判定为受电状态没有在继续(S350:否),则结束一系列的处理(结束)。
控制部150若判定为受电器100(自己)正移动(S330:是),则判定受电电力是否正减少(步骤S351)。
控制部150若判定为受电电力正减少(S351:是),则判定开关信号的相位是否是最大值θMAX(步骤S352)。受电电力是否正减少只要根据处理部151基于电压计145的检测电压所计算的受电电力是否正减少进行判定即可。
最大值θMAX是指开关信号的相位的调整宽度的最大值。即,步骤S352是判定是否能够进一步调整开关信号的相位的步骤。最大值θMAX为360度。
在到达步骤S352的情况下,受电电力减少,在此以上,是无调整开关信号的相位的余地的状态。这种情况下,使送电器10的送电电力增大。
控制部150若判定为开关信号的相位是最大值θMAX(S352:是),则对送电器10发送使送电电力增大的指令(步骤S353)。控制部150通过无线通信将使送电电力增大的指令发送给送电器10。该处理由处理部151执行。
控制部150判定受电状态是否在继续(步骤S354)。在步骤S354中,只要根据受电器100(自己)是否正受电进行判定即可。
控制部150若判定为受电状态没有在继续(S354:否),则结束一系列的处理(结束)。
控制部150若判定为受电状态在继续(S354:是),则判定是否继续开关信号的相位控制(步骤S358)。是否继续相位控制由从送电器10接收的调整相位的指令所包含的第一指令和第二指令的内容来决定。
另外,控制部150若在步骤S351中判定为受电电力没有在减少(S351:否),则调整开关信号的相位来使受电电力减少(步骤S355)。由于受电器100(自己)移动,受电电力增大的情况是在受电器100(自己)与送电器10接近的情况,所以减少受电量。
控制部150若完成步骤S351的处理,则使流程返回到步骤S300。
另外,控制部150若在步骤S352中判定为开关信号的相位不是最大值θMAX(S352:否),则调整开关信号的相位来使受电电力增大(步骤S356)。由于受电器100(自己)移动,受电电力减少的情况是受电器100(自己)远离送电器10的情况,所以增大受电量。
控制部150若完成步骤S356的处理,则判定是否达到所设定的受电电力(设定受电电力)(步骤S357)。所设定的受电电力是指由第一指令决定的电力。通过处理部151判定是否达成处理部151基于电压计145的检测电压所计算的受电电力由第一指令决定的电力来进行步骤S357的处理。
控制部150若判定为达到了所设定的受电电力(S357:是),则使流程返回到步骤S300。
另外,控制部150若判定为没有达到所设定的受电电力(S357:否),则使流程进入步骤S353。
另外,控制部150若判定为不需要开关信号的相位控制(S300:否),则将相位调整为0度(相位的原点)(步骤S359)。若步骤S359的处理结束,则一系列的处理结束(结束)。
以上,图21所示的流程结束。
接下来,对图22所示的流程图进行说明。
控制部150开始测试受电(步骤S311)。测试受电是使送电器10传送预先设定的规定电力,并对受电状态进行测试。此处,由于能够判定受电电力是否有差拍即可,所以预先设定的规定电力可以是非常少的电力。
控制部150判定受电电力的差拍是否是规定电平以下(步骤S312)。是否是规定电平以下例如只要根据差拍相对于时间变化的减少程度为规定值以下,充分小,差拍的频率是否充分低进行判定即可。
控制部150若判定为受电电力的差拍是规定电平以下(S312:是),则调整开关信号的频率(步骤S313)。在步骤S313中,控制部150调整时钟CLK1、CLK2的频率,以使经过时间tX比过渡响应期间tP充分长。
控制部150若结束步骤S313的处理,则使流程返回到步骤S312。
控制部150若判定为受电电力的差拍不是规定电平以下(S312:否),则将开关信号的频率设定为此时的值(步骤S314)。
以上,调整开关信号的频率的步骤S310完成(结束)。
接下来,对图23所示的流程图进行说明。
控制部150开始测试受电(步骤S321)。测试受电是使送电器10发送预先设定的规定电力,并对受电状态进行测试。此处,由于能够判定受电电力是否有差拍即可,所以预先设定的规定电力可以是非常少的电力。
控制部150扫描开关信号的相位来测量受电电力(步骤S322)。对于扫描开关信号的相位,通过相移电路153使开关信号的相位位移即可,一边位移360度一边处理部151基于电压计145的检测电压来测量受电电力即可。由此,求出图15所示那样的特性。
控制部150根据步骤S322中所得到的特性,求出受电电力为最大值的相位作为相位的原点(步骤S323)。
控制部150将步骤S323中所得到的相位的原点设定为开关信号(步骤S323)。具体而言,相位控制部154对表示相位的原点的值进行保持,并在相移电路153中设定即可。
以上,求出相位的原点的步骤S320的处理完成(结束)。
接下来,对图24所示的流程图进行说明。
控制部150判定是否开始正式送电(步骤S331)。是否开始正式送电例如只要根据是否从送电器10接收到表示开始正式送电的通知信号进行判定即可。
