DE102022130371A1

DE102022130371A1 - Kontaktlose energieeinspeisungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102022130371A1
Application number: DE102022130371.3A
Authority: DE
Inventors: Goro Nakao; Hiroaki Ota; Ken Onozaka; Yuki Ito; Taichi Mishima; Yusuke Kawai
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2022-11-16
Publication date: 2023-06-15
Also published as: US20230187982A1; JP2023088134A

Abstract

Es wird eine kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung bereitgestellt, die Informationen über eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung von der Energieempfangsvorrichtung der Energieübertragungsvorrichtung kann, ohne einen Kommunikator zu verwenden.Eine Energieübertragungsvorrichtung (2), die in einer kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung enthalten ist, umfasst eine Energiezufuhrschaltung (10), die einer Übertragungsspule (14) Wechselstromenergie mit einer vorbestimmten Antriebsfrequenz zuführt, um eine Energieempfangsvorrichtung (3) mit Energie zu versorgen, eine Energieempfangsschaltung (18), die von der Energieempfangsvorrichtung (3) übertragene Rücklaufenergie empfängt, eine Steuerschaltung (19), die entsprechend einer Spannung der Rücklaufenergie die Energiezufuhrschaltung (10) derart steuert, dass eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung (3) in einem vorbestimmten zulässigen Bereich liegt. Weiterhin umfasst die Leistungsempfangsvorrichtung (3) eine Resonanzschaltung (20) zum Empfangen von Energie über die Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung (2), eine Gleichrichterschaltung (23), die über die Resonanzschaltung (20) empfangene Energie gleichrichtet; und eine Energieübertragungsschaltung (27), die die Rücklaufenergie entsprechend einer Spannung der von der Gleichrichterschaltung (23) ausgegebenen Energie an die Energieübertragungsvorrichtung (2) zu überträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Bisher wurden Techniken für die so genannte kontaktlose Energieeinspeisung (auch als „drahtlose Energieeinspeisung“ bezeichnet) untersucht, bei der Energie ohne Verwendung von Metallkontakten oder ähnlichem durch einen Raum übertragen wird.
Als eine solche kontaktlose Energieeinspeisungstechnik wurde eine Technik zur Übertragung von Energie von einer Vorrichtung auf einer Energieübertragungsseite (im Folgenden einfach als „Energieübertragungsvorrichtung“ bezeichnet) zu einer Vorrichtung auf einer Energieempfangsseite (im Folgenden einfach als „Energieempfangsvorrichtung“ bezeichnet) durch eine Spule auf der Energieübertragungsseite und eine Spule auf der Energieempfangsseite und zum Vorbeugen eines übermäßigen Anstiegs der Spannung der von der Vorrichtung auf der Energieempfangsseite ausgegebenen Energie vorgeschlagen (siehe JP 2019 - 176565A ). In einer in der JP 2019-176565A offenbarten kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung meldet eine Energieempfangsvorrichtung einer Energieübertragungsvorrichtung über in jeweils in der Energieempfangsvorrichtung und der Energieübertragungsvorrichtung vorgesehene Kommunikatoren, dass die Ausgangsspannung Anomalien aufweist, wenn der gemessene Wert einer Ausgangsspannung, die durch Gleichrichtung der von der Energieübertragungsvorrichtung durch eine Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung empfangenen Energie erhalten wird, auf einen oberen Grenzwert oder mehr angestiegen ist.
JP 2019-176565A ist ein Beispiel für Stand der Technik.
Bei der oben beschriebenen Technik werden Kommunikatoren, die jeweils in einer Energieempfangsvorrichtung und einer Energieübertragungsvorrichtung vorgesehen sind, jeweils für die Energieempfangsvorrichtung verwendet, um die Energieübertragungsvorrichtung über die Tatsache zu informieren, dass die Ausgangsspannung Anomalien aufweist, und daher werden die Schaltungskonfigurationen der Energieübertragungsvorrichtung und der Energieempfangsvorrichtung komplexer. Wenn es zudem schwierig ist, die Kommunikation zwischen dem Kommunikator der Energieübertragungsvorrichtung und dem Kommunikator der Energieempfangsvorrichtung herzustellen, kann die Energieempfangsvorrichtung der Energieübertragungsvorrichtung nicht mitteilen, dass die Ausgangsspannung Anomalie aufweist.
