CN113678339A - 送电装置以及无线电力传输系统 - Google Patents

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山本浩司
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Abstract

送电装置具备：逆变器电路；送电天线，与所述逆变器电路连接，并与受电装置中的受电天线电磁耦合来以无线方式传输电力；检测器，检测所述逆变器电路的输出电压以及输出电流；和控制电路，控制所述逆变器电路。所述控制电路以多个频率依次驱动所述逆变器电路，从所述多个频率中决定表示所述输出电流的相位相对于所述输出电压的相位的滞后的相位差成为最大的频率，以基于所决定的所述频率的动作频率来驱动所述逆变器电路而执行送电。

Description

送电装置以及无线电力传输系统
技术领域
本公开涉及送电装置以及无线电力传输系统。
背景技术
近年来，以无线即非接触方式对便携电话机以及电动汽车等有移动性的设备传输电力的无线电力传输技术的开发正在推进。无线电力传输技术有电磁感应方式以及电场耦合方式等方式。基于电磁感应方式的无线电力传输系统在送电线圈和受电线圈对置的状态下从送电线圈向受电线圈以无线方式传输电力。另一方面，基于电场耦合方式的无线电力传输系统在一对送电电极和一对受电电极对置的状态下从送电电极向受电电极以无线方式传输电力。
专利文献1公开了在包含送电线圈的送电装置与包含受电线圈的受电装置之间以非接触方式传输电力的系统的示例。专利文献1中的送电装置具备逆变器、送电部和控制单元。逆变器具有多个开关元件和多个二极管。送电部对受电装置输送来自逆变器的交流电力。控制单元控制逆变器的多个开关元件。控制单元在探测到来自逆变器的输出电流的相位与输出电压的相位相比更超前时调整频率，使得电流的相位的超前角变小。由此，能避免开关元件的硬开关，能抑制送电装置的开关元件的异常发热以及故障。
专利文献2公开了具备送电线圈、送电电路、相位检测电路和控制电路的送电装置。送电电路包含逆变器，基于直流源的输出电力来对送电线圈提供电力。相位检测电路检测逆变器的输出电流的相位。控制电路对应于相位检测电路的检测结果来控制直流源。具体地，控制电路使直流源的输出电压变化，使由相位检测电路检测到的逆变器的输出电流的相位接近预先确定的目标值。记载了由此能抑制在送电线圈与受电线圈的间隔变长的情况下出现的电力效率降低。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2016-111902号公报
专利文献2：JP特开2013-153627号公报
发明内容
发明要解决的课题
本公开提供抑制伴随无线电力传输的状态变化的电力传输效率降低的技术。
用于解决课题的手段
本公开的一方式所涉及的送电装置在具备送电装置以及受电装置的无线电力传输系统中使用。所述送电装置具备：逆变器电路；与所述逆变器电路连接的送电天线；检测所述逆变器电路的输出电压以及输出电流的检测器；和控制所述逆变器电路的控制电路。所述送电天线与所述受电装置中的受电天线电磁耦合来以无线方式传输电力。所述送电电路以多个频率依次驱动所述逆变器电路，从所述多个频率中决定表示所述输出电流的相位相对于所述输出电压的相位的滞后的相位差成为最大的频率，以基于所决定的所述频率的动作频率来驱动所述逆变器电路而执行送电。
本公开的总括或具体的方式可以通过系统、装置、方法、集成电路、计算机程序或记录介质来实现。或者，也可以通过系统、装置、方法、集成电路、计算机程序以及记录介质的任意组合来实现。
发明效果
根据本公开的技术，能抑制伴随无线电力传输的状态变化的电力传输效率降低。
附图说明
图1是示意表示基于电场耦合方式的无线电力传输系统的一例的图。
图2是表示图1所示的无线电力传输系统的概略结构的图。
图3是示意表示基于电场耦合方式的无线电力传输系统的其他示例的图。
图4是表示图3所示的无线电力传输系统的概略结构的图。
图5是表示逆变器电路的输出电压以及输出电流的波形的一例的图。
图6是表示送电电路以及受电电路的结构例的图。
图7A是表示逆变器电路的输出电压与输出电流的相位差的频率依赖性的示例的图表。
图7B是表示无线电力传输的效率与相位差的关系的示例的图表。
图8是表示本公开的例示性的实施方式的无线电力传输系统的结构的框图。
图9是表示送电电路以及受电电路的更具体的结构例的图。
图10A是示意表示逆变器电路的结构例的图。
图10B是示意表示整流电路的结构例的图。
图11是表示充放电控制电路的结构例的图。
图12是表示DC-DC转换器的电路结构的一例的图。
图13是表示检测器以及送电控制电路的结构例的图。
图14是表示送电装置的动作的示例的流程图。
图15是表示送电装置的动作的其他示例的流程图。
图16A是表示将送电电极敷设于墙壁等的侧面的示例的图。
图16B是表示将送电电极敷设于天花板的示例的图。
图17是表示通过线圈间的耦合以无线方式传输电力的系统的示例的图。
具体实施方式
(成为本公开的基础的见解)
在说明本公开的实施方式前，说明成为本公开的基础的见解。
图1是示意表示无线电力传输系统的一例的图。图示的无线电力传输系统例如是对在工厂或仓库中搬运物品时使用的移动体10通过电极间的电场耦合以无线方式传输电力的系统。该示例中的移动体10是无人搬运车(Automated Guided Vehicle：AGV)。在该系统中，在地面30配置平板状的一对送电电极120a、120b。一对送电电极120a、120b具有在一个方向上延长的形状。从未图示的送电电路对一对送电电极120a、120b提供交流电力。
