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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Drahtlos-Stromübertragungssystem.
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HINTERGRUND
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Eine Drahtlos-Stromübertragungstechnologie ist bekannt als eine Technologie, welche die magnetische Kopplung zwischen einer Primär (Stromspeise-)spule und einer Sekundär(Stromempfangs-)spule nutzt, die einander zugewandt sind, und die Energie eines an der Primärspule anliegenden Wechselstroms drahtlos an die Sekundärspule überträgt.
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Bei dieser Drahtlos-Stromübertragungstechnologie fällt die Ausgabe des Gleichrichters in einen instabilen Zustand, wenn sich der Zustand der magnetischen Kopplung zwischen der Primärspule und der Sekundärspule oder der Lastzustand ändern. Es ist dabei notwendig, die Ausgabe des Gleichrichters auf eine vorgegebene Spannung, Stromstärke bzw. Leistung zu steuern, damit die Arbeitsspanne des Elements der Ausgangsstufe nicht überschritten wird. Zur stabilen Steuerung der Ausgabe des Gleichrichters ist es jedoch notwendig, den Zustand der Stromempfangsseite an der Stromspeiseseite zu überwachen, jedoch besteht bei der Drahtlos-Stromübertragungstechnologie ein Problem dahingehend, dass der Zustand der Stromempfangsseite nicht durch eine drahtgebundene Kommunikationseinrichtung überwacht werden kann, da die Stromspeiseseite und die Stromempfangsseite physisch voneinander getrennt sind.
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Um ein solches Problem zu lösen, offenbart Patentdokument 1 beispielsweise ein Stromübertragungssystem beinhaltend eine Stromzufuhrvorrichtung mit einer Stromspeiseseiten-Steuervorrichtung zum Steuern eines AC-Wandlers, und eine Stromempfangsvorrichtung, die mit einer Messkommunikationsvorrichtung bereitgestellt ist, die die Ausgangsspannung und die Ausgangsstromstärke eines Gleichrichters misst und die gemessenen Ergebnisse an die Stromspeiseseiten-Steuervorrichtung überträgt, wobei die Stromspeiseseiten-Steuervorrichtung den AC-Wandler dahingehend steuert, auf Grundlage der Messergebnisse der Ausgangsspannung und der Ausgangsstromstärke des Gleichrichters, die von der Messkommunikationsvorrichtung empfangen wurden, Sollwerte von Ausgangsspannung und Ausgangsstromstärke des Gleichrichters zu erhalten.
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PATENTLITERATUR
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- Patentdokument 1: JP2013-198260A
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ÜBERSICHT
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Bei der in Patentdokument 1 offenbarten Technik kann jedoch die Einrichtung zum Überwachen des Zustands an der Stromempfangsseite durch den Zustand oder die Leistung der Drahtloskommunikation beeinflusst werden. Das bedeutet, es besteht ein Problem dahingehend, dass aufgrund einer Unterbrechung der Drahtloskommunikation keine Steuerung durchgeführt werden kann oder die Steuerung, obgleich eine hohe Steuergeschwindigkeit benötigt wird, aufgrund der begrenzten Kommunikationsgeschwindigkeit nicht beschleunigt werden kann.
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Die vorliegende Erfindung erfolgte angesichts der obenstehenden Probleme und hat zum Ziel, ein Drahtlosstromübertragungssystem anzugeben, das eine stabile Ausgangsspannung des Gleichrichters während der Hauptstromspeisung aufrechterhalten kann, ohne Drahtloskommunikation zu nutzen, und entsprechend der Veränderung des Lastzustands eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zum Steuern der Ausgangsspannung des Gleichrichters bereitstellt.
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Um das obenstehend erwähnte Problem zu lösen, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung umfangreiche sowie intensive Forschung betrieben. Im Ergebnis hat sich herausgestellt, dass wenn die Steuerfrequenz der Drahtlosstromübertragung im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der LC-Resonanzkreises der Stromempfangsseite entspricht, es möglich ist, ein proportionales Verhältnis zwischen dem in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom und der Ausgangspannung des Gleichrichters aufzubauen. Dadurch wurde die vorliegende Erfindung fertiggestellt.
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Das Drahtlosstromübertragungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Drahtlosstromübertragungssystem, das elektrischen Strom drahtlos von einer Stromspeisevorrichtung an eine Stromempfangsvorrichtung überträgt, wobei die Stromspeisevorrichtung beinhaltet: eine Stromspeisespule, die einen elektrischen Strom empfängt, um ein Wechselstrommagnetfeld zu erzeugen; einen Wechselrichter, der zu einer vorgegebenen Steuerfrequenz einen Wechselstrom an die Stromspeisespule zuführt; eine Stromstärkedetektionsschaltung zum Detektieren eines Spitzenwerts eines in der Stromspeisespule fließenden Wechselstroms; und einen Controller zum Steuern des in der Stromspeisespule fließenden Wechselstroms, und die Stromempfangsvorrichtung beinhaltet: eine Stromempfangsspule, die über das Wechselstrommagnetfeld drahtlos elektrischen Strom empfängt; einen stromempfangsseitigen Resonanz-Kondensator, der zusammen mit der Stromempfangsspule eine stromempfangsseitige LC-Resonanzschaltung darstellt; und einen Gleichrichter, der den durch die Stromempfangsspule empfangenen elektrischen Strom gleichrichtet, wobei der Controller die Steuerfrequenz anpasst, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen und den in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom dahingehend steuert, konstant zu sein.
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Gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung passt der Controller die Steuerfrequenz dahingehend an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen. Es ist daher möglich, ein proportionales Verhältnis zwischen dem in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom und der Ausgangsspannung des Gleichrichters aufzubauen. Im Ergebnis kann durch Steuern des in der Stromspeisespule fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein, die Ausgangspannung des Gleichrichters stabil gehalten werden ohne während der Hauptstromspeisung eine Drahtloskommunikation zu nutzen. Ferner kann eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zum Steuern der Ausgangsspannung des Gleichrichters erzielt werden, die der Veränderung des Lastzustands entspricht, da die Drahtloskommunikation nicht zum Steuern genutzt wird.
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Es ist bevorzugt, dass die Differenz zwischen der Steuerfrequenz und der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung innerhalb 5% der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung liegt. In diesem Fall ist es möglich, das proportionale Verhältnis zwischen dem Wert des in der Stromspeisespule fließenden Wechselstroms und der Ausgangspannung des Gleichrichters aufrechtzuerhalten. Im Ergebnis kann, wenn der Kopplungszustand zwischen den Spulen unverändert ist, die Ausgangsspannung des Gleichrichters durch Steuern des Stromwerts der Stromspeisespule dahingehend, konstant zu sein, stabil gesteuert werden.