Daher zielt die vorliegende Erfindung darauf ab, eine kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung bereitzustellen, bei der eine Energieempfangsvorrichtung eine Energieübertragungsvorrichtung über Informationen bezüglich einer Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung informieren kann, ohne einen Kommunikator zu verwenden.
KURZDARSTELLUNG
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht darin eine kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung bereitzustellen, die eine Energieübertragungsvorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung, an die Energie von der Energieübertragungsvorrichtung kontaktlos übertragen wird, umfasst. In dieser kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung umfasst die Energieübertragungsvorrichtung eine Übertragungsspule zur Zufuhr von Energie an die Energieempfangsvorrichtung; eine Energiezufuhrschaltung, die eingerichtet ist, der Übertragungsspule Wechselstromenergie mit einer vorbestimmten Antriebsfrequenz zuzuführen; eine Energieempfangsschaltung, die eingerichtet ist, von der Energieempfangsvorrichtung übertragene Rücklaufenergie zu empfangen; und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die Energiezufuhrschaltung zu steuern, um der Übertragungsspule Wechselstromenergie mit der Antriebsfrequenz zuzuführen, und eine Steuerung gemäß einer Spannung der Rücklaufenergie durchzuführen, so dass eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung in einem vorbestimmten zulässigen Bereich liegt. Weiterhin umfasst die Energieempfangsvorrichtung eine Resonanzschaltung mit einer Empfangsspule zum Empfangen von Energie über die Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung und einen Resonanzkondensator, der zusammen mit der Empfangsspule in Resonanz steht, eine Gleichrichterschaltung, die eingerichtet ist, über die Resonanzschaltung empfangene Energie gleichzurichten, und eine Energieübertragungsschaltung, die eingerichtet ist, die Rücklaufenergie entsprechend einer Spannung der von der Gleichrichterschaltung ausgegebenen Energie an die Energieübertragungsvorrichtung zu übertragen.
Durch die Verwendung einer solchen Konfiguration kann das kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung der Energieübertragungsvorrichtung Informationen über eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung durch die Energieempfangsvorrichtung mitteilen, ohne einen Kommunikator zu verwenden.
In der Energieempfangsvorrichtung der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung ändert die Energieübertragungsschaltung vorzugsweise die Frequenz der Rücklaufenergie gegenüber der Antriebsfrequenz.
Durch die Verwendung einer solchen Konfiguration kann die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung genau erfassen, da der direkte Empfang von Energie durch die Energieempfangsschaltung von der Übertragungsspule unterdrückt wird.
In diesem Fall umfasst die Energieempfangsschaltung der Energieübertragungsvorrichtung vorzugsweise eine Filterschaltung zum Entfernen einer Frequenzkomponente, die der Antriebsfrequenz entspricht, aus der empfangenen Rücklaufenergie.
Durch die Verwendung einer solchen Konfiguration kann die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung genauer erfassen.
Ferner ist es vorteilhaft, dass in der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung die Energieempfangsschaltung eine Gegenempfangsspule zum Empfangen der Rücklaufenergie umfasst und die Gegenempfangsspule und die Übertragungsspule derart angeordnet sind, dass eine Wicklungsachse der Gegenempfangsspule mit einer Wicklungsachse der Übertragungsspule übereinstimmt, und die Energieübertragungsschaltung eine Gegenübertragungsspule zur Übertragung der Rücklaufenergie umfasst und die Gegenübertragungsspule und die Empfangsspule derart angeordnet sind, dass eine Wicklungsachse der Gegenübertragungsspule mit einer Wicklungsachse der Empfangsspule übereinstimmt.
Durch die Verwendung einer solchen Konfiguration kann die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung das Verhältnis zwischen dem Kopplungsgrad zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule und dem Kopplungsgrad zwischen der Gegenübertragungsspule und der Gegenempfangsspule konstant halten und kann daher eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung auf der Grundlage der Spannung der Rücklaufenergie genau erfassen.
Figurenliste

1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für eine Anordnung einer Übertragungsspule und einer Gegenempfangsspule sowie eine Anordnung einer Empfangsspule und einer Gegenübertragungsspule zeigt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel für die Frequenzcharakteristik einer Verstärkung in Bezug auf die zu übertragende Energie in der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung zeigt.