控制部150检测处理部151计算的受电电力P与设定受电电力Ps的误差ΔP(步骤S342)。设定受电电力Ps与步骤S357的设定受电电力相同。误差ΔP通过从设定受电电力Ps减去受电电力P来获得。
控制部150判定误差ΔP是否是阈值以上(步骤S343)。
控制部150若判定为误差ΔP是阈值以上(S343:是),则调整开关信号的相位(步骤S344)。
控制部150在调整前的动作状态下的相位处于图8的横轴所示的相位为正的区域的情况下,为了使受电电力增大而减小相位即可。例如在调整前的相位为30度的情况下,与30度相比使相位接近0度而减小相位即可。
控制部150在调整前的动作状态下的相位处于图8的横轴所示的相位为负的区域的情况下,为了使受电电力增大而增大相位即可。例如在调整前的相位为-30度的情况下,与-30度相比使相位接近0度而增大相位即可。
控制部150若判定为误差ΔP不是阈值以上(S343:否),则判定是否送电结束(步骤S345)。是否送电结束例如只要根据受电器100是否从送电器10接收到表示送电结束的信号进行判断即可。
以上,根据实施方式1,根据受电器100A以及100B的次级侧谐振线圈110A以及110B的受电效率、和电子设备200A以及200B的额定输出来求出向受电器100A以及100B的必要送电量。
而且,使与受电器100A以及100B中必要送电量小的一方的受电器(100A或者100B)对应的驱动信号的相位从相位的原点开始变化。
结果向必要送电量小的一方的受电器(100A或者100B)的电力供给量被消减,能够使向必要送电量大的一方的受电器(100A或者100B)的电力供给量增加。
这样改善向受电器100A以及100B的电力供给量的平衡。
因此,根据实施方式1,能够提供可改善电力供给量的平衡的受电器100A或者100B。另外,根据实施方式1,能够提供可改善电力供给量的平衡的电力传输系统400。
另外,根据实施方式1,调整时钟CLK1、CLK2的频率,以使直到受电电力降低X%为止的经过时间tX比从调整时钟CLK1、CLK2的相位到受电电力稳定为止的过渡响应期间tP充分长。
因此,能够缓和差拍的周期所造成受电电力的变化,并能够抑制受电电力的急剧的变化。
另外,根据实施方式1,若误差ΔP因受电电力的差拍而变大,则调整时钟CLK1、CLK2(开关信号)的相位来使受电电力增大。因此,能够抑制由差拍所造成的受电电力的降低,并能够高效地受电。
另外,以上,对求出相位的原点,从相位的原点使时钟CLK1、CLK2(开关信号)的相位变化的方式进行了说明。然而,也可以不求出相位的原点,而使时钟CLK1、CLK2(开关信号)的相位变化。此时,无需使用图18以及图19所示的数据。
在不求出相位的原点而使时钟CLK1、CLK2(开关信号)的相位变化的情况下,例如提供实验等预先调查相位与受电电力的关系后再设定即可。另外,不管使相位前进还是延迟,都预先调查相位与受电电力的关系后再设定即可。
另外,以上,对通过减少与2个受电器100A以及100B中必要送电量小的一方的受电器(100A或者100B)对应的驱动信号的相位来改善向受电器100A以及100B的电力供给量的平衡的方式进行了说明。
然而,也存在同时对3个以上的受电器进行充电的情况。这种情况下,减少将必要电力量,即,各额定电力除以各受电效率所得的电力量最大的受电器以外的受电器的驱动信号的相位即可。
另外,以上,对作为一个例子,电子设备200A以及200B为平板计算机或者智能手机等终端机的方式进行了说明,但电子设备200A以及200B例如可以是笔记本型的PC(Personal Computer)、移动电话终端机、便携式的游戏机、数码相机、摄像机等内置充电式的蓄电池的电子设备。
另外,以上,对根据2个受电器100A以及100B的受电效率和额定输出来求出相位,控制部150A或者150B调整驱动开关131A以及131B的驱动信号的相位的方式进行了说明。
然而,在一个送电器10与一个受电器100(参照图4)之间传输电力的情况下,受电器100的控制部150可以使用通过实验等预先求出的相位来驱动开关131A以及131B。此时,无需在控制部150的内部存储器中储存表示蓄电池220的额定输出的数据。
另外,在一个送电器10与一个受电器100(参照图4)之间传输电力的情况下,受电器100的控制部150通过调整时钟CLK1、CLK2的相位,能够调整受电电力。此时,无需检测受电器100接受的电力最大的相位。
另外,以上,对受电器100A以及100B同时对蓄电池220A以及220B进行充电的方式进行了说明。然而,电子设备200A以及200B可以不包括蓄电池220A以及220B而直接消耗受电器100A以及100B接受的电力来进行动作。由于受电器100A以及100B能够同时高效地受电,所以即使在电子设备200A以及200B不包括蓄电池220A以及220B的情况下,电子设备200A以及200B也能够同时驱动。这是由于在分时受电的情况下是不可能的,所以是同时受电的情况下的优点之一。此外,在这种情况下,使用电子设备200A以及200B的驱动所需的额定输出来设定相位即可。
