CN116783795A - 受电装置及无线供电系统 - Google Patents

Abstract

得到在对多个移动体进行非接触供电的无线供电系统中，即使供电对象数量变动也能够进行稳定的供电的受电装置及具有该受电装置的无线供电系统。一种被从送电装置输送来电力的无线供电系统(1)的受电装置(100)，该送电装置具有产生高频电压的送电电源(10)及送电谐振电路(11)，该送电谐振电路具有送电线圈(111)，接收送高频电压而通过谐振现象产生交流磁通，该受电装置(100)具有：受电谐振电路(12)，其接收从送电谐振电路(11)输送来的交流磁通而变换为交流电力；至少一个补偿要素(16a)，其设置为将由于受电谐振电路(12)移动至能够受电的位置而变动的送电线圈(110)的电感的变动量抵消。

Description

受电装置及无线供电系统

技术领域

本发明涉及非接触地进行送电、受电的无线供电系统的受电装置及具有该受电装置的无线供电系统。

背景技术

以往，已知通过隔开空间的两个线圈间的磁场耦合非接触地对电力进行传输的无线供电技术。作为本技术的结构之一，存在从单一的送电线圈向多个受电线圈供电的无线供电系统。在这样的结构中，由于需要送电线圈与大量受电线圈磁耦合，因此通常送电线圈为比受电线圈大的尺寸。另外，这样的结构的应用对象多数以向移动体的供电为对象，对于这些应用对象而言，设想的是对设置于沿送电线圈移动的移动体的受电线圈供电的系统。因此，在送电线圈的架设范围是受电线圈的移动范围的一部分的情况下，能够从送电线圈供电的受电线圈的数量时时刻刻产生变化。这样，如果与送电线圈相对的受电线圈的数量产生变动，则电路常数产生变动，其结果，存在电路动作变化而变得无法供给恰当的电力，无效电力增加而效率降低等问题。

相对于此，例如在专利文献1中，在无线供电装置的送电单元具有大于或等于2组电容器电路组，通过与作为供电对象的移动体的数量对应地将电路连接切换至规定的电容器电路组，从而实现所期望的电路动作。另外，在专利文献2中，在非接触供电系统的送电侧具有由电容器和开关元件构成的电路，通过对所述电路进行控制而对电容性电抗成分进行控制，实现所期望的电路动作。

专利文献1：日本特开2018-117404号公报

专利文献2：日本特开2014-93829号公报

发明内容

但是，在如以往那样无线供电系统的送电侧具有包含电容器的电路，与供给电力的移动体的数量对应地调整为需要的电容的结构中，需要对受电侧的负载状况进行检测而在送电侧进行控制。因此，系统复杂化，除此之外，存在产生由对负载变动进行检测至进行控制为止的延迟时间引起的输出变动这样的课题。

本发明就是为了解决上述那样的课题而提出的，其目的在于提供在对多个移动体进行非接触供电的无线供电系统中，即使供电对象的数量变动也能够进行稳定的供电的受电装置及具有该受电装置的无线供电系统。

本发明涉及的受电装置为被从送电装置输送来电力的无线供电系统的受电装置，该送电装置具有产生高频电压的送电电源及送电谐振电路，该送电谐振电路具有送电线圈，该送电谐振电路接收高频电压而通过谐振现象产生交流磁通，该受电装置具有：受电谐振电路，其接收从送电谐振电路输送来的交流磁通而变换为交流电力；整流电路，其将由受电谐振电路输出的交流电力变换为直流电力；滤波器，其使整流电路的输出所包含的高频成分衰减；以及至少一个补偿要素，其设置为将由于受电谐振电路移动至能够受电的位置而变动的送电线圈的电感的变动量抵消。

本发明涉及的无线供电系统具有送电装置和多个受电装置，送电装置具有：送电电源，其产生高频电压；以及送电谐振电路，其具有送电线圈，该送电谐振电路接收高频电压而通过谐振现象产生交流磁通，受电装置具有：受电谐振电路，其接收从送电谐振电路输送来的交流磁通而变换为交流电力；整流电路，其将由受电谐振电路输出的交流电力变换为直流电力；滤波器，其使整流电路的输出所包含的高频成分衰减；以及至少一个补偿要素，其设置为将由于受电谐振电路移动至能够受电的位置而变动的送电线圈的电感的变动量抵消。

发明的效果

根据本发明涉及的受电装置，通过具有补偿要素，该补偿要素设置为将由于受电谐振电路移动至能够受电的位置而变动的送电线圈电感的变动量抵消，从而即使无线供电系统中的供电对象的数量产生变动也能够进行稳定的供电。