4 ist ein Ersatzschaltbild einer Übertragungsspule, eines ersten Kondensators, eines zweiten Kondensators und einer ersten Spule einer Energieübertragungsvorrichtung und einer Resonanzschaltung einer Energieempfangsvorrichtung.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Simulationsergebnisses der Frequenzcharakteristik der Ausgangsspannung der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Im Folgenden wird eine kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
In der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung sind Schaltungen zur Übertragung von Energie von einer Energieempfangsvorrichtung zu einer Energieübertragungsvorrichtung jeweils in der Energieübertragungsvorrichtung bzw. in der Energieempfangsvorrichtung vorgesehen, und zwar unabhängig von einer Spule zur Energieübertragung (im Folgenden als „Übertragungsspule“ bezeichnet), die in der Energieübertragungsvorrichtung vorgesehen ist, und einer Spule zum Energieempfang (im Folgenden als „Empfangsspule“ bezeichnet), die in der Energieempfangsvorrichtung vorgesehen ist, wobei diese Spulen zur Übertragung von Energie von der Energieübertragungsvorrichtung zur Energieempfangsvorrichtung vorgesehen sind. Weiterhin überträgt die Energieempfangsvorrichtung Energie an die Energieübertragungsvorrichtung, indem einer Spule in einer Energieübertragungsschaltung Wechselstromenergie zugeführt wird, deren Spannung sich entsprechend der von der Energieübertragungsvorrichtung empfangenen Energie ändert und deren Frequenz sich von der Frequenz der der Übertragungsspule zugeführten Wechselstromenergie unterscheidet. Entsprechend kann die Energieübertragungsvorrichtung durch Ermittlung der Spannung der von der Energieemfangsvorrichtung empfangenen Energie die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung ermitteln, ohne Kommunikatoren zu verwenden.
Im Folgenden wird die Frequenz der Wechselstromenergie, die der Übertragungsspule zugeführt wird, vereinfacht als „Antriebsfrequenz“ bezeichnet.
1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, umfasst eine kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 eine Energieübertragungsvorrichtung 2 und eine Energieempfangsvorrichtung 3, an die Energie kontaktlos durch einen Raum von der Energieübertragungsvorrichtung 2 übertragen wird. Die Energieübertragungsvorrichtung 2 umfasst eine Energiezufuhrschaltung 10, eine Übertragungsspule 14, einen ersten Kondensator 15, einen zweiten Kondensator 16, eine erste Spule 17, eine Energieempfangsschaltung 18 und eine Steuerschaltung 19. Andererseits umfasst die Energieempfangsvorrichtung 3 eine Resonanzschaltung 20 mit einer Empfangsspule 21 und einem Resonanzkondensator 22, eine erste Gleichrichterschaltung 23, einen Glättungskondensator 24, eine Unterspule 25, eine zweite Gleichrichterschaltung 26 und eine Energieübertragungsschaltung 27. Außerdem ist die Energieempfangsvorrichtung 3 mit einer Lastschaltung 4 verbunden, und die Energie, die von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen und in Gleichstromenergie bzw. Gleichstromleistung bzw. Gleichstrom umgewandelt wird, wird an die Lastschaltung 4 ausgegeben.
Die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann einen so genannten Konstantspannungs-Ausgangsbetrieb aufrechterhalten, bei dem die von der Energieempfangsvorrichtung 3 ausgegebene Spannung (im Folgenden vereinfacht als „Ausgangsspannung“ bezeichnet) im Wesentlichen konstant gehalten werden kann, selbst wenn sich der Widerstandswert der mit der Energieempfangsvorrichtung 3 verbundenen Lastschaltung 4 ändert. Die Ausgangsspannung des Energieempfangsvorrichtung 3 ändert sich jedoch in Abhängigkeit von der Spannung der Wechselstromenergie, die der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, oder vom Grad der Kopplung zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21. Daher überträgt die Energieempfangsvorrichtung 3 in umgekehrter Richtung Energie an die Energieübertragungsvorrichtung 2 über die Energieübertragungsschaltung 27 unter Verwendung von Wechselstromenergie mit einer der Ausgangsspannung entsprechenden Spannung. Die Energieübertragungsvorrichtung 2 erfasst die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3, indem sie die Spannung der von der Energieübertragungsschaltung 27 über die Energieempfangsschaltung 18 empfangenen Energie erfasst, und steuert die Energiezufuhrschaltung 10, um die Spannung der von der Energiezufuhrschaltung 10 an die Übertragungsspule 14 zugeführten Wechselstromenergie auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses anzupassen.