另外,以上,对送电器10的控制部15生成驱动信号,并发送给受电器100A以及100B的方式进行了说明,但也可以将表示送电器10的送电电力的数据发送给受电器100A、100B,并在受电器100A、100B侧生成驱动信号。在这种情况下,在受电器100A与100B之间进行数据通信,判定受电器100A或者100B哪个受电电力大,并为了增大受电电力少的一方的受电器(100A或者100B)的驱动信号的相位,而至少任意一方的受电器(100A或者100B)生成驱动信号即可。
另外,送电器10可以从受电器100A、100B接收表示受电电力和额定输出的数据,并使必要送电量小的一方的受电器(100A或者100B)的控制部(150A或者150B)调整相位。在这种情况下,调整相位所需的数据由控制部(150A或者150B)储存在内部存储器中即可。
另外,调整部130的二极管131X以及131Y的方向也可以与图4所示的方向相反。图25是表示实施方式1的变形例的调整部130V的图。
调整部130V具有开关131X、131Y、二极管132VX、132VY、电容器133X、133Y以及端子134X、134Y。二极管132VX、132VY的整流方向分别与图4所示的二极管132X、132Y相反。除此以外与图4所示的调整部130相同,所以对同样的构成要素附加同一符号,省略其说明。
图26是表示电容器115以及调整部130V中的电流路径的图。在图26中,将从端子134X经过电容器115或者调整部130V的内部流向端子134Y的电流的方向称为顺时针(CW(Clockwise))。另外,将从端子134Y经过电容器115或者调整部130V的内部流向端子134X的电流的方向称为逆时针(CCW(Counterclockwise))。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部130V内产生从端子134X经过二极管132VX以及开关131Y朝向端子134Y的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部130V内在从端子134Y经过开关131Y以及电容器133X朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115Y流向端子115X。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动。
在开关131X接通、开关131Y断开,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部130V内在从端子134X经过开关131X以及电容器133Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115X流向端子115Y。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动。
在开关131X接通、开关131Y断开,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部130V内产生从端子134Y经过二极管132VY以及开关131X朝向端子134X的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。
<实施方式2>
图27是表示实施方式2的受电器500和送电装置80的图。送电装置80包括交流电源1和送电器10。以下,对与实施方式1的构成要素同样的构成要素附加同一符号,省略其说明。
送电装置80包括交流电源1和送电器10。
送电器10具有初级侧线圈11、初级侧谐振线圈12、匹配电路13、电容器14、控制部15以及天线16。
受电器500包括次级侧谐振线圈110、电容器115、整流电路120、调整部530、平滑电容器140、控制部150、电压计160V、输出端子160X、160Y以及天线170。在输出端子160X、160Y上连接有DC-DC转换器210,在DC-DC转换器210的输出侧连接有蓄电池220。
首先,对送电器10进行说明。如图27所示,初级侧线圈11是环状的线圈,在两端间经由匹配电路13与交流电源1连接。初级侧线圈11与初级侧谐振线圈12以非接触的方式接近地配置,与初级侧谐振线圈12电磁场耦合。初级侧线圈11被配设为自己的中心轴与初级侧谐振线圈12的中心轴一致。使中心轴一致是为了提高初级侧线圈11与初级侧谐振线圈12的耦合强度,并且抑制磁通的泄露,抑制在初级侧线圈11以及初级侧谐振线圈12的周围产生不必要的电磁场。
初级侧线圈11通过从交流电源1经由匹配电路13供给的交流电力产生磁场,并通过电磁感应(相互引导)将电力传送给初级侧谐振线圈12。
如图27所示,初级侧谐振线圈12与初级侧线圈11以非接触的方式接近地配置,与初级侧线圈11电磁场耦合。另外,初级侧谐振线圈12被设计为具有规定的谐振频率,具有高的Q值。初级侧谐振线圈12的谐振频率被设定为与次级侧谐振线圈110的谐振频率相等。在初级侧谐振线圈12的两端之间串联连接用于调整谐振频率的电容器14。