根据本发明涉及的无线供电系统，通过具有包含补偿要素的受电装置，该补偿要素设置为将由于受电谐振电路移动至能够受电的位置而变动的送电线圈电感的变动量抵消，从而即使供电对象的数量产生变动也能够进行稳定的供电。

附图说明

图1是表示本发明涉及的实施方式1的无线供电系统的概略结构的图。

图2是表示本发明涉及的实施方式1的送电谐振电路及受电谐振电路的一个例子的概略结构图。

图3是表示本发明涉及的实施方式1的受电装置的电路结构的概略结构图。

图4是表示本发明涉及的实施方式1的受电装置的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的一个例子的概略结构图。

图5是表示本发明涉及的实施方式1的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的另一个例子的概略结构图。

图6是本发明涉及的实施方式1的使用了多个受电装置的无线供电系统的概略结构图。

图7是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的电路结构的概略结构图。

图8是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的电路结构的一个例子的概略结构图。

图9是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的电路结构的另一个例子的概略结构图。

图10是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的概略结构图。

图11是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的电路结构的概略结构图。

图12是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的电路结构的一个例子的概略结构图。

图13是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的电路结构的另一个例子的概略结构图。

图14是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的概略结构图。

具体实施方式

下面，参照附图对无线供电系统的受电装置的一个例子进行说明，但只要不超出该主旨，则并不限于该结构。此外，在多个实施方式中对相同或类似的结构要素标记相同标号。

实施方式1

图1是表示本发明涉及的实施方式1的无线供电系统的概略结构的图。如图1所示，无线供电系统1例如具有送电电源10、送电谐振电路11、受电谐振电路12、整流电路13、滤波器14、负载15及补偿要素16a。在无线供电系统1中，从送电电源10供给电力，在送电谐振电路11与受电谐振电路12之间非接触地输送电力。整流电路13将通过受电谐振电路12受电的交流电力变换为直流电力。通过滤波器14使整流电路13的输出电力所包含的交流成分衰减，由负载15进行电力消耗、蓄电等。补偿要素16a并联连接于受电谐振电路12和整流电路13之间，该补偿要素16a是为了使送电谐振电路11的谐振条件恒定而连接的。

送电电源10是输出高频电流或电压的电源。也可以是包含逆变器、DC/DC转换器等电力变换器的结构，输出波形也可以是矩形波形状等的包含多个频率成分的波形。

图2是表示本发明涉及的实施方式1的送电谐振电路及受电谐振电路的一个例子的概略结构图。如图2所示，送电谐振电路11具有送电线圈110、至少一个送电侧谐振电容器111。送电谐振电路11也可以是进一步包含与送电线圈110不同的谐振电抗器112的结构。送电线圈110和送电侧谐振电容器111设计为在送电电源10的输出频率下达成谐振条件。在送电电源10的输出波形为矩形波形状等的包含谐波成分的波形的情况下，通常设计为在所述输出波形的基波成分中送电谐振电路11满足谐振条件，但也可以设计为相对于谐波成分产生谐振。流过送电谐振电路11的谐振电流的路径在无线供电系统1正在动作时是相同的。这里，图2所示的送电谐振电路11示出各种谐振电路结构中的一种，并不是对送电谐振电路11的结构进行限定。

另外，如图2所示，受电谐振电路12具有受电线圈120、至少一个受电侧谐振电容器121。受电谐振电路12也可以是包含与受电线圈120不同的谐振电抗器的结构。受电线圈120和受电侧谐振电容器121设计为在送电电源10的输出频率下达成谐振条件。在送电电源10的输出波形为矩形波形状等的包含谐波成分的波形的情况下，通常设计为在所述输出波形的基波成分中受电谐振电路12满足谐振条件，但也可以设计为相对于谐波成分产生谐振。这里，图2所示的受电谐振电路12是一个谐振电容器121与受电线圈120串联连接的结构，但这示出的是各种谐振电路结构中的一种，并不是对谐振电路的结构进行限定。

图3是表示本发明涉及的实施方式1的受电装置的电路结构的概略结构图。如图3所示，受电装置100具有受电谐振电路12、整流电路13、滤波器14、负载15及补偿要素16a。整流电路13例如是将四个二极管元件全桥连接后的结构，对从受电谐振电路12输出的交流电力进行接收，输出直流电力。滤波器14例如是由电容器构成的C滤波器，使从整流电路13输出的电压及电流所包含的高频成分衰减。也可以与系统结构对应地应用由电容器和电抗器构成的LC滤波器等不同的滤波器结构。负载15例如是进行电力消耗的电动机或蓄电用的电池等。另外，也可以是包含用于对负载电压进行调整的电力变换器的负载结构。