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Es ist bevorzugt, dass die Stromspeisevorrichtung ferner ein Drahtlosempfangsmodul beinhaltet und die Stromempfangsvorrichtung ferner eine Spannungsdetektionsschaltung beinhaltet, die die Ausgangsspannung des Gleichrichters detektiert und ein Drahtlosübertragungsmodul, das den von der Spannungsdetektionsschaltung detektierten Wert der Ausgangsspannung an das Drahtlosempfangsmodul überträgt; und dass der Controller vor der Hauptstromspeisung mit einer Übertragungsleistung, die geringer ist als diejenige der Hauptstromspeisung, eine kleine Stromspeisung durchführt, während der von dem Drahtlosempfangsmodul empfangene Wert der Ausgangsspannung konstant wird; und der in der Stromspeisespule fließende Wechselstrom auf Grundlage des von der Stromdetektionsschaltung detektierten Spitzenwerts des Wechselstroms während der kleinen Stromspeisung gesteuert werden kann. In diesem Fall ist es möglich, den Wechselstrom der Stromspeisespule zu steuern, um einen gewünschten Sollwert der Ausgangsspannung zu erhalten.
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Es ist bevorzugt, dass die Stromspeisevorrichtung ferner ein Drahtlosempfangsmodul beinhaltet und dass die Stromempfangsvorrichtung ferner eine Spannungsdetektionsschaltung beinhaltet, die die Ausgangsspannung des Gleichrichters detektiert und ein Drahtlosübertragungsmodul, das den von der Spannungsdetektionsschaltung detektierten Wert der Ausgangsspannung an das Drahtlosempfangsmodul überträgt; und der Controller vor der Hauptstromspeisung mithilfe von zumindest zwei unterschiedlichen Werten der Werte der Ausgangsspannung eine kleine Stromspeisung durchführt, während der von dem Drahtlosempfangsmodul empfangene Wert der Ausgangsspannung konstant wird, wobei eine Übertragungsleistung niedriger ist als diejenige einer Hauptstromspeisung; und der in der Stromspeisespule fließende Wechselstrom jeweils auf Grundlage der Korrelation zwischen den unterschiedlichen Werten der Ausgangspannung und den unterschiedlichen Wechselstromspitzenwerten, die den unterschiedlichen, von der Stromstärkedetektionsschaltung detektierten Werten der Ausgangsspannung entsprechen, gesteuert werden kann. In diesem Fall ist es möglich, den Wechselstrom der Stromspeisespule dahingehend zu steuern, um einen beliebigen Ausgangsspannungszielwert zu erhalten.
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Es ist bevorzugt, dass der Controller den in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom in der Stromspeisespule durch Verändern der Eingangsspannung des Wechselrichters steuern kann. In diesem Fall ist es möglich, den in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom dahingehend zu steuern, um einen gewünschten oder beliebigen Ausgangspannungszielwert zu erhalten.
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Es ist bevorzugt, dass der Controller den in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom durch Verändern der Steuerfrequenz des Wechselrichters verändern kann. In diesem Fall ist es möglich, den in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom dahingehend zu steuern, um einen gewünschten oder beliebigen Ausgangspannungszielwert zu erhalten.
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Es ist bevorzugt, dass der Controller den in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom durch Verändern des Zeitverhältnisses des Wechselrichters steuern kann. In diesem Fall ist es möglich, den in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom dahingehend zu steuern, um einen gewünschten oder beliebigen Ausgangsspannungszielwert zu erhalten.
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Es ist bevorzugt, dass ferner ein stromempfangsseitiger Resonanz-Kondensator, der zusammen mit der Stromempfangsspule eine stromempfangsseitige LC-Resonanzschaltung darstellt, bereitgestellt werden kann. In diesem Fall kann die Stromübertragungseffizienz des Drahtlosstromübertragungssystems selbst dann erhöht werden, wenn sich der Trennungsabstand zwischen Speise- und Empfangsspule erhöht.
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Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Drahtlosstromübertragungssystem bereitgestellt werden, das eine stabile Ausgangsspannung des Gleichrichters aufrechterhalten kann, ohne während der Hauptstromspeisung eine Drahtloskommunikationsvorrichtung zu verwenden, und das eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zum Steuern der Ausgangsspannung des Gleichrichters bereitstellen kann, die der Veränderung des Lastzustands entspricht.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration des Drahtlosstromübertragungssystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Wechselstromquelle und einer Last zeigt.
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2 ist eine teilvergrößerte Ansicht, die einen Bereich A1 in dem wie in 1 gezeigten Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
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3 ist eine teilvergrößerte Ansicht, die einen Bereich A1 in dem Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, welcher der teilvergrößerten Ansicht entspricht, die den Bereich A1 in dem Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wie in 1 gezeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung werden detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der Beschreibung sind die gleichen Symbole oder Bezugszeichen den gleichen Elementen oder Elementen der gleichen Funktion zugeordnet, weshalb eine wiederholte Beschreibung entfällt.
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Erste Ausführungsform
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Eine Gesamtkonfiguration eines Drahtlosstromspeisesystems S1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird zunächst unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben. 1 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration des Drahtlosstromübertragungssystems gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Wechselstromquelle und einer Last zeigt. 2 ist eine teilvergrößerte Ansicht, die einen Bereich A1 in dem Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, wie in 1 gezeigt.
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Wie in 1 gezeigt, ist das Drahtlosstromübertragungssystem S1 mit einer Stromspeisevorrichtung Ut und einer Stromempfangsvorrichtung Ur bereitgestellt.
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Die Stromspeisevorrichtung Ut ist mit einer Gleichstromquelle PS, einem Wechselrichter INV, einer Stromspeisespuleneinheit Ltu, einer Stromstärkendetektionseinheit Dtu, einem Controller Stu und einem Drahtlosempfangsmodul Wtu bereitgestellt. Die Stromempfangsvorrichtung Ur ist mit einem Gleichrichter DB, einer Stromempfangsspuleneinheit Lru, einer Spannungsdetektionsschaltung Dru und einem Drahtlosübertragungsmodul Wru bereitgestellt.