初级侧谐振线圈12的谐振频率被设定为与交流电源1输出的交流电力的频率相同的频率。初级侧谐振线圈12的谐振频率由初级侧谐振线圈12的电感和电容器14的静电电容决定。因此,初级侧谐振线圈12的电感和电容器14的静电电容以初级侧谐振线圈12的谐振频率成为与从交流电源1输出的交流电力的频率相同的频率的方式设定。
匹配电路13是为了取初级侧线圈11与交流电源1的阻抗匹配而被插入,包括电感器L和电容器C。
交流电源1是输出磁场共振所需的频率的交流电力的电源,内置对输出电力进行放大的放大器。交流电源1例如输出从数百kHz到数十MHz左右的高频的交流电力。
电容器14是被串联插入到初级侧谐振线圈12的两端之间的可变电容型的电容器。电容器14是为了调整初级侧谐振线圈12的谐振频率而设置,静电电容由控制部15来设定。
控制部15进行交流电源1的输出电压以及输出频率的控制、电容器14的静电电容的控制等。另外,控制部15通过天线16与受电器500进行数据通信。
以上那样的送电装置80通过磁感应将从交流电源1供给至初级侧线圈11的交流电力向初级侧谐振线圈12传送,从初级侧谐振线圈12通过磁场共振将电力向受电器500的次级侧谐振线圈110传送。
接下来,对受电器500所包含的次级侧谐振线圈110进行说明。此处,作为一个例子,对谐振频率为6.78MHz的方式进行说明。
次级侧谐振线圈110被设计为具有与初级侧谐振线圈12相同的谐振频率,具有高的Q值。次级侧谐振线圈110具有谐振线圈部111和端子112X、112Y。此处,谐振线圈部111实质上是次级侧谐振线圈110本身,但此处,将在谐振线圈部111的两端设置有端子112X、112Y的部件作为次级侧谐振线圈110来看待。
在谐振线圈部111中串联插入用于调整谐振频率的电容器115。另外,调整部530与电容器115并联连接。另外,在谐振线圈部111的两端设置有端子112X、112Y。端子112X、112Y与整流电路120连接。端子112X、112Y分别是第一端子以及第二端子的一个例子。
次级侧谐振线圈110不经由次级侧线圈而与整流电路120连接。次级侧谐振线圈110在通过调整部530而成为能够产生谐振的状态时,将从送电器10的初级侧谐振线圈12通过磁场共振传送的交流电力输出给整流电路120。
电容器115为了调整次级侧谐振线圈110的谐振频率而被串联插入到谐振线圈部111。电容器115具有端子115X以及115Y。调整部530与电容器115并联连接。电容器115是第一电容器的一个例子。
整流电路120具有4个二极管121~124。二极管121~124连接成桥状,对从次级侧谐振线圈110输入的电力进行全波整流并输出。
调整部530在次级侧谐振线圈110的谐振线圈部111中与电容器115并联连接。
调整部530具有开关131X、131Y、二极管132X、132Y、电容器133X、133Y、端子134X、134Y以及电容器135。开关131X、131Y、二极管132X、132Y、电容器133X、133Y、端子134X、134Y与实施方式1同样。
电容器135被串联插入到端子134X与连接点136之间。连接点136是将开关131X的一端、二极管132X的阴极和电容器133X的一端连接起来的点。即,电容器135被串联插入到开关131X以及131Y的串联电路中。换言之,电容器135被串联插入到二极管132X以及132Y的串联电路中,被串联插入到电容器133X以及133Y的串联电路中。
次级侧谐振线圈110产生由磁场共振所引起的谐振的L、C条件中的电容C被设定为电容器133X或者133Y的任意一方和电容器135电容器115的合成电容。即,在次级侧谐振线圈110的电流路径中包括电容器133X或者133Y的任意一方、电容器135和电容器115的情况下,产生由磁场共振所引起的谐振。
此外,次级侧谐振线圈110产生由磁场共振所引起的谐振的条件中的电感是次级侧谐振线圈110的电感。
开关131X和131Y以相互相反相位切换接通/断开。在开关131X断开、开关131Y接通时,在调整部530内在从端子134X经过电容器135、电容器133X以及开关131Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中变为能够从端子115X向端子115Y流动谐振电流的状态。即,在图27中,在次级侧谐振线圈110中变为谐振电流能够沿顺时针的方向流动的状态。
另外,在开关131X接通、开关131Y断开时,在调整部530内产生从端子134X经过电容器135、开关131X以及二极管132Y朝向端子134Y的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。
因此,若从使开关131X断开、开关131Y接通,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动的状态切换为开关131X接通、开关131Y断开的状态,则不产生谐振电流。是因为电流路径包括电容器135,但仅电容器135则谐振条件不成立。