Zunächst wird die Energieübertragungsvorrichtung 2 beschrieben.
Die Energiezufuhrschaltung 10 führt der Übertragungsspule 14 Wechselstromenergie mit einer vorbestimmten Antriebsfrequenz und einer einstellbaren Spannung zu. Zu diesem Zweck umfasst die Energiezufuhrschaltung 10 eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11, eine Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 und einen Wechselrichter 13.
Die Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 führt Energie mit einer vorbestimmten pulsierenden Spannung zu. Zu diesem Zweck umfasst die Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 vier Dioden, die in einer Brückenschaltung geschaltet sind, und ist an eine kommerzielle Wechselstromenergiezufuhr angeschlossen. Außerdem richtet die Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 die von der Wechselstromenergiezufuhr zugeführte Wechselstromenergie derart gleich, um die Wechselstromenergie in Energie mit pulsierender Spannung umzuwandeln, und gibt die resultierende Energie an die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 aus.
Die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 wandelt die Spannung der Energieausgabe von der Vollwellengleichrichterschaltung 11 in Gleichstromenergie mit einer Spannung entsprechend der Steuerung, die von der Steuerschaltung 19 durchgeführt wird, und gibt die resultierende Gleichstromenergie aus. Daher, wird eine Gleichstromenergiezufuhr aus der Wechselstromenergiezufuhr, der Vollwellengleichrichterschaltung 11 und der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 gebildet.
Die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 kann ähnlich wie verschiedene Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltungen eingerichtet werden, bei denen der Verstärkungsfaktor eine Ausgangsspannung im Verhältnis zu einer Eingangsspannung in Übereinstimmung mit der Steuerung, die von der Steuerschaltung 19 durchgeführt wird, eingestellt werden. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 eine Spule, die an einem Ende mit einem positiven Elektrodenanschluss der Vollwellengleichrichterschaltung 11 in Reihe geschaltet ist, und eine Diode, die zwischen dem anderen Ende der Spule und dem Wechselrichter 13 derart angeschlossen ist, dass die Richtung von der Spule zu dem Wechselrichter 13 eine Vorwärtsrichtung ist. Die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 umfasst ferner ein Schaltelement, dessen eines Ende mit einem Knotenpunkt zwischen der Spule und der Diode verbunden ist und dessen anderes Ende mit einem negativen Elektrodenanschluss der Vollwellengleichrichterschaltung 11 verbunden ist. Durch die Steuerung des Einschalt-/Ausschaltverhältnisses des Schaltelements durch die Steuerschaltung 19 wird die Ausgangsspannung der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 geregelt.
Der Wechselrichter 13 wandelt die Gleichstromenergie, die von der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 ausgegeben wird in Wechselstromenergie um, deren Antriebsfrequenz dem Ein-/Ausschaltzyklus der Schaltelemente 13-1 und 13-2 entspricht. Anschließend gibt der Wechselrichter 13 die resultierende Wechselstromenergie über den ersten Kondensator 15, den zweiten Kondensator 16 und die erste Spule 17 an die Übertragungsspule 14 aus.
Zu diesem Zweck umfasst der Wechselrichter 13 die beiden Schaltelemente 13-1 und 13-2. Die beiden Schaltelemente 13-1 und 13-2 können z. B. jeweils ein n-Kanal-MOS-FET sein. Der Wechselrichter 13 ist als sogenannte Halbbrückenschaltung eingerichtet. Das heißt, das Schaltelement 13-1 und das Schaltelement 13-2 sind über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 in Reihe zwischen dem positiven Elektrodenanschluss und dem negativen Elektrodenanschluss der Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 geschaltet. Außerdem ist in der vorliegenden Ausführungsform das Schaltelement 13-1 mit der positiven Elektrodenseite der Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 verbunden, und das Schaltelement 13-2 ist mit der negativen Elektrodenseite der Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 verbunden. Außerdem ist der Drain-Anschluss des Schaltelements 13-1 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 mit dem positiven Elektrodenanschluss der Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 verbunden, und der Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 ist mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements 13-2 verbunden. Außerdem ist der Source-Anschluss des Schaltelements 13-2 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 mit dem negativen Elektrodenanschluss der Vollwellen-Gleichrichterschaltung 11 verbunden. Außerdem sind der Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 und der Drain-Anschluss des Schaltelements 13-2 über die erste Spule 17 und den ersten Kondensator 15 mit einem Ende der Übertragungsspule 14 verbunden, und der Source-Anschluss des Schaltelements 13-2 ist mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 verbunden.