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Die Gleichstromquelle PS wandelt den von der Wechselstromquelle PW gelieferten Wechselstrom in einen Gleichstrom um und liefert ihn an den Wechselrichter INV. Die Stromquelle PS als eine solche Gleichstromquelle ist nicht insbesondere beschränkt, solange sie die Ausgangsspannung gemäß den Anweisungen des Controllers Stu variieren kann und den Gleichstrom dem Wechselrichter INV ausgeben kann, der als eine variable Gleichstromstabilisatorquelle bezeichnet werden kann, eine PFC (Power Factor Corrector Circuit, dt.: Leistungsfaktorkorrekturschaltung) mit variabler Ausgangsspannung, eine Gleichstromstabilisatorquelle, oder eine Stromquelle mit einem DCFC-Wandler, der mit dem Ausgang der PCF oder dergleichen verbunden ist. Ferner ist, als eine Wechselstromquelle PW, sie nicht insbesondere beschränkt, solange sie einen Wechselstrom an die Gleichstromquelle PS liefern kann. Beispielsweise sei hier eine handelsübliche Stromquelle von 50/60 Hz angeführt.
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Der Wechselrichter INV besitzt eine Funktion des Wandelns eines von der Gleichstromquelle PS gelieferten Gleichstroms in einen Wechselstrom und des Speisens des Wechselstroms an die Stromspeisespule Lt der Stromspeiseeinheit Ltu mit einer vorgegebenen Steuerfrequenz, und wird durch einen Schaltkreis mit mehreren brückenverbundenen Schaltelementen gebildet. Also solche Schaltelemente seien beispielsweise Elemente wie etwa ein MOSFET (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistor) oder ein IGBT (Transistor mit isolierter Gate-Elektrode) genannt. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Fall beschrieben, in dem ein Vollbrückenschaltkreis genutzt wird, in dem vier MOSFETs brückenverbunden sind.
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Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die Stromspeisespuleneinheit Ltu eine Stromspeisespule Lt. Die Stromspeisespule Lt ist aufgebaut durch Wicklung eines leitfähigen Drahts, etwa aus Kupfer oder Aluminium, und wird in einem Gehäuse gebündelt. Die Stromspeisespule Lt empfängt elektrischen Strom von dem Wechselrichter INV und erzeugt ein Wechselstrommagnetfeld. Insbesondere, wenn eine Wechselstromspannung einer vorgegebenen Steuerfrequenz von dem Wechselrichter INV an die Stromspeisespule Lt geliefert wird, fließt ein Wechselstrom, um ein Wechselstrommagnetfeld zu erzeugen. Ferner ist die Stromspeisespule Lt in der Masse oder der Umgebung der Masse angeordnet, wenn das Drahtlosstromübertragungssystem S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf eine Stromzufuhranlage oder auf ein Fahrzeug, wie etwa ein Elektrofahrzeug, angewendet wird. Ferner kann die Stromspeisespuleneinheit Ltu einen Magnetkörper zum Verbessern der magnetischen Kopplung zwischen der Stromübertragungsspule und der Stromempfangsspule beinhalten, oder ein leitfähiges Abschirmungsmaterial zum Verringern unnötiger Magnetfeldstreuung.
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Die Stromdetektionsschaltung Dtu besitzt eine Funktion des Detektierens des Spitzenwertes des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, des Wandelns des detektierten Spitzenwertes des Wechselstroms in ein Spannungssignal und des Ausgebens desselben an den Controller Stu. Als solch eine Stromdetektionsschaltung Dtu sei beispielsweise eine Schaltung genannt, die einen Stromsensor wie etwa einen CT (Current Transformer, Stromwandler) oder dergleichen verwendet.
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Der Controller Stu besitzt eine Funktion des Vollendens des Betriebs des Wechselrichters INV, der den von der Gleichstromquelle PS gelieferten Gleichstrom durch Steuern des AN/AUS-Vorgangs des Schaltelements des Wechseltrichters INV in einen Wechselstrom umwandelt. Ferner besitzt der Controller Stu bei der vorliegenden Ausführungsform eine Funktion dahingehend, die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV anzupassen, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen und eine Funktion des Steuerns des in der Stromspeisespule fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein. Vorliegend bedeutet „entspricht im Wesentlichen”, dass die Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung, die nahe der Steuerfrequenz des Wechselrichters INV ist, innerhalb eines Bereichs liegt, in dem ein proportionales Verhältnis aufgebaut werden kann zwischen dem in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom und der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB. Es ist ferner bevorzugt, dass die Differenz zwischen der Steuerfrequenz des Wechselrichters INV und der Resonanzfrequenz der später beschriebenen stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung so klein wie möglich ist, es ist jedoch bevorzugt, dass die Differenz angepasst wird, um innerhalb 5% bezüglich der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu sein, wenn folgendes berücksichtigt wird, d. h. die Ungleichmäßigkeit der Induktion der später beschriebenen Stromempfangsspule Lr, die Ungleichmäßigkeit des später beschriebenen stromempfangsseitigen Resonanzkondensators Cr, oder die Diskrepanz zwischen der Steuerfrequenz des Wechselrichters INV und der Resonanzfrequenz der später beschriebenen stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung, wenn der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom durch Variieren der Steuerfrequenz des Wechselrichters INV durch den Controller Stu dahingehend gesteuert wird, konstant zu sein. In diesem Fall kann das proportionale Verhältnis zwischen dem in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom und der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB aufrechterhalten werden. Ferner kann der Controller Stu aufgebaut sein, um eine Frequenznachverfolgungsfunktion, wie etwa eine PLL (Phasenregelschleife) oder dergleichen zu besitzen als eine Einrichtung zum Verringern der Differenz zwischen der Steuerfrequenz des Wechselrichters INV und der später beschriebenen stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung auf einen so klein wie möglichen Wert. Ferner wird bei der vorliegenden Ausführungsform der in der Stromspeisespule fließende Wechselstrom durch eine Funktion des Steuerns des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein, gesteuert, um einem vorgegebenen Sollwert zu folgen. Genauer kann der Controller Stu die Funktion des Steuerns des Wechselstroms, der in der Stromspeisespule Lt fließt, konstant zu sein, durch eines der folgenden Verfahren realisieren. Als erstes Verfahren sei ein Verfahren zum Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms durch Verändern der Eingangsspannung des Wechselrichters INV durch Steuern der Gleichstromquelle PS genannt. Bei diesem Verfahren steuert der Controller Stu die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV dahingehend, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen. Als das zweite Verfahren gibt es ein Verfahren zum Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms durch Ändern des Zeitverhältnisses des Schaltelements des Wechselrichters INV. Bei diesem Verfahren wird die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV angepasst, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen, wie bei dem ersten Verfahren. Als drittes Verfahren gibt es ein Verfahren zum Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms durch Ändern der Steuerfrequenz des Wechselrichters INV durch Steuern der Frequenz der Gatebetriebsspannung für das Schaltelement des Wechselrichters INV. Bei diesem Verfahren wird die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV in dem Bereich, in dem die Differenz zwischen der Steuerfrequenz des Wechselrichters INV und der Resonanzfrequenz der untenstehend beschriebenen stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung innerhalb von 5% bezüglich der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung liegt, da der Controller Stu die Steuerfrequenz des Wechselrichters dahingehend ändert, um der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen. Bei dem ersten und zweiten Verfahren kann der in der Stromspeisespule fließende Wechselstrom Lt durch Verringern der Eingangsspannung und des Zeitverhältnisses dahingehend gesteuert werden, konstant zu sein, während der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom erhöht wird und Erhöhen der Eingangsspannung und des Zeitverhältnisses, während sich der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom erhöht, da die Eingangsspannung und das Zeitverhältnis positiv mit dem in der Stromspeisespule fließenden Wechselstrom Lt korrelieren. Bei dem dritten Verfahren, abhängig von den durch die Schaltkonfigurationen der Stromspeiseseite und der Stromempfangsseite bestimmten Frequenzmerkmalen, kann der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom dahingehend gesteuert werden, konstant zu sein, indem die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV in der Richtung des Entgegenwirkens des Anstiegs oder Abfalls des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms erhöht oder verringert wird.