补偿要素16a例如是并联连接于受电谐振电路12和整流电路13之间的电抗器，该补偿要素16a对送电线圈110的电感增加量进行补偿。这里，在图2中示出作为补偿要素16a而连接了电抗器的例子，但并不是对电抗要素进行限定，也可以是作为补偿要素16a而连接电容器，对送电线圈110的电感减少量进行补偿。

图4是表示本发明涉及的实施方式1的受电装置的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的一个例子的概略结构图。在图4中，设想的是处于能够从送电线圈110对受电线圈120供电的配置的状况，增加电感器113表示由于受电线圈120的影响而增加的电感。增加电感器113并非是有意地连接于电路的电感器，而是表示送电线圈110与受电线圈120物理上接近，发生了磁耦合时产生的电抗成分。另一方面，由于送电谐振电路11所具有的未图示的谐振电容器的电容没有变化，因此如果无视补偿要素16a的影响，则送电谐振电路11的谐振频率会产生变化。

图4(b)示出图4(a)的等效电路，图4(a)中的补偿要素16a能够视作等效地与送电线圈110串联连接的电容性电抗16b。而且，图4(a)中的补偿要素16a设计为图4(b)中的电容性电抗16b与增加电感器113的合成阻抗在谐振频率下成为0。通过这样设计，能够消除增加电感器113的影响，能够对谐振频率的变动进行抑制。另外，在图4(b)中，增加电感器113及电容性电抗16b均是在受电线圈120与送电线圈110磁耦合的状态下存在。因此，在受电线圈120未磁耦合而无法供电的配置的情况下，由于没有增加电感器113及电容性电抗16b的影响，因此送电线圈110成为规定的设计值。

如上所述，在能够供电的状态下补偿要素16b与增加电感器113相互抵消，在无法供电的状态下没有增加电感器113及补偿要素16b的影响，因此其结果，在所有状况下均仅看到送电线圈110的电感，能够对送电谐振电路11的谐振条件的变动进行抑制。

图5是表示本发明涉及的实施方式1的受电装置的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的一个例子的概略结构图。在图5中，设想的是处于能够从送电线圈110对受电线圈120供电的配置的状况，附加电容器114表示由于受电线圈120的影响而减少的电感。附加电容器114并非是有意地连接于电路的电容器，而是表示在送电线圈110与受电线圈120物理上接近时产生的电抗成分。另一方面，由于送电谐振电路11所具有的未图示的谐振电容器的电容没有变化，因此如果无视补偿要素16a的影响，则送电谐振电路11的谐振频率会产生变化。

图5(b)示出图5(a)的等效电路，图5(a)中的补偿要素16a能够视作等效地与送电线圈110串联连接的感应性电抗16b。图5(a)中的补偿要素16a设计为图5(b)中的感应性电抗16b与附加电容器114的合成阻抗在谐振频率下成为0。通过这样设计，能够消除附加电容器114的影响，能够对谐振频率的变动进行抑制。另外，在图5(b)中，所述附加电容器114及感应性电抗16b均是在受电线圈120与送电线圈110物理上接近配置的状态下存在。因此，在受电线圈120物理上远离而无法供电的配置的情况下，由于没有附加电容器114及感应性电抗16b的影响，因此送电线圈110成为规定的设计值。

如上所述，在能够供电的状态下补偿要素16b与附加电容器114相互抵消，在无法供电的状态下没有所述附加电容器114及补偿要素16b的影响，因此其结果，在所有状况下均仅看到送电线圈110的电感，能够对送电谐振电路11的谐振条件的变动进行抑制。

在之后的说明中，仅设想为在送电线圈110与受电线圈120接近配置的情况下，增加电感器113与送电线圈110串联连接的情况而进行说明，但如上所述，在附加电容器114连接于送电线圈110的情况下也能够得到本发明的效果，并不是对本发明的效果的范围进行限定。

图6是本发明涉及的实施方式1的使用了多个受电装置的无线供电系统的概略结构图。对具有与图1相同功能的要素标注相同标号。如图6所示，在受电装置100存在N个的状态下，通过将N个受电线圈120配置于送电线圈110之上，等效于N个增加电感器113连接于送电线圈110的电路。如果将增加电感器113的电感设为ΔL1，则由受电线圈120的影响导致的送电线圈110的电感的变化量的合计表示为N×ΔL1。