另外,在开关131X接通、开关131Y断开时,在调整部530内在从端子134Y经过电容器133Y、开关131X以及电容器135朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中变为能够从端子115Y向端子115X流动谐振电流的状态。即,在图27中,在次级侧谐振线圈110中变为谐振电流能够沿逆时针的方向流动的状态。
另外,在开关131X断开、开关131Y接通时,在调整部530内产生从端子134Y经过开关131Y、二极管132X以及电容器135朝向端子134X的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。
因此,若从使开关131X接通、开关131Y断开,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动的状态切换为开关131X断开、开关131Y接通的状态,则不产生谐振电流。是因为电流路径包括电容器135,但仅电容器135则谐振条件不成立。
调整部530通过如上述那样切换开关131X以及131Y来切换能够产生谐振电流的状态、和不产生谐振电流的状态。开关131X以及131Y的切换通过从控制部150输出的驱动信号来进行。
驱动信号的频率被设定为次级侧谐振线圈110接受的交流频率。
开关131X以及131Y以上述那样的高的频率进行交流电流的切断。例如组合2个FET而成的调整部530能够高速进行交流电流的切断。
此外,使用图28对驱动信号和调整部530的动作进行后述。
平滑电容器140与整流电路120的输出侧连接,对被整流电路120全波整流的电力进行平滑化并作为直流电力而输出。在平滑电容器140的输出侧连接输出端子160X、160Y。被整流电路120全波整流的电力是使交流电力的负成分反转为正成分,所以能够大致作为交流电力来看待,通过使用平滑电容器140,即使在被全波整流的电力包括脉动那样的情况下,也能够获得稳定的直流电力。
此外,连结平滑电容器140的上侧的端子和输出端子160X的线路是高电压侧的线路,连结平滑电容器140的下侧的端子和输出端子160Y的线路是低电压侧的线路。
图28是表示电容器115以及调整部530中的电流路径的图。图28与图27同样地,将从端子134X通过电容器115或者调整部530的内部流向端子134Y的电流的方向称为顺时针(CW(Clockwise))。另外,将从端子134Y通过电容器115或者调整部530的内部流向端子134X的电流的方向称为逆时针(CCW(Counterclockwise))。
另外,此处示出开关131X以及131Y为P沟道型的FET的情况下的时钟CLK1以及CLK2。开关131X以及131Y在时钟CLK1以及CLK2为L电平时接通,在H电平时断开。
首先,在开关131X和131Y都断开,电流为顺时针(CW)的情况下,在从端子134X经过电容器135,电容器133X以及二极管132Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115X流向端子115Y。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动。
在开关131X和131Y都断开,电流为逆时针(CCW)的情况下,在从端子134Y经过电容器133Y、二极管132X以及电容器135朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115Y流向端子115X。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动。
在开关131X接通、开关131Y断开,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部530内产生从端子134X经过电容器135、开关131X以及二极管132Y朝向端子134Y的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。此外,此时,即使将开关131Y接通,在次级侧谐振线圈110中也不流动谐振电流。