移动体10具备与一对送电电极120a、120b对置的未图示的一对受电电极。移动体10通过一对受电电极接受从送电电极120a、120b传输的交流电力。将所接受的电力提供到移动体10所具备的马达、二次电池或蓄电用的电容器等负载。由此，进行移动体10的驱动或充电。
在图1中示出表示相互正交的X、Y、Z方向的XYZ坐标。在以下的说明中，使用图示的XYZ坐标。将送电电极120a、120b所延伸的方向设为Y方向，将与送电电极120a、120b的表面垂直的方向设为Z方向，将与Y方向以及Z方向垂直的方向设为X方向。另外，本申请的附图中示出的结构物的朝向是考虑说明的理解容易度而设定的，本公开的实施方式并不对现实中实施时的朝向有任何限制。另外，附图中示出的结构物的整体或一部分的形状以及大小也并不对实际的形状以及大小进行限制。
图2是表示图1所示的无线电力传输系统的概略结构的图。该无线电力传输系统具备送电装置100和移动体10。送电装置100具备：一对送电电极120a、120b；和对送电电极120a、120b提供交流电力的送电电路110。送电电路110例如是包含逆变器电路的交流输出电路。送电电路110将从未图示的电源提供的直流电力变换成交流电力并输出到一对送电电极120a、120b。移动体10具备受电装置200和蓄电装置310。受电装置200具备一对受电电极220a、220b、受电电路210和充放电控制电路290。蓄电装置310例如是二次电池或蓄电用的电容器等蓄积电力的设备。受电电路210将受电电极220a、220b所接受的交流电力变换成蓄电装置310所要求的电压例如给定的电压的直流电力并输出。受电电路210例如能包含整流电路以及阻抗匹配电路等各种电路。充放电控制电路290是控制蓄电装置310的充电以及放电的电路。图2中虽未示出，但移动体10还具备驱动用的电动马达等其他负载。通过一对送电电极120a、120b与一对受电电极220a、220b之间的电场耦合，在两者对置的状态下以无线方式传输电力。
送电电极120a、120b以及受电电极220a、220b各自可以分割成2个以上的部分。例如可以采用图3以及图4所示那样的结构。
图3以及图4是表示送电电极120a、120b以及受电电极220a、220b各自被分割成2个部分的无线电力传输系统的示例的图。在该示例中，送电装置100具备2个第1送电电极120a和2个第2送电电极120b。第1送电电极120a以及第2送电电极120b交替排列。受电装置200也同样具备2个第1受电电极220a和2个第2受电电极220b。2个第1受电电极220a以及2个第2受电电极220b交替排列。在电力传输时，2个第1受电电极220a与2个第1送电电极120a分别对置，2个第2受电电极220b与2个第2送电电极120b分别对置。送电电路110具备输出交流电力的2个端子。一个端子与2个第1送电电极120a连接，另一个端子与2个第2送电电极120b连接。在电力传输时，送电电路110对2个第1送电电极120a施加第1电压，对2个第2送电电极120b施加相位与第1电压相反的第2电压。由此，通过包含4个送电电极的送电电极群120与包含4个受电电极的受电电极群220之间的电场耦合来以无线方式传输电力。根据这样的结构，能得到抑制相邻的任意2个送电电极的边界上的泄漏电场的效果。如此地，在送电装置100以及受电装置200各自中，进行送电或受电的电极的数量并不限定于2个。
在以下的实施方式中，如图1以及图2所示那样，主要说明送电装置100具备2个送电电极且受电装置200具备2个受电电极的结构。在以下的各实施方式中，各电极可以如图3以及图4例示的那样分割成多个部分。不管在哪种情况下都配置成：使得在某瞬间被施加第1电压的电极和被施加相位与第1电压相反的第2电压的电极交替排列。这里所谓“相反的相位”，并不限于相位差为180度的情况，而是定义为包含相位差为90度到270度的范围内的情况。在以下的说明中，不区分送电装置100所具备的多个送电电极而称作“送电电极120”，不区分受电装置200所具备的多个受电电极而称作“受电电极220”。
根据上述那样的无线电力传输系统，移动体10能在沿着送电电极120移动的同时以无线方式接受电力。移动体10能在保持送电电极120和受电电极220接近并对置的状态的同时，沿着送电电极120移动。由此，移动体10例如能在对蓄电池或电容器等蓄电装置310进行充电的同时移动。
在这样的无线电力传输系统中，若装载于移动体10的装载物的重量变化，或者移动体10的前进路线从送电电极120所延伸的方向偏离，有时电极间的电容就会从设计值变化。若出现这样的电极间电容的变动、或者负载状态的变动，有时就会发生电路间的阻抗的不匹配或逆变器电路中的硬开关。在该情况下，有可能会出现电力传输效率降低、或者电路元件的发热或损伤等问题。
该问题并不限于电场耦合方式的无线电力传输系统，在磁场耦合方式的无线电力传输系统中也同样会发生。即，伴随线圈间的耦合状态的变动或负载状态的变动，有可能会出现电力传输效率降低、或者电路元件的发热或损伤等问题。
本发明的发明者们对用于解决上述课题的控制方法反复进行研讨而想到以下所说明的本公开的实施方式的结构。以下说明本公开的实施方式的概要。
本公开的一方式所涉及的送电装置在具备送电装置以及受电装置的无线电力传输系统中使用。所述送电装置具备逆变器电路、送电天线、检测器、和控制逆变器电路的控制电路。所述送电天线与所述逆变器电路连接，并与所述受电装置中的受电天线电磁耦合来以无线方式传输电力。所述检测器检测所述逆变器电路的输出电压以及输出电流。所述控制电路以多个频率依次驱动所述逆变器电路，从所述多个频率中决定表示所述输出电流的相位相对于所述输出电压的相位的滞后的相位差成为最大的频率，以基于所决定的所述频率的动作频率来驱动所述逆变器电路而执行送电。