Außerdem sind die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 13-1 und 13-2 mit der Steuerschaltung 19 verbunden. Um sicherzustellen, dass ein Schaltelement eingeschaltet wird, wenn eine Spannung zum Einschalten des Schaltelements an dessen Gate-Anschluss angelegt wird, können die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 13-1 und 13-2 über Widerstände jeweils mit den eigenen Source-Anschlüssen verbunden werden. Außerdem werden 13-1 und 13-2 entsprechend den Steuersignalen der Steuerschaltung 19 abwechselnd ein- und ausgeschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform werden die Schaltelemente 13-1 und 13-2 derart abwechselnd ein- und ausgeschaltet, dass, wenn das Schaltelement 13-1 eingeschaltet ist, das Schaltelement 13-2 ausgeschaltet ist, und umgekehrt, wenn das Schaltelement 13-2 eingeschaltet ist, das Schaltelement 13-1 ausgeschaltet ist. Dementsprechend wird die von der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zugeführte Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umgewandelt mit einer Antriebsfrequenz, die dem Ein- und Ausschaltzyklus der Schaltelemente entspricht, und die resultierende Wechselstromenergie wird der Übertragungsspule 14 zugeführt.
Es ist zu beachten, dass der Wechselrichter 13 nicht auf die Konfiguration, die in der obigen Ausführungsform beschrieben wurde, beschränkt ist. Der Wechselrichter 13 kann z. B. auch als Vollbrückenschaltung ausgeführt sein, bei der vier Schaltelemente in einer Vollbrückenschaltung verbunden sind.
Die erste Spule 17 ist zusammen mit dem ersten Kondensator 15 in Reihe zwischen dem Wechselrichter 13 und der Übertragungsspule 14 geschaltet. Das heißt, ein Ende der ersten Spule 17 ist mit einem der beiden Ausgangsanschlüsse des Wechselrichters 13 verbunden, d. h. mit einem Knoten zwischen dem Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 und dem Drain-Anschluss des Schaltelements 13-2, und das andere Ende der ersten Spule 17 ist mit einem Ende des ersten Kondensators 15 verbunden. Außerdem ist das andere Ende des ersten Kondensators 15 mit einem Ende der Übertragungsspule 14 verbunden. Es ist zu beachten, dass die erste Spule 17 bevorzugt derart angeordnet ist, dass sie keine elektromagnetische Kopplung mit der Übertragungsspule 14 und den Spulen in der Energieempfangsvorrichtung 3 eingeht.
Außerdem ist ein Ende des zweiten Kondensators 16 mit einem Knoten zwischen dem anderen Ende der ersten Spule 17 und dem einen Ende des ersten Kondensators 15 verbunden, und das andere Ende des zweiten Kondensators 16 ist mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 und dem anderen Ausgangsanschluss des Wechselrichters 13, d.h. dem Source-Anschluss des Schaltelements 13-2, verbunden.
Dadurch, dass der erste Kondensator 15, der zweite Kondensator 16 und die erste Spule 17 wie oben beschrieben vorgesehen sind, wird eine Phasenverzögerung des durch die Übertragungsspule 14 fließenden Stroms gegenüber der Phase der an die Übertragungsspule 14 angelegten Spannung derart eingestellt, dass der Schaltverlust der Schaltelemente des Wechselrichters 13 reduziert wird. Außerdem kann die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 einen Betrieb mit konstanter Ausgangsspannung durchführen. Die Einstellungen der elektrostatischen Kapazitäten des ersten Kondensators 15 und des zweiten Kondensators 16 und die Induktivität der ersten Spule 17 werden später im Detail beschrieben.
Die Übertragungsspule 14 überträgt die Wechselstromenergie, die von dem Wechselrichter 13 der Energiezufuhrschaltung 10 zugeführt wird, über die erste Spule 17 und den ersten Kondensator 15 durch einen Raum zu der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3.