在开关131X接通、开关131Y断开,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部530内在从端子134Y经过电容器133Y、开关131X以及电容器135朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115Y流向端子115X。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动。此外,在与开关131X并联的二极管132X中也流动电流。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部530内在从端子134X经过电容器135、电容器133X以及开关131Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115X流向端子115Y。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动。此外,在由开关131Y并联的二极管132Y中也流动电流。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部530内产生从端子134Y经过开关131Y、二极管132X以及电容器135朝向端子134X的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。此外,此时,即使将开关131X接通,在次级侧谐振线圈110中也不流动谐振电流。
此外,有助于谐振电流的谐振频率的静电电容由电容器115、电容器132X或者132Y和电容器135这3个电容器决定。3个电容器包括电容器132X或者132Y的任意一方。因此,优选电容器132X和132Y的静电电容相等。
图29是表示实施方式2的变形例的调整部530-1、530-2的图。
图29(A)所示的调整部530-1具有开关131X、131Y、二极管132X、132Y、电容器133X、133Y、端子134X、134Y以及电容器135A。
电容器135A被串联插入到开关131Y的右侧的端子、二极管132Y的阳极和电容器133Y的右侧的端子的连接点136A与端子134Y之间。
图29(B)所示的调整部530-2具有开关131X、131Y、二极管132X、132Y、电容器133X、133Y、端子134X、134Y以及电容器135B。
电容器135B被串联插入到开关131X的右侧的端子、二极管132X的阴极和电容器133X的右侧的端子的连接点136C与开关131Y的左侧的端子、二极管132Y的阴极和电容器133Y的左侧的端子的连接点136D之间。
另外,在图27所示的调整部530中,除了电容器135之外,还可以加入图29(B)所示的电容器135B,也可以在图29(A)所示的调整部530-1中加入图29(B)所示的电容器135B。这种情况下,也包括电容器135B的电容来设定谐振条件即可。
另外,调整部530的二极管132X以及132Y的方向可以与图27所示的方向相反。图30是表示实施方式2的变形例的调整部530V的图。
调整部530V具有开关131X、131Y、二极管132VX、132VY、电容器133X、133Y、端子134X、134Y以及电容器135。二极管132VX、132VY的整流方向分别与图27所示的二极管132X、132Y相反。除此以外与图27所示的调整部530相同,所以对同样的构成要素附加同一符号,省略其说明。
图31是表示电容器115以及调整部530V中的电流路径的图。在图31中,将从端子134X通过电容器115或者调整部530V的内部流向端子134Y的电流的方向称为顺时针(CW(Clockwise))。另外,将从端子134Y通过电容器115或者调整部530V的内部流向端子134X的电流的方向称为逆时针(CCW(Counterclockwise))。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部530V内产生从端子134X经过电容器135、二极管132VX以及开关131Y朝向端子134Y的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。
在开关131X断开、开关131Y接通,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部530V内在从端子134Y经过开关131Y、电容器133X以及电容器135朝向端子134X的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115Y流向端子115X。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿逆时针的方向流动。
在开关131X接通、开关131Y断开,电流为顺时针(CW)的情况下,在调整部530V内在从端子134X经电容器135、开关131X以及电容器133Y朝向端子134Y的方向上流动谐振电流,并且在电容器115中谐振电流从端子115X流向端子115Y。因此,在次级侧谐振线圈110中谐振电流沿顺时针的方向流动。
在开关131X接通、开关131Y断开,电流为逆时针(CCW)的情况下,在调整部530V内产生从端子134Y经过二极管132VY、开关131X以及电容器135朝向端子134X的电流路径。由于该电流路径与电容器115并联,所以在电容器115中不流动电流。因此,在次级侧谐振线圈110中不流动谐振电流。
以上,根据实施方式2,在有多个在实施方式1的受电器100加入电容器135而构成的受电器500的情况下,能够改善电力供给量的平衡。