根据上述结构，所述控制电路以多个频率依次驱动所述逆变器电路，从所述多个频率中决定表示所述输出电流的相位相对于所述输出电压的相位的滞后的相位差成为最大的频率，以基于所决定的所述频率的动作频率来驱动所述逆变器电路而执行送电。由此，能抑制在出现送电天线与受电天线的耦合状态的变动、或者负载的变动的情况下发生的电力传输效率降低。其结果，能抑制电路元件的发热或损伤。
所述控制电路可以将所述多个频率当中所述相位差成为最大的所述频率决定为所述动作频率。或者，所述控制电路也可以将基于所述相位差成为最大的所述频率而决定的其他频率决定为所述动作频率。如此地，“基于所决定的所述频率的动作频率”可以与所决定的所述频率相同，且在能起到同样的作用效果的范围内，也可以与所述频率不同。
在典型的实施方式中，控制电路在开始送电时，执行决定动作频率的上述动作。控制电路也可以在送电中进行上述动作。
在此，参考图5来说明本公开中的“相位差”的含义。图5是示意表示逆变器电路的输出电压Vsw以及输出电流Ires的时间波形的一例的图。相位差Δφ表示输出电流Ires的相位相对于输出电压Vsw的相位的滞后。在此，将从输出电流Ires的值由正变化为负的瞬间的时刻减去输出电压Vsw的值由正变化为负的瞬间的时刻而得到的值设为Δt。若将频率设为f，则相位差Δφ表征为Δφ＝2πfΔt。相位差Δφ由于与时间差Δt成正比，因此在以下的说明中，有时将时间差Δt表现为“相位差”。相位差Δφ在输出电流Ires的相位相对于输出电压Vsw的相位滞后的情况下，即在滞后相的情况下取正的值，在输出电流的相位相对于输出电压的相位超前的情况下，即在超前相的情况下取负的值。因此，控制电路在相位差为正的情况下决定动作频率，以使得相位差的绝对值变大，在相位差为负的情况下决定动作频率，以使得相位差的绝对值变小，即接近于零。
在本公开中，“天线”是通过电磁的耦合以无线方式送电或受电的要素。天线例如能包含线圈或2个以上的电极。
本公开的实施方式中的无线电力传输系统具备上述送电装置和受电装置。无线电力传输系统例如进行基于电场耦合方式或磁场耦合方式的无线电力传输。所谓“电场耦合方式”，是指通过2个以上的送电电极与2个以上的受电电极之间的电场耦合以无线方式传输电力的方式。所谓“磁场耦合方式”，是指通过送电线圈与受电线圈之间的磁场耦合以无线方式传输电力的方式。在基于电场耦合方式的无线电力传输系统中，送电天线包含2个以上的送电电极，受电天线包含2个以上的受电电极。在基于磁场耦合方式的无线电力传输系统中，送电天线包含送电线圈，受电天线包含受电线圈。在本说明书中，主要说明基于电场耦合方式的无线电力传输系统，但本公开的各实施方式的结构在基于磁场耦合方式的无线电力传输系统中也同样适用。
本公开的技术基于本发明的发明者们的如下见解：即使是送电天线与受电天线之间的耦合状态或负载的状态发生了变化的情况，也能通过控制频率使得相位差变大，来抑制电力传输效率降低。以下对这点进行说明。
图6是表示例示性的无线电力传输系统中的送电电路110、送电电极120、受电电极220以及受电电路210的电路结构的图。该示例中的送电电路110包含逆变器电路160和匹配电路180。受电电路210包含匹配电路280和整流电路260。匹配电路180连接在逆变器电路160与送电电极120之间，使逆变器电路160与送电电极120之间的阻抗匹配。匹配电路280连接在受电电极220与整流电路260之间，使受电电极220与整流电路260之间的阻抗匹配。
图7A以及图7B是关于图6所示的结构示出本发明的发明者们进行的实验的结果的图。在本实验中，关于图6所示的结构，在将各电路元件的参数设定为合适的值的基础上，使逆变器电路160的驱动频率变化，对各频率算出输出电压Vsw与输出电流Ires的相位差以及电力传输的效率。实验在负载为设计值即RL＝20Ω的情况和从设计值脱离的RL＝10Ω以及RL＝30Ω的情况下分别进行。
图7A表示频率与相位差的关系的示例。图7B表示相位差与电力传输的效率的关系的示例。如图7A所示那样，若负载的状态变化，则相位差的频率依赖性也变化。相位差在依赖于负载的值而决定的某频率下成为最大。如图7B所示那样，不管在哪种负载条件下，都存在相位差越大则电力传输的效率越提升的倾向。
根据该结果可知，即使天线间的耦合状态或负载状态发生了变化，也能通过控制逆变器电路160的驱动频率，以使得维持相位差接近于最大值的状态(例如图7B中以虚线框显示的状态)，来将效率维持得高。通过这样的控制，在超前相时，能够尽量改善超前相状态，减轻硬开关导致的损失。另一方面，即使在滞后相时，也可改善匹配状态，因此能提升效率。作为结果，能防止电路元件的发热或破坏。
送电装置也可以还具备用于调整输入到逆变器电路的电压的调整电路。控制电路通过控制调整电路，从而以比决定动作频率后的送电动作更低的功率来执行用于决定动作频率的动作。
根据上述的结构，以比决定动作频率后的送电动作低的功率来执行用于决定动作频率的动作。由此，即使出现用于决定动作频率的动作所引起的阻抗的不匹配或硬开关，也能减少带给电路元件的损伤。在以下的说明中，有时将用于决定动作频率的动作称作“预备送电”，将决定动作频率后的送电动作称作“正式送电”。
预备送电时的功率能设定成不足正式送电时的功率的1/10。在某示例中，预备送电时的功率能设定为不足正式送电时的功率的1/100。作为一例，在正式送电时的额定功率为1kW的情况下，预备送电时的功率能设定为例如数W～数十W程度。