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Das Drahtlosempfangsmodul Wtu ist mit dem Controller Stu verbunden und besitzt eine Funktion des Empfangens des Steuersignals, das den Wert der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB anzeigt, der durch das Drahtlosübertragungsmodul Wru übertragen und durch die Spannungsdetektionsschaltung Dru detektiert wird, und des Ausgeben des Steuersignals an den Controller Stu. Als für die Drahtloskommunikation verwendete Protokolle seien beispielsweise Wi-Fi (eingetragene Handelsmarke), Bluetooth (eingetragene Handelsmarke) oder dergleichen angeführt.
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Als nächstes wird die Konfiguration der Stromempfangsvorrichtung Ur beschrieben. Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet die Stromempfangsspuleneinheit Lru eine Stromempfangsspule Lr und einen stromempfangsseitigen Resonanz-Kondensator Cr.
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Die Stromempfangsspule Lr ist aufgebaut durch Wickeln eines leitfähigen Drahts, wie etwa Kupfer oder Aluminium oder dergleichen und ist in einem Gehäuse gebündelt. Die Stromempfangsspule Lr besitzt eine Funktion des drahtlosen Empfangens von elektrischem Strom über ein Wechselstrommagnetfeld, das von der Stromspeisespule Lt erzeugt wird. Genauer wird eine elektromotorische Kraft erzeugt und es fließt ein Wechselstrom, wenn die Stromempfangsspule Lr ein durch die Stromspeisespule Lt erzeugtes Wechselstrommagnetfeld empfängt. Ferner wird die Stromempfangsspule Lr an dem unteren Teil des Fahrzeugs montiert, wenn das Drahtlosübertragungssystem S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf eine Stromquellenanlage für ein Fahrzeug, wie etwa ein Elektrofahrzeug angewendet wird. Die Stromempfangsspuleneinheit Lru kann außerdem ein magnetisches Material zum Verbessern der magnetischen Kopplung zwischen der Speise- und der Empfangsspule und ein leitfähiges Abschirmungsmaterial zum Verringern unnötigen magnetischen Streuflusses beinhalten.
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Der stromempfangsseitige Resonanz-Kondensator Cr stellt zusammen mit der Stromempfangsspule Lr eine stromempfangsseitige LC-Resonanzschaltung dar. Die Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung wird eingestellt durch die Induktanz der Stromempfangsspule Lr und der elektrostatischen Kapazität des stromempfangsseitigen Resonanz-Kondensators Cr. Der stromempfangsseitige Resonanz-Kondensators Cr kann in Reihe mit der Stromempfangsspule Lr verbunden sein, oder parallel, oder in einer Kombination aus in Reihe und parallel. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der stromempfangsseitige Resonanz-Kondensator Cr in Reihe mit der Stromempfangsspule Lr verbunden und stellt eine LC-Reihen-Resonanzschaltung dar.
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Der Gleichrichter DB ist mit der Ausgabe der Stromempfangsspuleneinheit Lru verbunden und besitzt eine Funktion des Gleichrichtens des von der Stromempfangsspule Lr empfangenen Wechselstroms in einen Gleichstrom. Wie der Gleichrichter DB seien eine Wandlerschaltung mit einer Vollwellengleichrichtungsfunktion mithilfe einer Diodenbrücke und einer Stromglättungsfunktion mithilfe eines Kondensators und eines Reglers mit drei Anschlüssen oder dergleichen als Beispiel genannt. Der von dem Gleichrichter DB gleichgerichtete Wechselstrom wird an die Last R ausgegeben. Vorliegend sei als eine Last R ein Akkumulator oder eine zum Fahrzeug gehörige Drehmaschine genannt, wenn das Drahtlosübertragungssystem S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf eine Stromquellenanlage für ein Fahrzeug, wie etwa ein Elektrofahrzeug, angewendet wird. Ist die Last R eine Wechselstromdrehmaschine, ist es erforderlich, zwischen dem Gleichrichter DB der Drahtlosempfangsvorrichtung Ur und der Last R einen (in den Figuren nicht gezeigten) Wechselrichter hinzuzufügen, um der Wechselstromdrehmaschine einen Wechselstrom bereitzustellen.
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Die Spannungsdetektionsschaltung Dru ist mit dem Gleichrichter DB verbunden und besitzt eine Funktion des Detektierens der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB durch die Spannung eines Teilungswiderstands oder dergleichen, des Umwandelns der detektierten Ausgangsspannung in ein Steuersignal, und des Ausgebens desselben (Signals) an das Drahtlosübertragungsmodul Wru.
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Das Drahtlosübertragungsmodul Wru besitzt eine Funktion des Übertragens eines Steuersignals, das die von der Spannungsdetektionsschaltung Dru detektierte Ausgangsspannung des Gleichrichters DB an das in der Stromspeisevorrichtung Ut bereitgestellte Drahtlosempfangsmodul Wtu anzeigt. Als für die Drahtloskommunikation verwendete Protokolle seien beispielsweise Wi-Fi (eingetragene Handelsmarke), Bluetooth (eingetragene Handelsmarke) oder dergleichen angeführt.
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Mit einer solchen Konfiguration kann ein Drahtlosstromübertragungssystem S1 erhalten werden, bei dem Strom drahtlos von der Stromspeisevorrichtung Ut an die Stromempfangsvorrichtung Ur geliefert wird, indem die Stromspeisespule Lt und die Stromempfangsspule Lr entgegengesetzt zueinander angeordnet werden.
