CN111231704B - 非接触式供电系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及包括供电装置和受电装置的非接触式供电系统。供电装置包括：供电线圈；以及交流电源，用于向所述供电线圈提供交流电。受电装置包括：受电线圈，其与所述供电线圈相对，并通过磁耦合，以非接触方式接受交流电；受电侧共振用电容器，其与所述受电线圈相连，从而形成受电侧共振电路；受电电路，转换所述受电线圈接受的交流电后生成受电电压，并输出到电力负荷；以及过电压保护电路，其在所述受电电压超过用于判断过电压状态的阈值电压时，改变所述受电侧共振电路的受电侧共振频率。

Description

非接触式供电系统

技术领域

本发明涉及一种非接触式供电系统，尤其是，以非接触方式向电动搬运车等移动体提供电力的非接触式供电系统。

背景技术

已经开发有在未将电源直接与负荷接触的状态下，以非接触方式向负荷传输由电源输出的电力的技术。该技术通常被称为非接触式电力传输或无线供电。该技术用于手机、家电、电动汽车、无人搬运车(AGV:Automated Guided Vehicle)等中的电力传输。

在非接触式电力传输中，从连接于高频电源装置的供电装置向连接于负荷的受电装置以非接触方式进行供电。供电装置具备供电线圈，受电装置具备受电线圈。供电线圈与受电线圈磁耦合，从而进行非接触式供电。

专利文献1(日本专利公开公报第2013-172507号)公开的非接触式供电系统中，车辆侧的受电装置具备次级线圈以及受电电路之外，还具备控制部、通信部以及电压检测部。并且，停车厂区域侧的供电装置具备初级线圈以及供电电路之外，还具备控制部、通信部以及通知部。当在受电装置产生过电压时，利用通信部，向供电装置进行过电压通信，使供电电路停止。

专利文献2(日本专利公开公报第2012-044762号)公开的非接触式供电系统中，在受电装置设置有过电压保护部。该过电压保护部在受电装置检测到过电压的产生时，使受电装置的次级线圈短路，从而保护受电装置。这时，在送电装置中，检测短路带来的电流或者电压的变化，切断电源。

根据专利文献1的技术，需要在受电装置以及供电装置分别设置用于进行过电压通信的通信部。因此，受电装置以及供电装置的构成大型化。

并且，只有在进行了过电压通信之后才能够停止供电电路。因此，在受电装置中，过电压状态的时间变长，给受电装置带来很大压力。

根据专利文献2的技术，在受电装置检测到过电压时，可以在短时间内保护受电装置。但是，当使次级线圈短路来进行保护时，由于受电装置的电力负荷立即停止，因而并不一定能说是很理想的办法。即、在检测到过电压的产生之后，如果能够降低过电压，即便时间极短，也可以继续电力负荷的动作并提高系统的可靠性。

并且，在专利文献2的技术中，在结束受电装置中的保护后，停止供电装置的供电电路。因此，非接触式供电系统无法自动恢复，恢复操作需要人工进行。实际上，受电装置的过电压是在装置启动时或者受电装置脱离与供电装置的位置关系时偶然发生的情况多。即、偶然性的过电压不是因故障发生的，所以即使需要保护也没必要停止整个非接触式供电系统。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报第2013-172507号

专利文献2：日本专利公开公报第2012-044762号

发明内容

发明要解决的问题

本发明是为了解决上述的现有技术中的问题而做出的，其目的在于提供一种不具备通信部而实现小型化并且动作可靠性较高的非接触式供电系统。

并且，本发明的另一个目的在于提供在产生偶然性过电压时，可以保护系统并且可以自动恢复的非接触式供电系统。

解决课题的手段

用于解决上述问题的本发明的非接触式供电系统是包括供电装置和受电装置的非接触式供电系统，其中，所述供电装置包括：供电线圈；以及交流电源，用于向所述供电线圈提供交流电，所述受电装置包括：受电线圈，其与所述供电线圈相对，并通过磁耦合，以非接触方式接受交流电；受电侧共振用电容器，其与所述受电线圈相连，从而形成受电侧共振电路；受电电路，用于将所述受电线圈接受的交流电转换后生成受电电压并输出到电力负荷；以及过电压保护电路，其在所述受电电压超过用于判断过电压状态的阈值电压时，改变所述受电侧共振电路的受电侧共振频率。

优选地，所述过电压保护电路包括：电压检测电路，用于检测所述受电装置的特定地点的电压；第一电容器，其连接于所述整流电路的一端；第一开关，其连接于所述第一电容器与接地之间；以及开关操作部，当所述电压检测电路检测到的电压在预定的电压以上时，将所述第一开关操作为打开状态。