调整电路例如能是连接在逆变器电路与外部的直流电源之间的DC-DC转换器、或者连接在外部的交流电源与所述逆变器电路之间的AC-DC转换器电路。控制电路能通过控制输入到DC-DC转换器或AC-DC转换器电路的开关元件的控制信号的占空比，来调整输入到逆变器电路的电压。由此，能使预备送电时的功率比正式送电时的功率小。
预备送电中使用的多个频率例如能包含3个以上的频率。在某示例中，以5个以上的频率进行预备送电。该频率越多，则能决定更优选的动作频率的可能性就越高，但预备送电所需的时间越长。将预备送电中使用的多个频率的数量依赖于到正式送电的开始为止所容许的时间而设定为合适的数量。
控制电路例如可以通过爬山法来搜索相位差成为最大的频率。在该情况下，控制电路使频率在某频率范围内慢慢增加或减小，每次都计算相位差，将相位差取极大值的频率或其附近的频率决定为动作频率。
控制电路例如以比1秒短的时间来执行决定动作频率的动作。在某示例中，该动作例如能在100毫秒以内执行。通过如此地以短的时间来决定动作频率，能抑制动作频率所引起的送电开始的延迟。
送电装置也可以还具备连接在逆变器电路与送电天线之间的阻抗匹配电路。检测器可以将逆变器电路与阻抗匹配电路之间、或阻抗匹配电路内部的电压以及电流分别检测为上述的输出电压以及输出电流。
无线电力传输系统也可以具备包含受电装置的移动体。移动体能具备由蓄积于蓄电装置的能量驱动的电动马达。移动体可以进一步具备二次电池或电容器等蓄电装置。
移动体并不限定于前述的AGV那样的车辆，意思是由电力驱动的任意的可动物体。移动体例如包含具备电动马达以及1个以上的车轮的电动车辆。这样的车辆例如能是前述的AGV、电动汽车(Electric Vehicle：EV)或电动推车。本公开的“移动体”还包含没有车轮的可动物体。例如双足步行机器人、多旋翼飞行器等无人航空器(Unmanned AerialVehicle：UAV，所谓无人机)以及有人的电动航空器也包含在“移动体”中。
以下说明本公开的更具体的实施方式。其中，有时会省略必要以上详细的说明。例如，有时会省略已经广为人知的事项的详细说明以及对实质相同结构的重复说明。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员的理解容易。另外，发明者为了本领域技术人员充分理解本公开而提供附图以及以下的说明，其意图并不在于由此限定记载于权利要求书的主题。在以下的说明中，对具有相同或类似功能的构成要素标注相同的参考附图标记。
(实施方式)
图8是表示本公开的例示性的实施方式的无线电力传输系统的结构的框图。无线电力传输系统具备送电装置100和移动体10。移动体10具备受电装置200、作为蓄电装置的二次电池320、驱动用电动马达330和马达控制电路340。在图8中还示出作为无线电力传输系统的外部要素的电源20。以下有时将二次电池320仅称作“电池320”，将驱动用电动马达330仅称作“马达330”。
送电装置100具备：2个送电电极120；对2个送电电极120提供交流电力的送电电路110；检测器190；和送电控制电路150。检测器190检测送电电路110内的电压以及电流。送电控制电路150基于检测器190的输出来控制送电电路110。
受电装置200具备2个受电电极220、受电电路210和充放电控制电路290。2个受电电极220在与2个送电电极120分别对置的状态下，从送电电极120通过电场耦合来接受交流电力。受电电路210将受电电极220所接受的交流电力变换成直流电力并输出。充放电控制电路290监视二次电池320的充电状态，控制充电以及放电。充放电控制电路290也被称作电池管理组件(BMU)。充放电控制电路290还具有从过充电、过放电、过电流、高温或低温等状态保护二次电池320的单电池的功能。
以下更具体地说明各构成要素。
电源20例如能是商用的交流电源。电源20例如输出电压100V、频率50Hz或60Hz的交流电力。送电电路110将从电源20提供的交流电力变换成更高电压且更高频率的交流电力，并提供到一对送电电极120。
二次电池320例如是锂离子电池或镍氢电池等能充电的电池。移动体10能通过蓄积于二次电池320的电力来驱动马达330从而进行移动。也可以取代二次电池320而使用蓄电用的电容器。例如能利用电双层电容器或锂离子电容器等高电容且低电阻的电容器。
若移动体10移动，则二次电池320的蓄电量就降低。因此，为了继续移动，需要再充电。因此，移动体10若在移动中充电量低于给定的阈值，就移动至送电装置100，进行充电。
马达330例如能是永磁铁同步马达、感应马达、步进马达、磁阻马达、直流马达等任意的马达。马达330经由轴杆以及齿轮等传递机构使移动体10的车轮旋转，来使移动体10移动。
马达控制电路340控制马达330，来使移动体10执行所期望的动作。马达控制电路340能包含对应于马达330的种类设计的逆变器电路等各种电路。
本实施方式中的各移动体10的外壳、送电电极120、以及受电电极220各自的尺寸并没有特别限定，例如能设定为以下的尺寸。各送电电极120的长度(图1中的Y方向的尺寸)能在例如50cm～20m的范围内设定。各送电电极120的宽度(图1中的X方向的尺寸)能在例如5cm～2m的范围内设定。移动体10的外壳的行进方向以及横向上的各尺寸能在例如20cm～5m的范围内设定。各受电电极220的长度能在例如5cm～2m的范围内设定。各受电电极220a的宽度能在例如2cm～2m的范围内设定。2个送电电极间的间隙以及2个受电电极间的间隙能在例如1mm～40cm的范围内设定。但并不限定于这些数值范围。
