CN107852035A - 非接触式供电装置 - Google Patents

Abstract

非接触式供电装置(1)具有送电装置(2)和受电装置(3)，受电装置(3)具有从送电装置(2)以非接触的方式进行电力传输的接收线圈(21)。送电装置(2)具有谐振电路(13)和供电电路(10)。谐振电路(13)具有电容器(14)和与电容器(14)的一端连接的能够与接收线圈(21)之间进行电力传输的发射线圈(15)。此外供电电路(10)向谐振电路(13)供给具有可调节的工作频率的交流电。送电装置(2)还具有：电压检测电路(16)，检测施加于发射线圈(15)的交流电压；以及控制电路(18)，向该交流电压升高的方向对从供电电路(10)供给的交流电的工作频率进行调节。

Description

非接触式供电装置

技术领域

本发明涉及非接触式供电装置。

背景技术

历来，研究不经由金属的触点等而通过空间对电力进行传输的所谓非接触式供电(也被称为无线供电)技术。

作为非接触式供电技术之一，已知磁场共振(也被称为磁场谐振耦合或磁力共振)方式(例如，参照专利文献1)。在磁场共振方式中，设置有在送电侧和受电侧分别包含线圈的谐振电路，通过使那些谐振电路的谐振频率同步，在送电侧的线圈和受电侧的线圈之间产生能够通过磁场共振而传输能量的磁场的耦合状态。由此，电力经由空间从送电侧的线圈被向受电侧的线圈传输。在基于磁场共振方式的非接触式供电中，能够实现百分之几十程度的能量传输效率，而且，能够使送电侧的线圈和受电侧的线圈之间的距离较大。例如，在各线圈具有几十厘米的尺寸的情况下，能够将送电侧的线圈和受电侧的线圈之间的距离设为几十厘米到一米以上。

另一方面，在磁场共振方式中，已知若送电侧的线圈和受电侧的线圈之间的距离小于最佳距离，则能量传输电量下降(例如，参照专利文献2)。这是由于两个线圈之间的耦合度根据这两个线圈之间的距离而变化，从而两个线圈之间的谐振频率变化。在两个线圈之间的距离适宜的情况下，两个线圈之间的谐振频率是一个，该谐振频率与由线圈的电感和电容器的电容量决定的、送电侧和受电侧的谐振电路的谐振频率相等。但是，若两个线圈之间的距离变近，耦合度变高，则这两个线圈之间的谐振频率出现两个。其中一个是比各谐振电路自身的谐振频率高的频率，另一个是比各谐振电路自身的谐振频率低的频率。这样，由于如果耦合度变高，则两个线圈之间的谐振频率和各谐振电路自身的谐振频率变得不一致，所以即使将具有该谐振电路的谐振频率的交流电供给至送电侧的谐振电路，由于线圈之间不能很好地发生谐振，所以能量传输电量也会下降。

于是，对于在发生磁场共振的谐振频率上进行谐振的受电谐振线圈，专利文献2所公开的送电装置具有与将从电源部供给的电力作为磁场能量进行送电的受电谐振线圈相比谐振点不同的送电线圈。由此，该送电装置能够不利用磁场共振，而在送电线圈和受电谐振线圈之间进行电力的传送和接收。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2009-501510号公报

专利文献2：国际公开第2011/064879号

发明内容

发明要解决的课题

在磁场共振方式中，通过将送电侧的线圈和受电侧的线圈之间的谐振频率设为相同，实现提高能量传输电量。但是，在专利文献2所公开的技术中，由于送电线圈的谐振点和受电谐振线圈的谐振点不同，所以有能量传输电量下降的顾虑。