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Nachfolgend werden Betriebe des Drahtlosstromübertragungssystems S1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf Grundlage der obenstehenden Konfiguration detailliert beschrieben. Bei der vorliegenden Beschreibung wird angenommen, dass das Relativpositionsverhältnis zwischen der Stromspeisespule Lt und der Stromempfangsspule Lr, die einander gegenüberliegend angeordnet sind, während dem Betrieb unveränderlich ist. Ferner wird als eine Einrichtung zum Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein, ein Fall des Verwendens eines Verfahrens zum Verändern der Eingangsspannung des Wechselrichters INV beschrieben.
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Die Betriebe des Drahtlosstromübertragungssystems S1 gemäß dieser Ausführungsform sind in zwei Schritte unterteilt. Zunächst ist der erste Schritt ein Schritt der kleinen Stromspeisung, der vor dem zweiten Schritt durchgeführt wird, um den Sollwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms zu erhalten, welcher der gewünschten Ausgangsspannung des Gleichrichters DB entspricht. Der zweite Schritt wird nach dem ersten Schritt durchgeführt und ist ein Schritt der Hauptstromspeisung des Übertragens einer gewünschten Stromstärke, während der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom auf einen Sollwert gesteuert wird. Vorliegend ist die vor der Hauptstromspeisung durchgeführte kleine Stromspeisung mit einer Übertragungsleistung festgelegt, die kleiner ist als diejenige der Hauptstromspeisung.
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In dem ersten Schritt legt der Controller Stu die Eingangsspannung des Wechselrichters INV auf eine vorgegebene Spannung fest, um die kleine Stromspeisung durchzuführen. Die derzeitige Eingangsspannung des Wechselrichters INV ist von dem Relativpositionsverhältnis zwischen der Stromspeisespule Lt und der Stromempfangsspule Lr abhängig. Es wird jedoch beispielsweise auch eine Spannung bevorzugt, bei welcher der Strom (Übertragungsleistung), der in dem ersten Schritt an die Stromempfangsseite übertragen wird, etwa 10 bis 30% des in dem zweiten Schritt an die Stromempfangsseite übertragenen Stroms (Übertragungsleistung) ist. Als nächstes passt der Controller Stu die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV dahingehend an, im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen, und erhält dann das Steuersignal, das den Wert der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB anzeigt, der von der Spannungsdetektionsschaltung Dru durch die Drahtloskommunikation zwischen dem Drahtlosübertragungsmodul Wru und dem Drahtlosempfangsmodul Wtu detektiert wurde, und steuert dann die Eingangsspannung des Wechselrichters INV auf Grundlage des Steuersignals, um die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB dahingehend zu steuern, im Wesentlichen der Sollspannung (gewünschten Spannung) zu entsprechen. Ferner wird der Spitzenwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, von der Stromdetektionsschaltung Dtu in einem Zustand detektiert, in dem die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung entspricht, und die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB im Wesentlichen dem Spannungssollwert entspricht. Und der Spitzenwert des Wechselstroms wird als der Sollwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms festlegt, der in dem zweiten Schritt dahingehend gesteuert werden soll, konstant zu sein.
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In dem zweiten Schritt passt der Controller Stu die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV an, um im Wesentlichen der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen, und steuert den Spitzenwert des von der Stromdetektionsschaltung Dtu detektierten in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms auf den in dem ersten Schritt festgelegten Sollwert, und erhöht unterdessen die Eingangsspannung des Wechselrichters INV, bis der von der Stromempfangsvorrichtung Ur empfangene Strom eine gewünschte Stromstärke erreicht, und, nachdem die gewünschte Stromstärke erreicht ist, passt, bis zur Vollendung der Stromübertragung, die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV dahingehend an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der empfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen und steuert den Spitzenwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms. Dabei kann die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB konstant dahingehend gesteuert werden, ein eine gewünschte Spannung zu sein, indem der derzeitige Spitzenwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Stroms auf den Sollwert gesteuert wird, da der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom und die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB ein proportionales Verhältnis haben, selbst wenn sich die Übertragungsleistung ab dem ersten Schritt erhöht. Ferner kann bei der vorliegenden Ausführungsform, selbst wenn die Funktion des Übertragens der Ausgangsspannung (das Steuersignal, das den Wert der Ausgangsspannung angibt) des Gleichrichters DB an die Stromspeisevorrichtung Ut mithilfe eines Drahtlosempfangsmoduls Wtu, eines drahtlosen Übertragungsmoduls Wru und einer Spannungsdetektionsschaltung Dru beim Steuern der Leistung in dem zweiten Schritt nicht verwendet wird, der Betrieb der Drahtloskommunikation während dem zweiten Schritt beispielsweise zum Zwecke des Überwachens der Ausgangsüberspannung des Gleichrichters DB fortgeführt werden.
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Wie obenstehend beschrieben führt der Controller Stu bei der vorliegenden Ausführungsform vor der Hauptstromspeisung eine kleine Stromspeisung mit einer geringeren Übertragungsleistung durch als die Hauptstromspeisung, bei welcher der Wert der von dem Drahtlosempfangsmodul Wtu empfangenen Ausgangsspannung des Gleichrichters DB konstant ist, und steuert während der Hauptstromspeisung den in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom auf Grundlage des von der Stromdetektionsschaltung Dtu detektierten Spitzenwerts des Wechselstroms während der kleinen Stromspeisung. Dadurch kann der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom dahingehend gesteuert werden, so dass die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB zu dem gewünschten Sollwert wird.
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Wie obenstehend beschrieben ist das Drahtlosstromübertragungssystem S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Drahtlosstromübertragungssystem S1, das drahtlos elektrischen Strom von der Stromspeisevorrichtung Ut an die Stromempfangsvorrichtung Ur überträgt. Die Stromspeisevorrichtung Ut ist mit einer Stromspeisespule Lt zum Empfangen eines elektrischen Stroms bereitgestellt, um ein Wechselstrommagnetfeld zu erzeugen, einem Wechselrichter INV zum Bereitstellen eines Wechselstroms mit einer vorgegebenen Steuerfrequenz an die Stromspeisespule Lt, einer Stromdetektionseinheitsschaltung Dtu zum Detektieren des Spitzenwerts des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, und einem Controller Stu zum Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms. Die Stromempfangsvorrichtung Ur ist mit einer Stromempfangsspule Lr zum drahtlosen Empfangen von Strom über ein Wechselstrommagnetfeld, einem stromempfangsseitigen Resonanz-Kondensator Cr, der zusammen mit der Stromempfangsspule Lr die stromempfangsseitige LC-Resonanzschaltung darstellt, und einem Gleichrichter DB zum Gleichrichten des von der Empfangsspule Lr empfangenen elektrischen Stroms bereitgestellt. Der Controller Stu passt die Steuerfrequenz an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromspeiseseitigen Resonanzschaltung LC zu entsprechen, und steuert den in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom dahingehend, konstant zu sein. Es ist daher möglich, ein proportionales Verhältnis zwischen dem in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom und der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB aufzubauen. Im Ergebnis kann durch Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein, die Ausgangspannung des Gleichrichters DB stabil gehalten werden, ohne während der Hauptstromspeisung eine Drahtloskommunikation zu nutzen. Ferner kann eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zum Steuern der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB erzielt werden, die der Veränderung des Lastzustands entspricht, da die Drahtloskommunikation nicht zum Steuern genutzt wird.