图9是表示送电电路110以及受电电路210的更具体的结构例的图。送电电路110包含AC-DC转换器电路140、DC-DC转换器电路130、DC-AC逆变器电路160和匹配电路180。在以下的说明中，有时将AC-DC转换器电路140称作“转换器140”。有时将DC-DC转换器电路130称作“DC-DC转换器130”。有时将DC-AC逆变器电路160称作“逆变器160”。
转换器140与交流电源20连接。转换器140将从交流电源20输出的交流电力变换成直流电力并输出。逆变器160与转换器140连接，将从转换器140输出的直流电力变换成比较高的频率的交流电力并输出。DC-DC转换器130是调整输入到逆变器160的电压的电路。DC-DC转换器130对来自送电控制电路150的指令做出响应，使输入到逆变器160的电压变化。匹配电路180连接在逆变器160与送电电极120之间，使逆变器160与送电电极120的阻抗匹配。送电电极120将从匹配电路180输出的交流电力向空间送出。
受电电极220接受通过电场耦合从送电电极120送出的交流电力的至少一部分。匹配电路280连接在受电电极220与整流电路260之间，使受电电极220与整流电路260的阻抗匹配。整流电路260将从匹配电路280输出的交流电力变换成直流电力并输出。将从整流电路260输出的直流电力送往充放电控制电路290。
在图示的示例中，送电装置100中的匹配电路180包含：与逆变器160连接的串联谐振电路180s；和与送电电极120连接且与串联谐振电路180s感应耦合的并联谐振电路180p。串联谐振电路180s具有将第1线圈L1和第1电容器C1串联连接的结构。并联谐振电路180p具有将第2线圈L2和第2电容器C2并联连接的结构。第1线圈L1和第2线圈L2构成以给定的耦合系数进行耦合的变压器。第1线圈L1与第2线圈L2的匝数比被设定为实现所期望的升压比的值。匹配电路180将从逆变器160输出的数十到数百V程度的电压升压到例如数kV程度的电压。
受电装置200中的匹配电路280具有：与受电电极220连接的并联谐振电路280p；和与整流电路260连接且与并联谐振电路280p感应耦合的串联谐振电路280s。并联谐振电路280p具有将第3线圈L3和第3电容器C3并联连接的结构。受电装置200中的串联谐振电路280s具有将第4线圈L4和第4电容器C4串联连接的结构。第3线圈L3和第4线圈L4构成以给定的耦合系数进行耦合的变压器。第3线圈L3与第4线圈L4的匝数比被设定为实现所期望的降压比的值。匹配电路280将受电电极220所接受的数kV程度的电压降压到例如数十到数百V程度的电压。
谐振电路180s、180p、280p、280s中的各线圈例如能是形成在电路基板上的平面线圈或层叠线圈、或者使用了铜线、利兹线或绞合线等的绕线线圈。谐振电路180s、180p、280p、280s中的各电容器例如能利用具有片形形状或引线形状的所有类型的电容器。还能使经由空气的2个布线间的电容作为各电容器起作用。也可以取代这些电容器而使用各线圈所具有的自谐振特性。
将谐振电路180s、180p、280p、280s的谐振频率f0典型地设定成与电力传输时的传输频率f1一致。谐振电路180s、180p、280p、280s各自的谐振频率f0也可以不与传输频率f1严格一致。各个谐振频率f0例如可以设定为传输频率f1的50～150％程度的范围内的值。电力传输的频率f1例如能设定为50Hz～300GHz，在某示例中能设定为20kHz～10GHz，在其他示例中能设定为20kHz～20MHz，在又一其他示例中能设定为80kHz～14MHz。
在本实施方式中，送电电极120与受电电极220之间是空隙，其距离比较长(例如10mm程度)。因此，电极间的电容Cm1、Cm2非常小，送电电极120以及受电电极220的阻抗非常高，例如高到数kΩ程度。与此相对，逆变器160以及整流电路260的阻抗低到例如数Ω程度。在本实施方式中，在靠近送电电极120以及受电电极220的一侧分别配置并联谐振电路180p、280p，在靠近逆变器160以及整流电路260的一侧分别配置串联谐振电路180s、280s。根据这样的结构，能容易地进行阻抗的匹配。串联谐振电路由于在谐振时阻抗成为零(0)，因此适于与低的阻抗的匹配。另一方面，并联谐振电路由于在谐振时阻抗成为无限大，因此适于与高的阻抗的匹配。因而，如图9所示的结构那样，通过在低的阻抗的电路侧配置串联谐振电路，在高的阻抗的电极侧配置并联谐振电路，能容易地实现阻抗匹配。
另外，匹配电路260以及匹配电路280并不限于上述的结构，能适宜选择能匹配阻抗的任意的电路结构。例如，在缩短送电电极120与受电电极220之间的距离或在中间配置电介质的结构中，由于电极的阻抗变低，因此不需要设为上述那样的非对称的谐振电路的结构。另外，在不存在阻抗匹配的问题的情况下，也可以省略匹配电路180、280中的一者或两者。在省略匹配电路180的情况下，逆变器160和送电电极120直接连接。在省略匹配电路280的情况下，整流电路260和受电电极220直接连接。在本说明书中，即使是设置有匹配电路180的结构，也解释为逆变器160和送电电极120连接。同样地，即使是设置有匹配电路280的结构，也解释为整流电路260和受电电极220连接。
图10A是示意表示逆变器160的结构例的图。在该示例中，逆变器160是包含4个开关元件的全桥型的逆变器电路。各开关元件例如能是IGBT、MOSFET或GaN-FET等晶体管开关。送电控制电路150例如能包含：输出对各开关元件的接通(导通)以及断开(非导通)的状态进行控制的控制信号的栅极驱动器；和使栅极驱动器输出控制信号的微控制单元(MCU)。也可以取代图示的全桥型的逆变器而使用半桥型的逆变器、或E级等的振荡电路。