因此，本发明的目的在于，提供一种即使送电侧的线圈和受电侧的线圈之间的距离变化，也能够抑制能量传输电量的下降的非接触式供电装置。

用于解决课题的手段

作为本发明的一种方式，提供具有送电装置和受电装置的非接触式供电装置，受电装置具有从送电装置以非接触的方式进行电力传输的接收线圈。在该非接触式供电装置中，送电装置具有谐振电路和供电电路。谐振电路具有电容器和与电容器的一端连接的能够与接收线圈之间进行电力传输的发射线圈。此外供电电路向谐振电路供给具有可调节的工作频率的交流电。送电装置还具有：电压检测电路，检测施加于发射线圈的交流电压；以及控制电路，向该交流电压升高的方向对从供电电路供给的交流电的工作频率进行调节。

在该非接触式供电装置中，优选使工作频率向提高的方向和降低的方向中的任意一方向变化之后，施加于发射线圈的交流电压变得比变更工作频率之前施加于发射线圈的交流电压高的情况下，送电装置的控制电路使工作频率向该一方向进一步变化，另一方面，变更工作频率之后施加于发射线圈的交流电压变得比变更工作频率之前施加于发射线圈的交流电压低的情况下，送电装置的控制电路使工作频率向该一方向的反方向变化。

在该情况下，优选控制电路具有对谐振电路的谐振频率进行存储的存储器。而且优选控制电路将开始向受电装置进行非接触式供电时的交流电的工作频率设为谐振电路的谐振频率。

此外，在该非接触式供电装置中，优选送电装置的供电电路具有直流电源、以及串联连接在直流电源的正极侧端子和负极侧端子之间的两个开关元件。在该情况下，优选谐振电路的一端连接至两个开关元件之间，谐振电路的另一端与负极侧端子连接。而且优选控制电路以供电电路的工作频率对这两个开关元件交互地进行导通和截止的切换。

发明的效果

本发明的非接触式供电装置，具有即使送电侧的线圈和受电侧的线圈之间的距离变化，也能够抑制能量传输电量的下降的效果。

附图说明

图1是本发明的一实施方式的非接触式供电装置的结构示意图。

图2是非接触式供电装置的等效电路图。

图3是表示图2所示的等效电路的电阻的频率特性的一例的图。

具体实施方式

以下，参照附图对根据本发明的一实施方式的非接触式供电装置进行说明。如上所述，在利用送电侧的线圈和受电侧的线圈之间的谐振的非接触式供电中，谐振频率根据送电侧的线圈(以下，称为发射线圈)和受电侧的线圈(以下，称为接收线圈)之间的距离而变化。因此，在供电中，该非接触式供电装置一边使对发射线圈供给的交流电的工作频率变化，一边对施加于发射线圈的交流电压的变化进行测量。然后该非接触式供电装置根据该交流电压的变化，使对发射线圈进行供给的供电电路的工作频率、即从供电电路供给的交流电的工作频率向该交流电压升高的方向变化。由此，与发射线圈和接收线圈之间的距离无关，该非接触式供电装置能够对发射线圈供给具有接近谐振频率的工作频率的交流电，抑制能量传输电量的下降。

图1是本发明的一实施方式的非接触式供电装置的结构示意图。如图1所示，非接触式供电装置1具有送电装置2和从送电装置2经由空间进行电力传输的受电装置3。送电装置2具有供电电路10、具有电容器14和发射线圈15的谐振电路13、电压检测电路16、栅极驱动器17以及控制电路18。另一方面，受电装置3具有包括接收线圈21和电容器22的谐振电路20、整流平滑电路23以及负载电路24。

首先，对送电装置2进行说明。

供电电路10将具有可调节的工作频率的交流电向谐振电路13供给。为此，供电电路10具有直流电源11和两个开关元件12-1、12-2。

直流电源11供给具有规定电压的直流电。为此，直流电源11例如也可以具有电池。或者，直流电源11也可以具有与商用的交流电源连接、用于将该交流电源供给的交流电变换为直流电的全波整流电路和平滑电容器。