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Ferner beinhaltet bei dem Drahtlosstromübertragungssystem S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Stromspeisevorrichtung Ut ferner ein Drahtlosempfangsmodul Wtu, und die Stromempfangsvorrichtung Ur beinhaltet ferner eine Spannungsdetektionsschaltung Dru zum Detektieren der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB und ein Drahtlosübertragungsmodul Wru, das den von der Spannungsdetektionsschaltung Dru detektieren Wert der Ausgangspannung an das Drahtlosempfangsmodul Wtu überträgt. Der Controller Stu führt vor der Hauptstromspeisung mit einer Übertragungsleistung, die kleiner ist als diejenige der Hauptstromspeisung, eine kleine Stromspeisung durch, bei welcher der Wert der von dem Drahtlosempfangsmodul Wtu empfangenen Ausgangsspannung des Gleichrichters DB konstant wird, und steuert den in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom auf Grundlage des von der Stromdetektionsschaltung Dtu detektierten Spitzenwerts des Wechselstroms während der kleinen Stromspeisung dahingehend, konstant zu sein. Dadurch kann der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom dahingehend gesteuert werden, den gewünschten Sollwert der Ausgangsspannung zu erzielen.
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Zweite Ausführungsform
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Nachfolgend wird ein Drahtlosstromübertragungssystem gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird bei dem Betrieb des Drahtlosstromübertragungssystems S1 gemäß der ersten Ausführungsform anstelle der gewünschten Ausgangsspannung des Gleichrichters DB mithilfe von zumindest zwei unterschiedlichen Werten der Ausgangsspannung des Wechselrichters DB eine kleine Stromspeisung durchgeführt. In diesem Punkt unterscheidet sich die zweite Ausführungsform von der ersten Ausführungsform. Ferner ist die Konfiguration des Drahtlosstromübertragungssystems gemäß der vorliegenden Ausführungsform ähnlich der Konfiguration des Drahtlosstromübertragungssystems S1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Unterschiede zwischen der ersten und der zweiten Ausführungsform werden hauptsächlich untenstehend beschrieben.
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Die Betriebe des Drahtlosstromübertragungssystems dieser Ausführungsform sind in zwei Schritte unterteilt. Zunächst ist der erste Schritt ein Schritt der kleinen Stromspeisung zum Erhalten von in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstromspitzenwerten, die zumindest zwei unterschiedlichen Ausgangsspannungen des Gleichrichters DB entsprechen, und der zweite Schritt ist der Schritt der Hauptstromspeisung zum Übertragen einer gewünschten Stromstärke, während des Steuerns des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms auf einen Sollwert des Steuerns des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, der dem beliebigen Ausgabespannungssollwert des Gleichrichters DB entspricht. Ferner wird, ähnlich der ersten Ausführungsform, die vor der Hauptstromspeisung durchgeführte kleine Stromspeisung auf eine Übertragungsleistung festgelegt, die kleiner ist als diejenige der Hauptstromspeisung.
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Bei dem ersten Schritt legt der Controller Stu die Eingangsspannung des Wechselrichters INV auf eine vorgegebene Spannung fest, um die kleine Stromspeisung durchzuführen. Als nächstes passt der Controller Stu die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV dahingehend an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromspeiseseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen, und erhält dann das Signal des Werts der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB, der von der Spannungsdetektionsschaltung Dru durch die Drahtloskommunikation zwischen dem Drahtlosübertragungsmodul Wr zu und dem Drahtlosempfangsmodul Wtu detektiert wird, und steuert dann auf Grundlage dieses Signals die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB dahingehend, um zumindest zwei oder mehr unterschiedliche Zielwerte zu sein. Die Eingangsspannung des Wechselrichters INV zu diesem Zeitpunkt hängt von dem Relativpositionsverhältnis zwischen der Stromspeisespule Lt und der Stromempfangsspule Lr ab. Es ist jedoch beispielsweise bevorzugt, dass sie eine Spannung ist, bei welcher der Strom (Übertragungsleistung), der in dem ersten Schritt an die Stromempfangsseite geliefert wird, etwa 10 bis 30% des in dem zweiten Schritt an die Stromempfangsseite gelieferten Stroms (Übertragungsleistung) ist. Als nächstes werden die Spitzenwerte des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, von der Stromdetektionsschaltung Dtu jeweils in einem Zustand detektiert, bei dem die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung entspricht, und die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB im Wesentlichen den zumindest zwei oder mehr unterschiedlichen Spannungssollwerten entspricht. Und die Korrelation zwischen den Spitzenwerten des Wechselstroms und den unterschiedlichen Ausgangsspannungen des Gleichrichters DB können berechnet werden.