优选地，所述过电压保护电路还包括：第二电容器，其连接于所述整流电路的另一端；以及第二开关，其连接于所述第二电容器与接地之间，当所述电压检测电路检测到的电压在预定的电压以上时，所述开关操作部将上述第二开关操作为打开状态。

发明的效果

在本发明的非接触式供电系统中，被受电装置的过电压保护电路判断为过电压状态时，改变受电侧共振电路的共振频率。由此，受电侧共振频率远远脱离交流电源的频率，受电电压下降，过电压状态解除，从而保护系统。即、在本发明中，不具备通信部从而实现了小型化，同时可以实现短时间的保护，动作可靠性较高。

并且，根据本发明，即使是产生了偶然性过电压，也可以自动恢复。

附图说明

图1是简要说明根据本发明一实施例的非接触式供电系统的构成的图。

图2是定性示出图1的非接触式供电系统中的供电性能的频率特性的图。

图3是用于说明图1的非接触式供电系统中的过电压保护动作的时序图。

图4是用于说明图1的非接触式供电系统中的过电流保护电路的动作的时序图。

具体实施方式

下面，参照附图详细说明本发明的一实施例。

图1是简要说明根据本发明一实施例的非接触式供电系统100的构成的图。在图1中，虚线箭头表示控制方向。图1示出的非接触式供电系统100包括供电装置100S和受电装置100R。供电装置100S配置在一定的位置上。受电装置100R相对于供电装置100S可以改变位置。如图所示，如果受电装置100R配置在与供电装置100S相对的位置，则非接触式供电系统100进行磁耦合方式的非接触供电。

供电装置100S包括交流电源120、供电侧共振用电容器132、供电线圈131以及过电流保护电路133。如上所述，交流电源120的高压输出端子121与供电侧共振用电容器132的一端相连。供电侧共振用电容器132的另一端与供电线圈131的一端相连。供电线圈131的另一端与过电流保护电路133的一端相连。过电流保护电路133的另一端与交流电源120的低压输出端子122相连

交流电源120向供电线圈131提供交流电。交流电源120可以利用例如供给直流电压的直流电源供给部和将直流电压转换为交流的公知的桥式电路构成。交流电源120的频率f0是几十kHz至几百kHz，但是，并不限定于此。

供电侧共振用电容器132以及供电线圈131构成供电侧共振电路。从交流电源120观察时，供电侧共振电路是串联共振电路。供电侧共振电路的供电侧共振频率fs可以以数学式1表示。其中，π是圆周率，Ls是供电线圈131的电感值，Cs是供电侧共振用电容器132的静电容量值。

【数学式1】

过电流保护电路133检测流过供电线圈131的供电电流IS，并且与判断过电流状态的阈值电流IF进行大小对比。在预定的故障判断时间TF内供电电流IS超过阈值电流IF时，过电流保护电路133向交流电源120输出停止信号Soff。由此，交流电源120停止。并且，故障判断时间TF被设定为比后述的恢复时间TR更长。

受电装置100R具备受电线圈141、受电侧串联共振电容器142、受电侧并联共振电容器143、受电电路以及过电压保护电路。受电电路包括整流电路150以及平滑电容器155。过电压保护电路包括电压检测部161、开关控制部164、电容器146、148以及开关147、149。

受电线圈141的一端与受电侧共振用电容器142的一端相连。受电侧共振用电容器142的另一端与受电侧共振用电容器143的一端144相连。受电线圈141的另一端与受电侧共振用电容器143的另一端145相连。端子144与电容器146的一端和整流电路150的第一输入端子151相连。端子145与电容器148的一端和整流电路150的第二输入端子152相连。整流电路150的第一输出端子153以及第二输出端子154与平滑电容器155、电压检测部161、逆变器162的一端以及另一端相连。

开关147的一端与电容器146的另一端相连，另一端接地。开关149的一端与电容器148的另一端相连，另一端接地。

受电线圈141与供电线圈131相对时，通过磁耦合以非接触方式接受交流电。受电线圈141以及受电侧共振用电容器142、143构成受电侧共振电路。从逆变器162侧观察时，受电侧共振电路是串并联共振电路。受电侧共振电路的受电侧共振频率fr可以以数学式2表示。其中，π是圆周率，Lr是受电线圈141的电感值，Cr是受电侧共振用电容器142、143的合成静电容量值。

【数学式2】

整流电路150可以由将四个整流二极管桥接的公知的全波整流电路构成。整流电路150以及平滑电容器155生成直流的受电电压VR，并输出到逆变器162。逆变器162在受电装置100R中进行工作，对于其种类或消耗电力等不加以限定。逆变器162是设置在搬运车等的驱动电机上的电源电路，将整流电路150的输出转换为恰当的频率的交流。