两个开关元件12-1、12-2串联地连接在直流电源11的正极侧端子和负极侧端子之间。此外在本实施方式中，开关元件12-1连接至直流电源11的正极侧，另一方面，开关元件12-1连接至直流电源11的负极侧。各开关元件12-1、12-2例如能够设为n沟道型的MOSFET。而且开关元件12-1的漏极端子与直流电源11的正极侧端子连接，开关元件12-1的源极端子与开关元件12-2的漏极端子连接。此外，开关元件12-2的源极端子与直流电源11的负极侧端子连接。进一步，开关元件12-1的源极端子和开关元件12-2的漏极端子经由电容器14连接至发射线圈15的一端，开关元件12-2的源极端子直接连接至发射线圈15的另一端。

此外，各开关元件12-1、12-2的栅极端子经由栅极驱动器17与控制电路18连接。进一步，为了保证当施加导通电压时该开关元件导通，各开关元件12-1、12-2的栅极端子分别经由电阻R1、R2与源极端子连接。而且各开关元件12-1、12-2根据来自控制电路18的控制信号，交互地切换导通/截止。由此，从直流电源11供给的直流电通过由电容器14进行的充放电变换为交流电，供给至由电容器14和发射线圈15构成的谐振电路13。

谐振电路13是由电容器14和发射线圈15形成的LC谐振电路。

电容器14的一端与开关元件12-1的源极端子和开关元件12-2的漏极端子连接，另一端与发射线圈15的一端连接。

发射线圈15的一端与电容器14的另一端连接，发射线圈15的另一端与直流电源11的负极侧端子和开关元件12-2的源极端子连接。而且发射线圈15通过从供电电路10供给的交流电，产生根据流过发射线圈15自身的电流的磁场。而且在发射线圈15和接收线圈21间的距离接近到能够进行谐振的情况下，发射线圈15与接收线圈21谐振，经由空间向接收线圈21传输电力。

电压检测电路16按每个规定的周期检测施加于发射线圈15的两个端子间的交流电压。再者，例如将规定的周期设定为与供给至发射线圈15的交流电的工作频率的假设的最小值相当的周期长度、例如50msec～1sec。此外，电压检测电路16测量例如该交流电压的峰值或者有效值作为所检测的交流电压。然后，电压检测电路16将表示该交流电压的电压检测信号向控制电路18输出。因此，电压检测电路16例如能够设为能够检测交流电压的已知的各种电压检测电路中的任一种。

栅极驱动器17从控制电路18接收对各开关元件12-1、12-2的导通/截止进行切换的控制信号，根据该控制信号，使施加于各开关元件12-1、12-2的栅极端子的电压变化。即，若接受了将开关元件12-1设为导通的控制信号，则栅极驱动器17对开关元件12-1的栅极端子施加相对较高的电压，以使开关元件12-1导通，使来自直流电源11的电流流过开关元件12-1。另一方面，若接受了将开关元件12-1设为截止的控制信号，则栅极驱动器17对开关元件12-1的栅极端子施加相对较低的电压，以使开关元件12-1截止，不使来自直流电源11的电流流过开关元件12-1。对于开关元件12-2，栅极驱动器17也同样地对施加于栅极端子的电压进行控制。

控制电路18例如具有非易失性的存储器电路和易失性的存储器电路、计算电路以及用于连接其他电路的接口电路，根据电压检测信号所表示的施加于发射线圈15的交流电压，对供电电路10的工作频率、即供电电路10对谐振电路13供给的交流电的工作频率进行调节。

因此，在本实施方式中，控制电路18对各开关元件12-1、12-2进行控制以使开关元件12-1和开关元件12-2交互地导通，而且在对应于工作频率的一个周期内，开关元件12-1导通的期间和开关元件12-2导通的期间相等。再者，为了防止开关元件12-1和开关元件12-2同时导通而使直流电源11短路的情况，控制电路18也可以在对开关元件12-1和开关元件12-2的导通/截止进行切换时，设置使两方的开关元件都截止的死区时间(Dead Time)。