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In dem zweiten Schritt legt der Controller Stu beliebig den Sollwert der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB fest. Dieser Zielwert wird über die Stromübertragungseffizienz des Drahtlosstromübertragungssystems im Relativpositionsverhältnis zwischen der Stromübertragungsspule Lt und der Stromempfangsspule Lru zu diesem Zeitpunkt und dem zulässigen Wert des Wechselstroms bestimmt, der in die Stromempfangsspule Lru fließen kann, und dergleichen. Als nächstes berechnet der Controller Stu auf Grundlage der Korrelation zwischen dem in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom und der im ersten Schritt erhaltenen Ausgangsspannung des Gleichrichters DB den Sollwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, und legt diesen Wert als Sollwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms fest, der dahingehend gesteuert wird, konstant zu sein. Ferner können die Spitzenwerte des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, die zwei unterschiedlichen Ausgangspannungen des Gleichrichters DB entsprechen, erhalten werden, und der Sollwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms, der einer beliebigen Ausgangsspannung des Gleichrichters DB entspricht, kann näherungsweise aus der Linie berechnet werden, die die beiden Punkte verbindet, da zwischen dem in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom und der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB ein proportionales Verhältnis besteht. Anschließend passt der Controller Stu die Steuerfrequenz dahingehend an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen und steuert konstant den von der Stromdetektionsschaltung Dtu detektierten, in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom auf den Sollwert und erhöht währenddessen die Eingangsspannung des Wechselrichters INV, bis der von der Stromempfangsvorrichtung Ur erhaltene Strom eine gewünschte Stromstärke erreicht, und passt, nachdem die gewünscht Stromstärke erreicht wurde, die Steuerfrequenz des Wechselrichters INV bis zur Vollendung der Stromübertragung, dahingehend an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der empfangsseitigen LC-Schaltung zu entsprechen und steuert den Spitzenwert des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein. Vorliegend kann die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB durch konstantes Steuern des Spitzenwerts des Stroms, der in der Stromspeisespule Lt fließt, konstant dahingehend gesteuert werden, eine gewünschte Spannung zu sein, da der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom und die Ausgangsspannung des Gleichrichters DB ein proportionales Verhältnis haben, selbst wenn sich die Übertragungsleistung ab dem ersten Schritt erhöht. Ferner kann bei der vorliegenden Ausführungsform, obwohl die Funktion des Übertragens der Ausgangsspannung (des Steuersignals, das den Wert der Ausgangsspannung angibt) des Gleichrichters DB an die Stromspeisevorrichtung Ut mithilfe eines Drahtlosempfangsmoduls Wtu, eines Drahtlosübertragungsmoduls Wru und einer Spannungsdetektionsschaltung Dru beim Steuern der Leistung in dem zweiten Schritt nicht verwendet wird, der Betrieb der Drahtloskommunikation während dem zweiten Schritt beispielsweise zum Zwecke des Überwachens der Ausgangsüberspannung des Gleichrichters DB fortgeführt werden.
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Wie obenstehend beschrieben, führt der Controller Stu bei der vorliegenden Ausführungsform mithilfe von zumindest zwei oder mehr unterschiedlichen Ausgangsspannungen des Gleichrichters DB vor der Hauptstromspeisung eine kleine Stromspeisung mit einer Übertragungsleistung durch, die geringer ist als diejenige der Hauptstromspeisung, während der von dem Drahtlosempfangsmodul Wtu empfangene Wert der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB konstant ist, und steuert den in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom auf Grundlage der Korrelation der Spitzenwerte des von der Stromdetektionsschaltung Dtu detektierten Wechselstroms, der jeweils den unterschiedlichen Ausgangsspannungswerten des Gleichrichters DB und den unterschiedlichen Ausgangspannungswerten des Gleichrichters DB entspricht, dahingehend, konstant zu sein. Dadurch kann der in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom dahingehend gesteuert werden, dass die Ausgangspannung des Gleichrichters DB zum beliebigen Sollwert wird.
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Wie obenstehend beschrieben ist das Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Drahtlosstromübertragungssystem, das elektrischen Strom drahtlos von der Stromspeisevorrichtung Ut an die Stromempfangsvorrichtung Ur überträgt. Die Stromspeisevorrichtung Ut ist mit einer Stromspeisespule Lt zum Empfangen eines elektrischen Stroms zum Erzeugen eines Wechselstrommagnetfelds, einem Wechselrichter INV zum Bereitstellen eines Wechselstroms an die Stromspeisespule zu einer vorgegebenen Steuerfrequenz; einer Stromstärkedetektionsschaltung Dtu zum Detektieren des Spitzenwerts des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms; und einem Controller Stu zum Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms versehen. Die Stromempfangsvorrichtung Ur ist mit einer Stromempfangsspule Lr zum drahtlosen Empfangen von Strom über ein Wechselstrommagnetfeld, einem stromempfangsseitigen Resonanz-Kondensator Cr, der zusammen mit der Stromempfangsspule Lr die stromempfangsseitige LC-Resonanzschaltung darstellt, und einem Gleichrichter DB zum Gleichrichten des durch die Stromempfangsspule LR empfangenen elektrischen Stroms versehen. Der Controller Stu passt die Steuerfrequenz an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromspeiseseitigen LC-Resonanzschaltung zu entsprechen, und steuert den in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom dahingehend, konstant zu sein. Es ist daher möglich, ein proportionales Verhältnis zwischen dem in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom und der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB aufzubauen. Im Ergebnis kann durch Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein, die Ausgangspannung des Gleichrichters DB stabil gehalten werden, ohne während der Hauptstromspeisung eine Drahtloskommunikation zu nutzen. Ferner kann eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zum Steuern der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB erzielt werden, die der Zustandsveränderung der Last R entspricht, da die Drahtloskommunikation nicht zum Steuern genutzt wird.
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Ferner beinhaltet bei dem Drahtlosübertragungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Stromspeisevorrichtung Ut ferner ein Drahtlosempfangsmodul Wtu und die Stromempfangsvorrichtung Ur beinhaltet ferner eine Spannungsdetektionsschaltung Dru zum Detektieren der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB und ein Drahtlosübertragungsmodul Wru, das den von der Spannungsdetektionsschaltung Dru detektierten Wert der Ausgangsspannung an das Drahtlosempfangsmodul Wtu überträgt. Der Controller Stu führt vor der Hauptstromspeisung mithilfe von zumindest zwei unterschiedlichen Werten der Werte der Ausgangsspannung eine kleine Stromspeisung durch, während der von dem Drahtlosempfangsmodul Wtu empfangene Wert der Ausgangsspannung konstant wird, wobei eine Übertragungsleistung niedriger ist als diejenige der Hauptstromspeisung; und steuert den in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom jeweils auf Grundlage der Korrelation zwischen den Spitzenwerten des von der Stromstärkedetektionsschaltung Dtu detektierten Wechselstroms die jeweils den unterschiedlichen, Werten der Ausgangsspannung entsprechen und den unterschiedlichen Ausgangsspannungswerten. Dadurch kann der in der Stromspeisespule Lt fließende Wechselstrom dahingehend gesteuert werden, um den beliebigen Ausgangsspannungssollwert zu erhalten.
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Dritte Ausführungsform
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Nachfolgend wird ein Drahtlosstromübertragungssystem gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf 3 beschrieben. 3 ist eine teilvergrößerte Ansicht, die einen Bereich A1 in dem Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die der teilvergrößerten Ansicht entspricht, die den Bereich A1 in dem Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung wie in 1 zeigt. Das Drahtlosstromübertragungssystem gemäß einer dritten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dahingehend, dass die Stromspeisespuleneinheit Ltu zusätzlich zu der Stromspeisespule Lt einen stromspeiseseitigen Resonanz-Kondensator Ct beinhaltet. Ferner sind die Konfiguration und die Betriebe des Drahtlosstromübertragungssystems gemäß der dritten Ausführungsform mit Ausnahme des obenstehenden Merkmals die gleichen wie die des Drahtlosstromübertragungssystems S1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die Unterschiede zur ersten Ausführungsform werden hauptsächlich untenstehend beschrieben.