电压检测部161检测受电电压VR并输出到开关控制部164。开关控制部164对比受电电压VR与判断过电压状态的阈值电压VF的大小。在通常的驾驶模式，开关147、149以关闭状态使用。当受电电压VR超过阈值电压VF时，开关控制部164向开关147、149输出打开信号。由此，开关147、149被操作为打开状态，由此，数学式2表示的受电侧共振频率fr发生变化。开关147、149被打开后，使共振频率变成例如原来的几十倍，从而使受电装置100R产生小电压。

开关控制部164具备测量将开关147、149操作为关闭之后的经过时间的计时器。在经过时间达到预定的恢复时间TR时，开关控制部164再次进行受电电压VR与阈值电压VF的大小对比。当超过阈值电压VF的受电电压VR下降到阈值电压VF以下时，解除打开信号。由此，开关147、149被操作为关闭状态，受电侧共振频率恢复原来的值。另一方面，恢复时间TR被设定为比过电流保护电路133的故障判断时间TF短。

电压检测部161可以由例如通过串联连接的多个电阻将受电电压VR分压后检测的电阻分压电路构成。开关控制部164可以通过组合例如将受电电压VR的分压值转换为数字电压值的AD转换器，和对数字电压值实施预定的运算处理后控制开关147、149的电子控制装置来构成。作为开关147、149可以使用例如具有切换功能的功率半导体或电子式开关继电器等。

图2是定性示出非接触式供电系统100的供电性能的频率特性的图。图2的横轴表示频率f，纵轴表示受电电压VR。如图所示，供电性能的频率特性是受电侧共振频率fr以及供电侧共振频率fs具有峰值的双峰(二山)特性。在受电侧共振频率fr与供电侧共振频率fs之间的频率中，受电电压VR相对较高，并且稳定。因此，交流电源120的频率f0固定在受电侧共振频率fr与供电侧共振频率fs之间。由此，受频率变动的影响较小，同时，可以获得相对较高的受电电压VR。并且，受电侧共振频率fr与供电侧共振频率fs的大小关系可以相反。

其次，对非接触式供电系统100的作用进行说明。图3是简要说明非接触式供电系统100的过电压保护动作的时序图。图3的横轴表示时间t的经过，上端的曲线表示受电电压VR，下端的曲线表示供电电流IS。

在图3中，在时刻t1之前，受电装置100R在相对于供电装置100S的适当的位置，良好地进行着非接触式供电。这时的受电电压VR是Vn，供电电流IS是In。在时刻t1的时间点，由于某种原因，受电电压VR开始上升时，与此同时供电电流IS也开始增加。

作为受电电压VR上升的第一个原因可以想到受电装置100R的位置变化。即、与供电装置100S相对的受电装置100R的相对位置发生变化时，受电电压VR有可能临时上升。作为第二个原因，可以想到连接于逆变器162的负荷的激烈变动。例如，当负荷是电机时，由于电机的转数变化，受电电压VR有可能临时上升。作为第三个原因，可以想到电路部件的故障。例如，如果供电侧共振用电容器132、供电线圈131、受电线圈141以及受电侧共振用电容器142、143中的任意一个发生故障，则受电电压VR有可能上升。大部分是由于第一个或者第二个原因。

在时刻t2，当受电电压VR超过阈值电压VF时，通过开关控制部164，开关147、149被操作为打开状态。由此，受电侧共振频率fr变化，受电电压VR开始下降。这时，受电线圈141与逆变器162之间是关闭状态，所以流过逆变器162的电流不会瞬间消失。如果不进行开关147、149的向打开状态的操作，则如虚线Vx表示，受电电压VR继续增加，所以发生危险。另一方面，供电电流IS在时刻t2之后也继续增加，在时刻t3，超过阈值电流IF。

在时刻t4，下降的受电电压VR比良好时的电压值Vn低。在从将开关147、149操作位打开状态的时刻t2起经过了恢复时间TR之后的时刻t5，开关控制部164再次进行受电电压VR与阈值电压VF的大小对比。这时，受电电压VR在阈值电压VF以下，所以通过开关控制部164，开关147、149被操作为关闭状态。由此，恢复受电侧共振频率fr，受电电压VR开始上升。如果开关147、149不被操作为关闭状态，则如虚线标记表示，受电电压VR下降，无法自动恢复。

在受电电压VR的上升是由于第一个或者第二个原因导致的情况下，在时刻t5的时间点对应的原因得到解除的情况较多。在这种情况下，受电电压VR稳定到良好时的电压值Vn。并且，在时刻t5之后，供电电流IS开始减少，稳定到良好时的电流值In。即、当受电电压VR由于第一个或者第二个原因临时上升时，过电压保护电路通过降低受电电压VR来保护系统，并且执行自动恢复。