另外,能够缓和由受电电力的差拍的周期所造成的受电电力的变化,能够抑制受电电力的急剧的变化。并且,能够抑制由差拍所造成的受电电力的降低,并能够高效地受电。
以上,对本发明的例示的实施方式的受电器以及电力传输系统进行了说明,但本发明并不限于具体公开的实施方式,能够进行各种变形、变更而不从权利要求书脱离。
符号说明
10 送电器
11 初级侧线圈
12 初级侧谐振线圈
13 匹配电路
14 电容器
15 控制部
100、100A、100B、101、101-1~101-N、103、500 受电器
110、110A、110B 次级侧谐振线圈
120、121、122、123、124 整流电路
130、130A、130B 调整部
131X、131Y 开关
132X、132Y 二极管
133X、133Y 电容器
134X、134Y 端子
140、140A、140B 平滑电容器
150、150A、150B 控制部
160X、160Y 输出端子
170A、170B 天线
180 开关
190 虚设电阻器
200A、200B 电子设备
210、210A、210B DC-DC转换器
220、220A、220B 蓄电池
400 电力传输系统

Claims (22)

1.一种受电器,包括:
次级侧谐振线圈,具有谐振线圈部,并通过与初级侧谐振线圈之间所产生的磁场共振或者电场共振从上述初级侧谐振线圈接受电力;
电容器,被串联插入到上述次级侧谐振线圈的上述谐振线圈部;
第一开关以及第二开关的串联电路,与上述电容器并联连接;
第一整流元件,与上述第一开关并联连接,具有第一整流方向;
第二整流元件,与上述第二开关并联连接,具有与上述第一整流方向相反的第二整流方向;
检测部,对上述次级侧谐振线圈接受的电力进行检测;以及
控制部,通过调整切换上述第一开关的接通/断开的第一信号以及切换上述第二开关的接通/断开的第二信号的相位来调整上述次级侧谐振线圈接受的电力量。
2.根据权利要求1所述的受电器,其中,
上述控制部基于由上述检测部检测的电力来调整上述第一信号以及上述第二信号的开关频率,以使上述电力的差拍的频率降低。
3.根据权利要求2所述的受电器,其中,
若上述电力因上述差拍而降低到规定值,则上述控制部调整上述第一信号和上述第二信号的相位,以使上述电力变为上述规定值以上。
4.根据权利要求3所述的受电器,其中,
每当上述电力因上述差拍而降低到规定值时,上述控制部反复调整上述相位。
5.根据权利要求3所述的受电器,其中,
上述控制部调整上述开关频率,以使在上述相位调整后到上述电力稳定为止的过渡响应期间比上述差拍的频率短。
6.根据权利要求4所述的受电器,其中,
上述控制部调整上述开关频率,以使在上述相位调整后到上述电力稳定为止的过渡响应期间比上述差拍的频率短。
7.根据权利要求3~6中的任意一项所述的受电器,其中,
若上述电力因上述差拍而降低到规定值,则上述控制部调整上述第一信号和上述第二信号的相位,以使上述电力成为比上述规定值高的规定的设定值。
8.根据权利要求3~6中的任意一项所述的受电器,其中,
上述控制部扫描上述第一信号和上述第二信号的相位,在进行上述扫描时求出上述电力最大的相位,并以上述电力最大的相位为基准来调整上述第一信号和上述第二信号的相位。
9.根据权利要求7所述的受电器,其中,
上述控制部扫描上述第一信号和上述第二信号的相位,在进行上述扫描时求出上述电力最大的相位,并以上述电力最大的相位为基准来调整上述第一信号和上述第二信号的相位。
10.根据权利要求1~6、9中的任意一项所述的受电器,其中,
上述控制部在受电电力相对于上述第一信号和上述第二信号的相位的减少而增大的动作区域中使上述第一信号和上述第二信号的相位减少,在受电电力相对于上述第一信号和上述第二信号的相位的增大而增大的动作区域中使上述第一信号和上述第二信号的相位增大。
11.根据权利要求7所述的受电器,其中,
上述控制部在受电电力相对于上述第一信号和上述第二信号的相位的减少而增大的动作区域中使上述第一信号和上述第二信号的相位减少,在受电电力相对于上述第一信号和上述第二信号的相位的增大而增大的动作区域中使上述第一信号和上述第二信号的相位增大。
12.根据权利要求8所述的受电器,其中,
上述控制部在受电电力相对于上述第一信号和上述第二信号的相位的减少而增大的动作区域中使上述第一信号和上述第二信号的相位减少,在受电电力相对于上述第一信号和上述第二信号的相位的增大而增大的动作区域中使上述第一信号和上述第二信号的相位增大。
13.根据权利要求1~6、9、11~12中的任意一项所述的受电器,其中,
还包括串联插入到上述串联电路的第二电容器。
14.根据权利要求7所述的受电器,其中,
还包括串联插入到上述串联电路的第二电容器。
15.根据权利要求8所述的受电器,其中,
还包括串联插入到上述串联电路的第二电容器。
16.根据权利要求10所述的受电器,其中,
还包括串联插入到上述串联电路的第二电容器。
17.根据权利要求13所述的受电器,其中,