如图10A所示那样，将从逆变器160输出的电流以及电压分别设为Ires以及Vsw。由图8所示的检测器190检测电流Ires以及电压Vsw。检测器190在进行送电动作的期间，例如每隔固定的时间检测电流Ires以及电压Vsw各自的相位或反转定时。图10B是示意表示整流电路260的结构例的图。在该示例中，整流电路260是包含二极管桥和平滑电容器的全波整流电路。整流电路260也可以具有其他整流器的结构。整流电路260将所接受的交流能量变换成电池320等负载能利用的直流能量。
图11是表示充放电控制电路290的结构例的图。该示例中的充放电控制电路290包含单电池平衡控制器291、模拟前端IC(AFE-IC)292、热敏电阻293、电流检测电阻294、MCU295、通信用驱动器IC296和保护FET297。单电池平衡控制器291是将包含多个单电池的二次电池320的各个单电池的蓄电能量均匀化的电路。AFE-IC292是基于由热敏电阻293测量的单电池温度和电流检测电阻294所检测到的电流来控制单电池平衡控制器291以及保护FET297的电路。MCU295是控制经由通信用驱动器IC296的与其他电路的通信的电路。另外，图11所示的结构只是一例，可以对应于所要求的功能或特性来变更电路结构。
图12是表示DC-DC转换器130的电路结构的一例的图。该示例中的DC-DC转换器130是包含开关元件SW、二极管、2个电容器和扼流线圈的降压转换器(buck converter)。能通过开关元件SW的占空比控制来调整降压比。DC-DC转换器130可以具备与图12不同的电路结构。DC-DC转换器130起到作为使预备送电时的功率比正式送电时的功率小的调整电路的作用。通过送电控制电路150调整输入到DC-DC转换器130的开关元件SW的控制信号的占空比即接通时间比，来调整从DC-DC转换器130输出的电压。由此，输入到逆变器160的电压在预备送电时被调整成比正式送电时小。
也可以取代图12所示的非绝缘型的DC-DC转换器130而使用绝缘型DC-DC转换器。绝缘型DC-DC转换器能以比较高的效率较大降压。相对于此，非绝缘型DC-DC转换器能通过占空比的调整来微调整输出电压。能对应于用途或目的来适宜选择DC-DC转换器的种类。也可以将绝缘型DC-DC转换器和非绝缘型DC-DC转换器串联连接来使用。另外，在预备送电和正式送电中，在输入到逆变器160的电压较大不同的情况下，可以并联地设置预备送电用的DC-DC转换器和正式送电用的DC-DC转换器，并对应于送电模式进行切换使其动作。例如，在由绝缘型DC-DC转换器构成这些DC-DC转换器的情况下，在预备送电用的DC-DC转换器和正式送电用的DC-DC转换器中，绝缘变压器的绕线的匝数比不同。
也可以取代DC-DC转换器130而构成为能够由AC-DC转换器140来调整输出DC电压。在该情况下，能省略DC-DC转换器130。
图13是表示检测器190以及送电控制电路150的结构例的图。该示例中的检测器190包含：检测输出电压Vsw并变换成小信号的电压信号的检测电路191；电压相位检测用的比较器192；检测输出电流Ires并变换成小信号的电压信号的检测电路193；和电流相位检测用的比较器194。送电控制电路150包含MCU154。检测电路190将逆变器160的输出电压Vsw通过分压电阻变换成小的电压信号980。然后，比较器192在从检测电路190输出的电压信号980的反转定时将高电平和低电平切换并输出。其结果，能得到在输出电压Vsw的反转定时对高电平和低电平进行了切换的电压脉冲981。另外，检测电路193包含传感器元件以及周边电路，将逆变器160的输出电流Ires变换成小的电压信号982并输出。作为传感器元件，例如能使用霍尔元件或电流检测用电阻。作为周边电路，例如根据需要而附加差动放大电路。比较器194检测从检测电路193输出的电压信号982的正负，将高电平和低电平切换并输出。由此，能得到在输出电流Ires的反转定时对高电平和低电平进行切换的电压脉冲983。将电压脉冲981以及983输入到MCU154。MCU154检测从比较器192输出的电压脉冲981和从比较器194输出的电压脉冲983各自的边缘，并检测各自的相位，计算两者的相位差。另外，上述的相位差的检测方法只是一例。例如，也可以取代输出电压Vsw而使用具有同等的波形以及相位的逆变器160的开关元件的栅极驱动信号，与输出电流Ires的相位进行比较。相位差如参考图5说明的那样，定义为在输出电流Ires的相位相对于输出电压Vsw的相位滞后的情况下取正的值。
接下来说明本实施方式中的送电装置100的动作。
送电装置100具有探测移动体10是否到达能从送电装置100受电的位置的功能。例如，能基于从传感器或外部的管理装置发送的信号来探测移动体10的接近。若移动体10到达能受电的位置，则送电装置100就进行多个频率下的预备送电，决定最佳的频率。之后，送电装置100执行所决定的频率下的正式送电。
图14是表示送电装置100的预备送电的开始到正式送电的开始的动作的一例的流程图。在该示例中，送电控制电路150首先以预先设定的初始频率开始预备送电(步骤S101)。具体地，送电控制电路150在预备送电模式下驱动DC-DC转换器130，以初始频率来驱动逆变器160的各开关元件。在此，预备送电模式是使得比正式送电时低的电压从DC-DC转换器130输出的模式。送电控制电路150通过使输入到DC-DC转换器130的开关元件的控制信号的占空比即接通时间比比正式送电时的占空比小，来降低输入到逆变器160的电压。在预备送电模式下，与正式送电模式相比较，例如将20分之1到3分之1的低的电压输入到逆变器160。如此地，通过以低的功率进行预备送电，能降低预备送电时的硬开关或阻抗的不匹配所引起的来自电路元件的发热以及损伤的风险。其中，若电路元件的发热以及损伤的风险小，就可以使预备送电模式的电压与正式送电模式的电压相同。通过以相同电压进行各个模式的动作，能削减电压切换步骤，能简化控制。