在本实施方式中，控制电路18向施加于发射线圈15的交流电压升高的方向使工作频率、即各开关元件12-1、12-2的导通/截止的切换周期变化。

再者，对于控制电路18进行的各开关元件12-1、12-2的控制的细节，在后面叙述。

接下来，对受电装置3进行说明。

谐振电路20是由接收线圈21和电容器22构成的LC谐振电路。而且谐振电路20所具有的接收线圈21，其一端连接至电容器22，并且另一端连接至整流平滑电路23。

接收线圈21通过与流过送电装置2的发射线圈15的交流电流所产生的磁场共振，从而与发射线圈15谐振，从发射线圈15接收电力。然后接收线圈21经由电容器22将接收到的电力向整流平滑电路23输出。再者，接收线圈21的匝数和送电装置2的发射线圈15的匝数可以相同，或者也可以不同。此外，优选设定接收线圈21的电感和电容器22的电容量以使谐振电路20的谐振频率与送电装置2的谐振电路13的谐振频率相等。

电容器22的一端与接收线圈21连接，另一端与整流平滑电路23连接。而且电容器22将接收线圈21接收到的电力向整流平滑电路23输出。

整流平滑电路23对由接收线圈21和电容器22接收到的电力进行整流且进行平滑化，变换为直流电。然后整流平滑电路23将该直流电输出至负载电路24。因此，整流平滑电路23例如具有全波整流电路和平滑电容器。

以下，对非接触式供电装置1的工作的细节进行说明。

图2是非接触式供电装置1的等效电路图。此处，L₁、L₃分别是送电侧和受电侧的漏电感，L₂是互感。若将发射线圈15和接收线圈21的自感设为L₀，将发射线圈15和接收线圈21之间的耦合度设为k，则有L₁＝L₃＝(1-k)L₀，L₂＝kL₀。例如，若设L₀＝30.5μH，k＝0.731028，则有L₁＝L₃＝8.205μH，L₂＝22.3μH。一般而言，发射线圈15和接收线圈21之间的距离越小，耦合度k的值越大。在该情况下，由F参数分析表示的传输矩阵A(f)由下式表示。

[数1]

此处，f是供电电路10的工作频率，s(f)＝jω，ω＝2πf。C1、C2分别是送电侧和受电侧的电容量。R1、R2是送电侧和受电侧的阻抗。另外Rac是负载电路的阻抗。

图3是表示图2所示的等效电路的阻抗的频率特性的一例的图。在图3中，横轴表示频率，纵轴表示阻抗。再者，等效电路的阻抗被计算为由2行2列表示的(1)式的传输矩阵A(f)中左上的元素与左下的元素之比的绝对值。然后图形300表示阻抗的频率特性。再者，图形300是设L₀＝30.5μH，k＝0.731028，设C1＝C2＝180nF，R1＝R2＝270mΩ，基于(1)式算出的。

如图3所示，在耦合度k设为如上所述的较大的值的情况下，阻抗的频率特性具有两个极小值。即存在两个使发射线圈15和接收线圈21谐振的频率，在各谐振频率下阻抗极小，即能量传输电量极大。因此，送电装置2对谐振电路13供给的交流电的工作频率越接近任意一个谐振频率，送电侧和受电侧之间的电阻越下降，越能够增大从发射线圈15向接收线圈21传输的能量传输电量。因此，对谐振电路13供给的交流电的工作频率越接近任意一个谐振频率，受电侧的接收线圈21的两个端子间的交流电压也越升高。

此外，受电侧的交流电压和送电侧的交流电压的关系由以下关系式表示。

[数2]