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Bei der vorliegenden Ausführungsform beinhaltet die Stromspeisespuleneinheit Ltu eine Stromspeisespule Lt und einen stromspeiseseitigen Resonanz-Kondensator Ct.
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Der stromspeiseseitige Resonanz-Kondensator Ct bildet zusammen mit der Stromspeisespule Lt eine stromspeiseseitige LC-Resonanzkondensatorschaltung. Die Resonanzfrequenz der stromspeiseseitigen LC-Resonanzkondensatorschaltung wird festgelegt durch die Induktanz der Stromempfangsspule Lr und der elektrostatischen Kapazität des stromempfangsseitigen Resonanz-Kondensators Cr. Der stromempfangsseitige Resonanz-Kondensator Cr kann in Reihe mit der Stromempfangsspule Lr verbunden sein, oder parallel, oder in einer Kombination aus in Reihe und parallel. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der stromempfangsseitige Resonanz-Kondensator Cr in Reihe mit der Stromempfangsspule Lr verbunden und stellt eine LC-Reihen-Resonanzschaltung dar.
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Wie obenstehend beschrieben beinhaltet die Stromspeisespuleneinheit Ltu bei der vorliegenden Ausführungsform einen stromspeiseseitigen Resonanz-Kondensator Ct, der zusammen mit der Stromspeisespule Lt eine stromspeiseseitige LC-Resonanzkondensatorschaltung darstellt. Daher kann, durch angemessene Festlegung der Resonanzfrequenz der stromspeiseseitigen LC-Resonanzkondensatorschaltung, die Übertragungseffizienz der Drahtlosstromübertragung durch elektromagnetische Feldkopplung zwischen der stromspeiseseitigen LC-Resonanzkondensatorschaltung und der stromempfangsseitigen LC-Resonanzschaltung weiter erhöht werden.
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Wie obenstehend beschrieben ist das Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform ein Drahtlosstromübertragungssystem, das elektrischen Strom drahtlos von der Stromspeisevorrichtung Ut an die Stromempfangsvorrichtung Ur überträgt. Die Stromspeisevorrichtung Ut ist mit einer Stromspeisespule Lt zum Empfangen eines elektrischen Stroms zum Erzeugen eines Wechselstrommagnetfelds, einem Wechselrichter INV zum Bereitstellen eines Wechselstroms zu einer vorgegebenen Steuerfrequenz an die Stromspeisespule Lt; einer Stromstärkedetektionsschaltung Dtu zum Detektieren des Spitzenwerts des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms; und einem Controller Stu zum Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms bereitgestellt. Die Stromempfangsvorrichtung Ur ist mit einer Stromempfangsspule Lr zum drahtlosen Empfangen von Strom über ein Wechselstrommagnetfeld, einem stromempfangsseitigen Resonanz-Kondensator Cr, der zusammen mit der Stromempfangsspule Lr die stromempfangsseitige LC-Resonanzschaltung darstellt, und einem Gleichrichter DB zum Gleichrichten des durch die Stromempfangsspule LR empfangenen elektrischen Stroms bereitgestellt. Der Controller Stu passt die Steuerfrequenz an, um im Wesentlichen der Resonanzfrequenz der stromspeiseseitigen Resonanzschaltung LC zu entsprechen, und steuert den in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom dahingehend, konstant zu sein. Es ist daher möglich, ein proportionales Verhältnis zwischen dem in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstrom und der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB aufzubauen. Im Ergebnis kann durch Steuern des in der Stromspeisespule Lt fließenden Wechselstroms dahingehend, konstant zu sein, die Ausgangspannung des Gleichrichters DB stabil gehalten werden, ohne während der Hauptstromspeisung eine Drahtloskommunikation zu nutzen. Ferner kann eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit zum Steuern der Ausgangsspannung des Gleichrichters DB erzielt werden, die der Zustandsveränderung der Last R entspricht, da die Drahtloskommunikation nicht zum Steuern genutzt wird.
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Außerdem beinhaltet das Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der vorliegenden Ausführungsform ferner einen stromspeiseseitigen Resonanz-Kondensator Ct, der mit der Stromspeisespule Lt eine stromspeiseseitige LC-Resonanzschaltung darstellt. Daher kann die Stromübertragungseffizienz des Drahtlosstromübertragungssystems selbst dann erhöht werden, wenn der Leerraum zwischen der Speise- und der Empfangsspule zunimmt.
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Die vorliegende Erfindung wurde obenstehend auf Grundlage der Ausführungsformen beschrieben, die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die obenstehend-beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, und es sind verschiedene Modifikationen und Änderungen möglich. Zum Beispiel kann die kennzeichnende Konfiguration und Funktion in dem Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der obenstehend beschriebenen dritten Ausführungsform auf das Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der zweiten Ausführungsform angewendet werden. In diesem Fall kann zusätzlich zu den Wirkweisen des Drahtlosstromübertragungssystems gemäß der zweiten Ausführungsform eine Wirkweise des Erhöhens der Stromübertragungseffizienz des Drahtlosstromübertragungssystems ferner erzielt werden, selbst wenn der Trennungsabstand zwischen der Speise- und der Empfangsspule zunimmt.
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Das Drahtlosstromübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann großflächig in einem Drahtlosstromübertragungssystem für ein Fahrzeug, wie etwa einem Elektrofahrzeug (BEV: Battery Electric Vehicle, dt.: Batterieelektrofahrzeug) und einem Plug-In-Elektrohybridfahrzeug (PHEV: Plug-in Hybrid Electric Vehicle) oder dergleichen verwendet werden.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- S1
- ...Drahtlosstromübertragungssystem
- Ut
- ...Stromzufuhrvorrichtung
- PW
- ...Wechselstromquelle
- PS
- ...Gleichstromquelle
- INV
- ...Wechselrichter
- Ltu
- ...Stromspeisespuleneinheit
- Lt
- ...Stromspeisespule
- Ct
- ...stromspeiseseitiger Resonanzkondensator
- Dtu
- ...Stromdetektionseinheit
- Stu
- ...Controller
- Wtu
- ...Drahtlosempfangsmodul
- Ur
- ...Stromempfangsvorrichtung
- DB
- ...Gleichrichter
- R
- ...Last
- Lru
- ...Stromempfangsspuleneinheit
- Lr
- ...Stromempfangsspule
- Cr
- ...stromempfangsseitiger Resonanz-Kondensator
- Dru
- ...Spannungsdetektionsschaltung
- Wru
- ...Drahtlosübertragungsmodul