在预备送电中，检测器190测量逆变器160的输出电压Vsw以及输出电流Ires(步骤S102)。送电控制电路150算出所测量的输出电压Vsw与输出电流Ires的相位差，将频率和相位差建立关联地记录到记录介质(例如存储器)(步骤S103)。在此，相位差如前述那样，定义成在输出电流Ires相对于输出电压Vsw滞后的情况下成为正的值。接着，送电控制电路150对全部频率判断相位差的算出是否结束(步骤S104)。在该判断为“否”的情况下，送电控制电路150将频率变更为未实施相位差的算出的其他频率来继续进行预备送电(步骤S105)。通过变更逆变器160的各开关元件的开关频率来进行频率的变更。在将预先设定的频率范围内的最低或最高的频率设定为初始频率的情况下，可以在步骤S105中通过加上或减去微小的固定的量来变更频率。
步骤S102到S105的动作直到在步骤S104中判断为“是”为止都重复进行。若在步骤S104中判断为“是”，则送电控制电路150从算出相位差的多个频率中将相位差成为最大的频率决定为在正式送电时使用的频率(步骤S111)。送电控制电路150以所决定的频率开始正式送电(步骤S112)。这时，送电控制电路150将输入到DC-DC转换器130的开关元件的控制信号的占空比变更为正式送电用的占空比。然后，将逆变器160的开关频率变更为所决定的动作频率来执行正式送电。
通过以上的动作，能从预先设定的多个频率中决定能以最高的效率执行电力传输的频率并执行正式送电。通过在正式送电的开始前进行上述那样的预备送电，即使是电极间的电容或负载的状态会在每次送电时不同的情况，也能抑制传输效率降低。
预备送电中设定的频率的数量能是2以上的任意的数量。计算相位差的频率的数量越多，则能将动作频率设定为更合适的值的可能性就越高，但到正式送电的开始为止所需的时间越长。预备送电中设定的频率的数量依赖于到正式送电的开始为止所容许的延迟时间来决定。例如，在所容许的延迟时间是100毫秒的情况下，选择能以比100毫秒短的时间来决定动作频率的程度的数量的频率。可以在所容许的时间是30毫秒程度且关于1个频率算出相位差所需的时间是约10毫秒的情况下，仅对3个频率计算相位差，从这当中决定最佳的频率。
预备送电时使用的多个频率能用各种方法决定。例如，可以在与受电电路210连接的负载的值与设计值一致的情况下，预先将相位差成为峰值的频率(图7A的示例中是约485kHz)决定为基准频率，将基准频率、比基准频率低的1个以上的频率和比基准频率高的1个以上的频率作为在预备送电时使用的频率。预备送电时使用的多个频率的频率间隔不需要是等间隔。例如也可以选择多个频率，使得越远离基准频率，则频率间隔越宽。决定最佳的频率的动作不仅可以在正式送电的开始前进行，也可以在正式送电中进行。特别在正式送电的时间长的情况下，由于在正式送电中天线间的耦合状态或负载状态发生变化的可能性变高，因此具有在送电中导入变更为更适合的频率的动作的优点。
在图14的示例中，对预先设定的多个频率的全部来计算相位差，将相位差成为最大的频率决定为正式送电时的动作频率。并不限定于这样的动作，也可以通过其他方法决定动作频率。例如，也可以通过爬山法搜索相位差成为极大的频率，将该频率设为动作频率。
图15是表示通过爬山法决定相位差成为极大的频率的动作的一例的流程图。在该示例中，首先，送电控制电路150以初始频率开始预备送电(步骤S121)。该示例中的初始频率是预先设定的多个频率当中最低的频率。与之前的示例同样，检测器190测量逆变器的输出电压和输出电流(步骤S122)。送电控制电路150算出表示输出电流相对于所测量的输出电压的滞后的相位差，将频率和相位差建立关联地记录到记录介质(步骤S123)。接下来，送电控制电路150判断所算出的相位差与前次的相位差(初次时是负的充分大的值)相比是否增加(步骤S124)。在步骤S124的判断为“是”的情况下，送电控制电路150使频率增加固定量(步骤S125)，并返回步骤S122。在步骤S124的判断为“否”的情况下，送电控制电路150判断本次算出的相位差与到此为止算出的相位差的最大值的差是否为阈值以上(步骤S126)。该步骤是为了防止以下情况而进行的：即，虽然相位差实际上并不是极大，却由于噪声、其他原因而误判定为是极大。将阈值预先设定为与噪声导致的信号的波动相比充分大的合适的值。在步骤S126的判断为“否”的情况下，前进到步骤S125，使频率增加固定量，继续进行预备送电。在步骤S126的判断为“是”的情况下，送电控制电路150从到此为止计算了相位差的频率中将相位差成为最大的频率决定为动作频率(步骤S131)。然后，送电控制电路150以所决定的动作频率开始正式送电(步骤S132)。
根据图15的动作，在确定了相位差成为极大的频率的时间点结束预备送电，移转到正式送电。因此，能以比较短的时间开始正式送电。
在图15的示例中，将初始频率设定为预先设定的频率范围内的最低的频率，但也可以设定为该频率范围内的最高的频率。在该情况下，在步骤S125中，送电控制电路150进行使频率减少固定量的动作。另外，在步骤S125中，也可以不是使频率变化固定量，而是对应于与预先设定的基准频率的差来变更频率的变化量。例如，将在电极间电容以及负载的值如设计值那样的情况下效率成为最高的频率作为基准频率，随着接近基准频率，使频率的变化量单调减少，随着远离基准频率，使频率的变化量单调增加。