上述第二电容器被串联插入到上述谐振线圈部与上述第一开关之间、上述第一开关与上述第二开关之间,或者上述第二开关与上述谐振线圈部之间。
18.根据权利要求14~16中的任意一项所述的受电器,其中,
上述第二电容器被串联插入到上述谐振线圈部与上述第一开关之间、上述第一开关与上述第二开关之间,或者上述第二开关与上述谐振线圈部之间。
19.一种电力传输系统,包括具有初级侧谐振线圈的送电器和从上述送电器接受电力的受电器,其中,
上述受电器包括:
次级侧谐振线圈,具有谐振线圈部,并通过与初级侧谐振线圈之间所产生的磁场共振或者电场共振从上述初级侧谐振线圈接受电力;
电容器,被串联插入到上述次级侧谐振线圈的上述谐振线圈部;
第一开关以及第二开关的串联电路,与上述电容器并联连接;
第一整流元件,与上述第一开关并联连接,具有第一整流方向;
第二整流元件,与上述第二开关并联连接,具有与上述第一整流方向相反的第二整流方向;
检测部,对上述次级侧谐振线圈接受的电力进行检测;以及
控制部,通过调整切换上述第一开关的接通/断开的第一信号以及切换上述第二开关的接通/断开的第二信号的相位来调整上述次级侧谐振线圈接受的电力量。
20.一种电力传输系统,包括具有初级侧谐振线圈和送电控制部的送电器以及从上述送电器接受电力的第一受电器以及第二受电器,其中,
上述第一受电器包括:
第一次级侧谐振线圈,具有第一谐振线圈部,并通过与第一初级侧谐振线圈之间所产生的磁场共振或者电场共振从上述初级侧谐振线圈接受电力;
第一电容器,被串联插入到上述第一次级侧谐振线圈的上述第一谐振线圈部;
第一开关以及第二开关的第一串联电路,与上述第一电容器并联连接;
第一整流元件,与上述第一开关并联连接,具有第一整流方向;
第二整流元件,与上述第二开关并联连接,具有与上述第一整流方向相反的第二整流方向;
第一检测部,对上述第一次级侧谐振线圈接受的电力进行检测;以及
第一控制部,通过调整切换上述第一开关的接通/断开的第一信号以及切换上述第二开关的接通/断开的第二信号的相位来调整上述第一次级侧谐振线圈接受的电力量,
上述第二受电器包括:
第二次级侧谐振线圈,具有第二谐振线圈部,并通过与第二初级侧谐振线圈之间所产生的磁场共振或者电场共振从上述初级侧谐振线圈接受电力;
第二电容器,被串联插入到上述第二次级侧谐振线圈的上述第二谐振线圈部;
第三开关以及第四开关的第二串联电路,与上述第二电容器并联连接;
第三整流元件,与上述第三开关并联连接,具有第三整流方向;
第四整流元件,与上述第四开关并联连接,具有与上述第三整流方向相反的第四整流方向;
第二检测部,对上述第二次级侧谐振线圈接受的电力进行检测;以及
第二控制部,通过调整切换上述第三开关的接通/断开的第三信号以及切换上述第四开关的接通/断开的第四信号的相位来调整上述第二次级侧谐振线圈接受的电力量。
21.根据权利要求20所述的电力传输系统,其中,
上述第一受电器还包括第一通信部,该第一通信部将表示由上述第一检测部检测出的电力的第一电力信号和表示与上述第一受电器连接的负载的第一额定输出的第一额定输出信号发送给上述送电器,
上述第二受电器还包括第二通信部,该第二通信部将表示由上述第二检测部检测出的电力的第二电力信号和表示与上述第二受电器连接的负载的第二额定输出的第二额定输出信号发送给上述送电器,
上述送电器还具有与上述第一通信部以及上述第二通信部通信的第三通信部,
上述送电器经由上述第三通信部从上述第一通信部接收上述第一电力信号以及上述第一额定输出信号,并且从上述第二通信部接收上述第二电力信号以及上述第二额定输出信号,
上述送电控制部根据向上述第一受电器的送电电力和上述第一电力信号来求出上述第一受电器的第一受电效率,并且根据向上述第二受电器的送电电力和上述第二电力信号来求出上述第二受电器的第二受电效率,
并在将上述第一额定输出信号表示的第一额定输出除以上述第一受电效率所得的第一值大于将上述第二额定输出信号表示的第二额定输出除以上述第二受电效率所得的第二值时,将驱动上述第一受电器的上述第一开关以及上述第二开关的第一驱动信号的相位设定为相位的原点,并且基于上述第二受电效率来设定驱动上述第二受电器的上述第三开关以及上述第四开关的第二驱动信号的相位。
22.根据权利要求21所述的电力传输系统,其中,
上述送电器还具有:
第一表格数据,将上述第一驱动信号的相位同上述送电器以及上述第一受电器的第一互感和上述送电器以及上述第二受电器的第二互感建立关联;
第二表格数据,将上述第二驱动信号的相位同上述第一互感和上述第二互感建立关联;
第三表格数据,将上述第一互感和上述第一受电器的第一受电效率建立关联;
第四表格数据,将上述第二互感和上述第二受电器的第二受电效率建立关联,
上述送电控制部在上述第三表格数据内提取与上述求出的第一受电效率对应的上述第一互感,并且在上述第四表格数据内提取与上述求出的第二受电效率对应的上述第二互感,
在上述第二表格数据内,对与上述提取出的第一互感和上述提取出的第二互感对应的上述第二驱动信号的相位设定上述第二驱动信号的相位。
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