当受电电压VR的上升是由于第三个原因导致的情况下，在时刻t5的时间点，对应的原因无法得到解除。在这种情况下，如虚线Vz表示，受电电压VR再次急剧上升。由此，在时刻t6受电电压VR超过阈值电压VF时，再次开关147、149被操作位打开状态。并且，在时刻t5之后，如虚线Iz表示，供电电流IS变成超过阈值电流IF的状态。在从时刻t3起到时刻t6之间，供电电流IS超过阈值电流IF，但是还没有达到故障判断时间TF。因此，过电流保护电路133在时刻t6的时间点不输出停止信号Soff。

图4是简要说明非接触式供电系统100的过电流保护电路133的动作的时序图。图4示出了由于第三个原因，在与图3相同的时刻t1，受电电压VR上升，同时供电电流IS也开始增加的情况。图4的横轴的时间t的经过示出了比图3更长的期间。如果发生了第三个原因，则在时刻t3之后，供电电流IS变成超过阈值电流IF的状态。反复几次开关147、149的打开状态的操作以及关闭状态的操作时，经过了故障判断时间TF。在从时刻t3起经过了故障判断时间TF之后的时刻t8，过电流保护电路133输出停止信号Soff。由此，交流电源120停止，供电电流IS不流动。

非接触式供电系统100与现有技术相比具有如下特有的效果。第一个效果是从时刻t2起到时刻t4之间，逆变器162可以继续工作。在现有技术中，在时刻t2切断受电线圈141的两端，所以作用于逆变器162的受电电压VR瞬间消失。

第二个效果是当由于第一个或者第二个原因，受电电压VR临时上升时，可以对系统进行保护的同时实施自动恢复。在现有技术中，在受电装置100R这边检测到受电电压VR的上升时，需要人工进行恢复操作来停止交流电源120。当由于第三个原因、即电路部件的故障导致受电电压VR上升时，与现有技术相同地，可以停止交流电源120，确切地保护整个非接触式供电系统100。

第三个效果是通过开关147、149的关闭状态和打开状态的操作，可以防止构成受电装置100R的元件受损。在现有技术中，还会通过将电容器143从受电装置100R拆分的方式变更受电侧共振频率。但是，在这种情况下，在拆分的一瞬间，电容器143中流过较大的电流，有可能破坏电容器143。在非接触式供电系统100中，在变更受电侧共振频率时，将开关147、149操作为关闭状态，将电流排出到接地，所以受电装置100R的元件受损的可能性小。

本发明的实施例中公开的特定的结构以及功能性说明只是为了说明根据本发明的概念的实施例而示出的，根据本发明的概念的实施例可以以各种不同的方式实施。并且，不应该解释为限定于本说明书中说明的实施例，应该理解为包括包含在发明的思想以及技术范围的所有的变形物、等同物以及代替物。

Claims (1)

1.一种非接触式供电系统，其包括供电装置和受电装置，所述非接触式供电系统的特征在于，

所述供电装置包括：供电线圈；

交流电源，用于向所述供电线圈提供交流电，以及

过电流保护电路，用于检测流过所述供电线圈的供电电流，将所述检测到的供电电流与用于判断过电流状态的阈值电流进行对比，以及在预定的故障判断时间内所述供电电流超过所述阈值电流时，向所述交流电源输出停止信号；

所述受电装置包括：

受电线圈，其与所述供电线圈相对，并通过磁耦合，以非接触方式接受交流电；

受电侧共振用电容器，其与所述受电线圈相连，从而形成受电侧共振电路；

受电电路，用于将所述受电线圈接受的交流电转换后生成受电电压并输出到电力负荷；以及

过电压保护电路，其在所述受电电压超过用于判断过电压状态的阈值电压时，改变所述受电侧共振电路的受电侧共振频率，

其中所述过电压保护电路包括：

电压检测电路，用于检测所述受电装置的特定地点的电压；

第一电容器，其连接于整流电路的一端；

第一开关，其连接于所述第一电容器与接地之间；

第二电容器，其连接于所述整流电路的另一端；

第二开关，其连接于所述第二电容器与接地之间；以及

开关控制部，用于通过所述电压检测电路检测到的电压将所述受电电压的大小和所述阈值电压的大小进行比较来控制所述第一开关和所述第二开关的导通或关断，

其中所述开关控制部包括计时器，用于测量控制所述第一开关和所述第二开关之后的经过时间；

其中所述开关控制部在所述经过时间达到恢复时间时，再次将所述受电电压的大小和所述阈值电压的大小进行对比并重复控制所述第一开关和所述第二开关；

其中所述恢复时间被设定为比所述过电流保护电路的所述故障判断时间短。

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