图14以及图15所示的动作只是例示，在实际的应用时，可以适宜加入变形。在本实施方式中，检测器190检测逆变器160与匹配电路180之间的电压以及电流。并不限定于此，检测器190也可以检测匹配电路180的内部的电压以及电流。例如，也可以检测图9所示的匹配电路180中的升压前的部位处的电压以及电流。
正式送电时的动作频率也可以与测量了相位差的多个频率当中相位差成为最大的频率不一致。也可以在能起到本实施方式的作用效果的范围内将与上述频率不同的频率设定为动作频率。
在以上的实施方式中，送电电极120敷设于地面，但送电电极120也可以敷设于墙壁等的侧面、或天花板等的上表面。对应于敷设送电电极120的场所以及朝向来决定移动体10的受电电极220的配置以及朝向。
图16A表示将送电电极120敷设于墙壁等的侧面的示例。在该示例中，受电电极220配置于移动体10的侧方。图16B示出将送电电极120敷设于天花板的示例。在该示例中，受电电极220配置于移动体10的顶板。如这些示例那样，在送电电极120以及受电电极220的配置中能有各种变形。
图17是表示通过线圈间的磁场耦合来无线传输电力的系统的结构例的图。在该示例中，也可以取代图8所示的送电电极120而设置送电线圈121，取代受电电极220而设置受电线圈122。在受电线圈122与送电线圈121对置的状态下，从送电线圈121对受电线圈221以无线方式传输电力。即使是这样的结构，也能得到与前述的实施方式同样的效果。
本公开的实施方式中的无线电力传输系统如前述那样，能作为工厂内的物品的搬运用的系统而利用。移动体10作为具有装载物品的货架且在工厂内自主移动来将物品搬运到必要的场所的台车起作用。但本公开中的无线电力传输系统以及移动体并不限于这样的用途，能在其他各种用途中利用。例如移动体并不限于AGV，也可以是其他产业机械、服务机器人、电动汽车、多旋翼飞行器(无人机)等。无线电力传输系统并不限于工厂内，例如能在店铺、医院、家庭、道路、跑道、其他所有场所中利用。
产业上的可利用性
本公开的技术能利用于由电力驱动的任意设备。例如能适合利用于无人搬运车(AGV)等电动车辆。
附图标记说明
10 移动体
20 电源
30 地面
100 送电装置
110 送电电路
120、120a、120b 送电电极
130 DC-DC转换器电路
140 AC-DC转换器电路
150 送电控制电路
160 DC-AC逆变器电路
180 匹配电路
180s 串联谐振电路
180p 并联谐振电路
190 检测器
200 受电装置
210 受电电路
220、220a、220b 受电电极
260 整流电路
280 匹配电路
280p 并联谐振电路
280s 串联谐振电路
290 充放电控制电路
310 蓄电装置
320 二次电池
330 电动马达
340 马达控制电路

Claims (10)

1.一种送电装置，在具备所述送电装置以及受电装置的无线电力传输系统中使用，所述送电装置具备：
逆变器电路；
送电天线，与所述逆变器电路连接，并与所述受电装置中的受电天线电磁耦合来以无线方式传输电力；
检测器，检测所述逆变器电路的输出电压以及输出电流；和
控制电路，控制所述逆变器电路，以多个频率依次驱动所述逆变器电路，从所述多个频率中决定表示所述输出电流的相位相对于所述输出电压的相位的滞后的相位差成为最大的频率，以基于所决定的所述频率的动作频率来驱动所述逆变器电路而执行送电。
2.根据权利要求1所述的送电装置，其中，
所述送电装置还具备：
调整电路，用于调整输入到所述逆变器电路的电压，
所述控制电路通过控制所述调整电路，来以比决定所述动作频率后的送电动作低的功率执行用于决定所述动作频率的动作。
3.根据权利要求1或2所述的送电装置，其中，
所述调整电路是连接在外部的直流电源与所述逆变器电路之间的DC-DC转换器电路、或者连接在外部的交流电源与所述逆变器电路之间的AC-DC转换器电路。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的送电装置，其中，
所述多个频率包含3个以上的频率。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的送电装置，其中，
所述控制电路通过爬山法来决定所述相位差成为最大的频率。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的送电装置，其中，
所述控制电路以比1秒短的时间执行决定所述动作频率的动作。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的送电装置，其中，
所述送电装置还具备：
阻抗匹配电路，连接在所述逆变器电路与所述送电天线之间，
所述检测器将所述逆变器电路与所述阻抗匹配电路之间、或所述阻抗匹配电路的内部的电压以及电流分别检测为所述输出电压以及所述输出电流。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的送电装置，其中，
所述受电天线包含2个以上的受电电极，
所述送电天线包含与所述2个以上的受电电极电场耦合的2个以上的送电电极。
9.一种无线电力传输系统，具备：
权利要求1～8中任一项所述的送电装置；和
所述受电装置。
10.根据权利要求9所述的无线电力传输系统，其中，
所述无线电力传输系统具备包含所述受电装置的移动体。
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