此处V₁是送电侧的交流电压，即施加于发射线圈15的交流电压，V₂是受电侧的交流电压，即施加于接收线圈21的交流电压。k是耦合度。然后n₁、n₂分别是发射线圈15的匝数和接收线圈21的匝数。如(2)式所示，耦合度越高，受电侧的电压和送电侧的电压之间产生越强的相关性。因此，若发射线圈15和接收线圈21间的距离近、耦合度高到一定程度，则受电侧的接收线圈21的交流电压越高、即能够从受电侧取出的电力越大，施加于送电侧的发射线圈15的交流电压也越升高。

此处，送电装置2的控制电路18向由电压检测信号表示的施加于发射线圈15的交流电压升高的方向使供给至谐振电路13的交流电的工作频率、即各开关元件12-1、12-2的导通/截止的切换周期以一定的周期变化。

例如，控制电路18将某个时刻的工作频率和施加于发射线圈15的交流电压的值保存在控制电路18具有的存储器电路中。然后控制电路18使工作频率向提高规定量(例如，10Hz～100Hz)的方向或者降低规定量的方向变化。然后控制电路18将工作频率变更之后从电压检测电路16获取到的电压检测信号所表示的最新的交流电压的值和进行存储紧前的交流电压的值进行比较。在最新的交流电压的值比紧前的交流电压的值高的情况下，控制电路18使工作频率向与上一次的变更方向相同的方向变化规定量。例如，在上一次的工作频率变更时使工作频率提高，且最新的交流电压的值比紧前的交流电压的值高的情况下，控制电路18使工作频率进一步提高规定量。反之，在最新的交流电压的值比紧前的交流电压的值低的情况下，控制电路18使工作频率向与上一次的变更方向相反的方向变化规定量。例如，在上一次的工作频率变更时使工作频率提高，且最新的交流电压的值比紧前的交流电压的值低的情况下，控制电路18使工作频率降低规定量。再者，在最新的交流电压的值和紧前的交流电压的值相等的情况下，控制电路18也可以使工作频率向任意一个方向变化。由此，控制电路18能够使工作频率接近发射线圈15和接收线圈21之间的任意一个谐振频率。

再者，在最新的交流电压的值变为在规定的阈值以上的情况下，控制电路18也可以停止工作频率的调整并在该停止之后保持工作频率恒定。然后也可以在停止工作频率的调整之后，在最新的交流电压的值变得小于规定的阈值的情况下，控制电路18再次开始工作频率的调整。

此外，控制电路18在开始供电之后第一次变更工作频率时，可以使工作频率向提高的方向变更，或者也可以使工作频率向降低的方向变更。

此外，在发射线圈15和接收线圈21之间的距离在一定程度上远离的情况下，基于发射线圈15和接收线圈21间磁力谐振的谐振频率变为一个，该谐振频率变得与谐振电路13自身的谐振频率相等。而且这一个谐振频率被包含于在发射线圈15和接收线圈21间的距离接近情况下出现的两个谐振频率之间。因此，也可以在控制电路18的存储器电路中预先存储谐振电路13自身的谐振频率，控制电路18将供电开始时的工作频率设定为谐振电路13自身的谐振频率。或者，控制电路18也可以将上一次供电结束时的工作频率存储在存储器电路中，将该存储的工作频率作为下一次供电开始时的工作频率。通过以这种方式设定供电开始时的工作频率，控制电路18能够缩短直到工作频率接近基于发射线圈15和接收线圈21间磁力谐振的任意一个谐振频率所需要的时间。

再者，也可以预先设定工作频率的下限值和上限值。然后控制电路18也可以在该工作频率的下限值和上限值之间对工作频率进行调节。在该情况下，例如将工作频率的下限值和上限值分别设定为基于发射线圈15和接收线圈21间磁力谐振的谐振频率的假设的下限值和上限值。

此外，在从电压检测电路16获取到的电压检测信号所表示的最新的交流电压的值在规定的阈值以上的情况下，控制电路18也可以不对工作频率进行变更。进一步，也可以是，最新的交流电压的值和紧前的交流电压的值的差的绝对值越小，控制电路18使工作频率的变更量也越小。