另一方面，在本发明涉及的受电装置100中，补偿要素16b等效地与送电线圈110串联连接，其连接数量为与受电装置100的数量相等的N个。由于各个补偿要素16b设计为在谐振频率下与ΔL1相互抵消，因此其结果，送电线圈110的电感的增加量N×ΔL1与N个补偿要素16b相互抵消。这样，即使受电装置100的数量增加也能够对送电线圈110的电感的增加进行抑制，能够满足送电谐振电路11的谐振条件。

增加电感器113例如是送电侧谐振电容器，由于对送电线圈110的电感的增加进行抑制，因此送电侧谐振电容器的电容不依赖于存在于能够受电的位置处的受电装置100的数量而是恒定的。这里，恒定是大致恒定的含义，包含误差。

如上所述，根据本发明涉及的受电装置100，将补偿要素16a并联连接于受电谐振电路12和整流电路13之间，由于将供电时等效地连接的送电侧的增加电感器113或附加电容器114的电抗成分抵消，因此无论进行供电的受电装置的数量如何均能够满足送电谐振电路11的谐振条件。另外，由于是补偿要素16a与受电装置100的数量对应地起作用的结构，因此不需要对受电装置100的数量进行检测的手段、与检测手段的结果对应的送电侧的开关控制等。因此，能够防止系统复杂化，并且不需要追加与受电装置100的数量的检测相伴的电压、电流传感器、开关等控制部件。

实施方式2

图7是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的电路结构的概略结构图。图7所示的补偿要素16c的两端被短接，但也可以连接电抗器、电容器等电抗要素而进行阻抗调整。在实施方式2涉及的受电装置200中，将补偿要素16c作为与送电线圈110磁耦合的电抗器连接于电路。实施方式2涉及的受电装置200也应用于实施方式1所示的无线供电系统。下面，以与实施方式1的不同点为中心进行说明，适当省略相同点的说明。另外，对与图3相同或相当部分标注相同标号，省略其说明。

图8是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的电路结构的一个例子的概略结构图。如图8所示，对于受电装置200，在设想为送电线圈110的电感由于受电线圈120的影响而增加的情况下，连接电抗130，使补偿要素16c成为电容性电抗成分即可。

图9是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的电路结构的另一个例子的概略结构图。如图9所示，另外，在设想为送电线圈110的电感由于受电线圈120的影响而减少的情况下，连接电容器140，使补偿要素16c成为电容性电抗成分即可。

图10是表示本发明涉及的实施方式2的受电装置的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的概略结构图。在图10的实施方式2涉及的受电电路中，利用补偿要素16c的漏电感成分而进行增加电感器113的补偿。因此，需要使送电线圈110与补偿要素16c的耦合系数小于1。

在补偿要素16c存在漏电感的情况下，成为述漏电感与受电谐振电路12并联连接的结构。图10(b)为将补偿要素16c设为送电谐振电路11侧的电抗成分的等效电路，能够表示为与送电线圈110串联连接的电容性电抗16d。由此，与实施方式1中的受电装置100相同地，能够得到降低送电线圈110的电感的效果。因此，以增加电感器113与电容性电抗16d相互抵消的方式对补偿要素16c进行设计，由此能够得到与实施方式1相同的效果。

另外，在本实施方式涉及的受电装置200中，将补偿要素16c作为与送电线圈110磁耦合的电抗器而连接于电路。在实施方式1中经由受电谐振电路12和补偿要素16a流过补偿电流，因此其流经受电线圈120和补偿要素16a、及谐振电容器121，但在实施方式2的结构中补偿电流仅流经补偿要素16c，因此能够对与补偿电流的流过相伴的损耗进行抑制。

实施方式3

图11是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的电路结构的概略结构图。实施方式3涉及的受电装置300是具有多个补偿要素的结构，将第一补偿要素16a并联连接于受电谐振电路12和整流电路13之间，将第二补偿要素16c作为与送电线圈磁耦合的电抗器连接于电路。实施方式3涉及的受电装置300也应用于实施方式1所示的无线供电系统。下面，以与实施方式1的不同点为中心进行说明，适当省略相同点的说明。另外，对与图3相同或相当部分标注相同标号，省略其说明。

图11所示的第二补偿要素16c的两端被短接，但也可以连接电抗器、电容器等电抗要素而进行阻抗调整。图12是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的电路结构的一个例子的概略结构图。如图12所示，对于受电装置300，在设想为送电线圈110的电感由于受电线圈120的影响而增加的情况下，连接电抗130，使补偿要素16c成为电容性电抗成分即可。