如上所述，在以非接触的方式向受电装置进行电力传输的送电装置中，该非接触式供电装置监测施加于发射线圈的交流电压，向交流电压升高的方向，对供给至包括发射线圈的谐振电路的交流电的工作频率进行调节。由此，由于与发射线圈和接收线圈之间的距离无关，该非接触式供电装置能够使工作频率接近这两个线圈之间的谐振频率，所以能够抑制能量传输电量的下降。此外，由于不需要对送电装置和受电装置之间的距离和相互的位置关系进行调查，所以该非接触式供电装置能够进行简化，结果上，能够实现小型化并削减制造成本。

再者，根据变形例，电压检测电路16也可以检测施加于电容器14的两个端子间的交流电压。由于电容器14和发射线圈15形成LC谐振电路，所以施加于电容器14的交流电压的相位和施加于发射线圈15的交流电压的相位相互偏差90°，因此，施加于发射线圈15的交流电压越高，施加于电容器14的交流电压也变得越高。于是施加于发射线圈15的交流电压的峰值与施加于电容器14的交流电压的峰值相等。因此，通过检测施加于电容器14的交流电压，电压检测电路16能够间接地检测施加于发射线圈15的交流电压。

再者，在该情况下，为了使施加于电容器14的交流电压的检测变得容易，电容器14也可以连接在发射线圈15的一端、和开关元件12-2的源极端子及直流电源11的负极侧端子之间。然后发射线圈15的另一端也可以与开关元件12-1的源极端子及开关元件12-2的漏极端子直接连接。

进一步，在送电装置2中，对谐振电路13供给交流电的供电电路若为能够可变地调节工作频率的电路，则也可以具有与上述实施方式不同的电路结构。

因此，本领域技术人员能够在本发明的范围内与实施的方式相匹配地进行各种变更。

标号说明

1 非接触式供电装置

2 送电装置

10 供电电路

11 直流电源

12-1、12-2 开关元件

13 谐振电路

14 电容器

15 发射线圈

16 电压检测电路

17 栅极驱动器

18 控制电路

3 受电装置

20 谐振电路

21 接收线圈

22 电容器

23 整流平滑电路

24 负载电路

Claims (4)

1.一种非接触式供电装置，具有送电装置和受电装置，所述受电装置具有从所述送电装置以非接触的方式进行电力传输的接收线圈，

所述送电装置具有：

谐振电路，具有电容器和与所述电容器的一端连接的能够与所述接收线圈之间进行电力传输的发射线圈；

供电电路，对所述谐振电路供给具有可调节的工作频率的交流电；

电压检测电路，检测施加于所述发射线圈的交流电压；以及

控制电路，向所述交流电压升高的方向对从所述供电电路供给的交流电的所述工作频率进行调节。

2.如权利要求1所述的非接触式供电装置，其中，

在使所述工作频率向提高的方向和降低的方向中的任意一方向变化之后的所述交流电压变得比变更所述工作频率之前的所述交流电压高的情况下，所述控制电路使所述工作频率向所述一方向进一步变化；另一方面，在变更所述工作频率之后的所述交流电压变得比变更所述工作频率之前的所述交流电压低的情况下，所述控制电路使所述工作频率向所述一方向的反方向变化。

3.如权利要求2所述的非接触式供电装置，其中，

所述控制电路具有对所述谐振电路的谐振频率进行存储的存储器,

所述控制电路将开始向所述受电装置进行非接触式供电时的所述工作频率设为所述谐振电路的谐振频率。

4.如权利要求1～3中任一项所述的非接触式供电装置，所述供电电路具有：

直流电源；以及

两个开关元件，串联连接在所述直流电源的正极侧端子和负极侧端子之间，

所述谐振电路的一端连接至所述两个开关元件之间，所述谐振电路的另一端与所述负极侧端子连接，

所述控制电路以所述工作频率对所述两个开关元件交互地进行导通和截止的切换。