图13是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的电路结构的另一个例子的概略结构图。如图13所示，另外，在设想为送电线圈110的电感由于受电线圈120的影响而减少的情况下，连接电容器140，使第二补偿要素16c成为电容性电抗成分即可。

图14是表示本发明涉及的实施方式3的受电装置的包含补偿要素的谐振电路部分的等效电路的概略结构图。如图14(a)所示，在实施方式3涉及的受电电路中，成为连接有第一补偿要素16a和第二补偿要素16c这两者的结构。图14(b)是将所述第一补偿要素16a和所述第二补偿要素16c以送电谐振电路11侧的电抗成分表示的等效电路，表示为与送电线圈110串联连接的第一电容性电抗16b和第二电容性电抗16d。第一电容性电抗16b和第二电容性电抗16d具有降低送电线圈110的电感的效果，因此以第一电容性电抗16b和第二电容性电抗16d的合成阻抗与增加电感器113相互抵消的方式对补偿要素16a及补偿要素16c进行设计，由此能够得到与实施方式1相同的效果。

并且，实施方式3涉及的受电装置300通过具有第一补偿要素16a及第二补偿要素16c，能够使补偿电流路径分流至两个补偿要素。由电流造成的电阻中的损耗是通过电流值的平方来计算的，因此通过使电流分流至两个路径能够降低电流的最大值，得到降低与补偿电流相伴的损耗的效果。

本发明可以在其发明的范围内将各实施方式自由地组合，对各实施方式适当进行变更、省略。

标号的说明

1 无线供电系统

10 送电电源

11 送电谐振电路

12 受电谐振电路

13 整流电路

14 滤波器

15 负载

110 送电线圈

120 受电线圈

121 受电侧谐振电容器

16a、16c 补偿要素

100、200、300 受电装置

Claims (9)

1.一种受电装置，其为被从送电装置输送来电力的无线供电系统的受电装置，该送电装置具有产生高频电压的送电电源及送电谐振电路，该送电谐振电路具有送电线圈，该送电谐振电路接收所述高频电压而通过谐振现象产生交流磁通，

该受电装置具有：

受电谐振电路，其接收从所述送电谐振电路输送来的交流磁通而变换为交流电力；

整流电路，其将由所述受电谐振电路输出的交流电力变换为直流电力；

滤波器，其使所述整流电路的输出所包含的高频成分衰减；以及

至少一个补偿要素，其设置为将由于所述受电谐振电路移动至能够受电的位置而变动的所述送电线圈的电感的变动量抵消。

2.根据权利要求1所述的受电装置，其特征在于，

所述补偿要素为并联连接于所述受电谐振电路和所述整流电路之间的电抗要素。

3.根据权利要求1所述的受电装置，其特征在于，

所述补偿要素为与所述送电线圈磁耦合的电抗器。

4.根据权利要求3所述的受电装置，其特征在于，

电抗要素连接于所述电抗器。

5.根据权利要求1所述的受电装置，其特征在于，

所述补偿要素是并联连接于所述受电谐振电路和所述整流电路之间的电抗要素即第一补偿要素、与所述送电线圈磁耦合的电抗器即第二补偿要素。

6.根据权利要求5所述的受电装置，其特征在于，

不同的电抗要素连接于与所述送电线圈磁耦合的所述电抗器即所述第二补偿要素。

7.一种无线供电系统，其具有送电装置和多个受电装置，该无线供电系统的特征在于，

送电装置具有：

送电电源，其产生高频电压；以及

送电谐振电路，其具有送电线圈，该送电谐振电路接收所述高频电压而通过谐振现象产生交流磁通，

受电装置具有：

受电谐振电路，其接收从送电谐振电路输送来的交流磁通而变换为交流电力；

整流电路，其将由所述受电谐振电路输出的交流电力变换为直流电力；

滤波器，其使所述整流电路的输出所包含的高频成分衰减；以及

至少一个补偿要素，其设置为将由于所述受电谐振电路移动至能够受电的位置而变动的所述送电线圈的电感的变动量抵消。

8.根据权利要求7所述的无线供电系统，其特征在于，

所述送电谐振电路具有至少一个送电侧谐振电容器，所述送电侧谐振电容器的电容不依赖于存在于能够受电的位置处的所述受电装置的数量而是恒定的。

9.根据权利要求7所述的无线供电系统，其特征在于，

流过所述送电谐振电路的谐振电流的路径在系统正在动作时是相同的。