Die Energieempfangsschaltung 18 empfängt die von der Energieübertragungsschaltung 27 der Energieempfangsvorrichtung 3 übertragene Energie und gibt Spannungsinformationen, die die Spannung der empfangenen Energie angeben, an die Steuerschaltung 19 aus. Zur Unterscheidung von der von der Energieübertragungsvorrichtung 2 an die Energieempfangsvorrichtung 3 zu übertragenden Energie kann die von der Energieübertragungsschaltung 27 an die Energieempfangsschaltung 18 zu übertragende Energie im Folgenden als „Rücklaufenergie“ bezeichnet werden. Die Energieempfangsschaltung 18 ist als Energieempfangseinheit einer kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung mit einer so genannten SP-Topologie eingerichtet, bei der eine Spule und ein Resonanzkondensator auf einer Energieübertragungsseite in Reihe und eine Spule und ein Resonanzkondensator auf einer Energieempfangsseite parallel schwingen. Zu diesem Zweck umfasst die Energieempfangsschaltung 18 eine Gegenempfangsspule 18-1 für den Energieempfang und einen Resonanzkondensator 18-2, der parallel zur Gegenempfangsspule 18-1 geschaltet ist und zusammen mit der Gegenempfangsspule 18-1 eine Resonanzschaltung bildet. Die Energieempfangsschaltung 18 umfasst ferner einen Hochpassfilter 18-3, der mit der aus der Gegenempfangsspule 18-1 und dem Resonanzkondensator 18-2 gebildeten Resonanzschaltung verbunden ist, sowie eine Spannungsdetektionsschaltung 18-4, die mit dem Hochpassfilter 18-3 verbunden ist.
Die durch die Gegenempfangsspule 18-1 und den Resonanzkondensator 18-2 gebildete Resonanzschaltung empfängt die von der Energieübertragungsschaltung 27 übertragene Rücklaufenergie, indem diese mit einem von der Energieübertragungsschaltung 27 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 erzeugten Magnetfeld in Resonanz tritt. Außerdem gibt die Resonanzschaltung die empfangene Energie einschließlich der Rücklaufenergie an den Hochpassfilter 18-3 ab.
Der Hochpassfilter 18-3 ist ein Beispiel für eine Filterschaltung und entnimmt der von der Resonanzschaltung, welche durch die Gegenempfangsspule 18-1 und den Resonanzkondensator 18-2 gebildet ist, empfangenen Energie eine Frequenzkomponente, die der von der Übertragungsspule 14 an die Empfangsspule 21 übertragenen Energie entspricht. Dementsprechend kann der Hochpassfilter 18-3 aus der Eingangsleistung nur die Rücklaufenergie extrahieren, die von der Energieübertragungsschaltung 27 an die Energieempfangsschaltung 18 übertragen wird, und die Rücklaufenergie an die Spannungserfassungsschaltung 18-4 ausgeben. Der Hochpassfilter 18-3 muss lediglich eine Filterschaltung sein, die eine Frequenzkomponente, die der Rücklaufenergie entspricht, aus der Eingangsleistung passieren lässt und eine Frequenzkomponente mit einer Grenzfrequenz entfernt, die niedriger als die vorgenannte Frequenzkomponente oder niedriger ist.
Die Spannungserfassungsschaltung 18-4 erfasst die Spannung der vom Hochpassfilter 18-3 ausgegebenen Rücklaufenergie und gibt Spannungsinformationen, die die erfasste Spannung der Rücklaufenergie anzeigen, an die Steuerschaltung 19 aus. Es ist zu beachten, dass die Spannungserfassungsschaltung 18-4 entsprechend einer von verschiedenen Schaltungen eingerichtet sein kann, die die Spannung von Wechselstromenergie bei einer Frequenz der Rücklaufenergie messen können.
Die Steuerschaltung 19 umfasst beispielsweise eine nicht-volatile Speicherschaltung und eine volatile Speicherschaltung, eine Rechenschaltung, eine Schnittstellenschaltung für die Verbindung mit anderen Schaltungen und eine Treiberschaltung für die Ausgabe von Steuersignalen an die Schaltelemente. Außerdem steuert die Steuerschaltung 19 jedes Mal, wenn eine Spannungsinformation von der Energieempfangsschaltung 18 empfangen wird, die Spannung der Wechselstromenergie, die von der Energiezufuhrschaltung 10 der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, entsprechend der Spannungsinformation.
Die Steuerschaltung 19 steuert die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 derart, dass die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 in einem voreingestellten zulässigen Ausgangsspannungsbereich liegt. Beispielsweise vergleicht die Steuerschaltung 19 die Spannung der von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangenen Rücklaufenergie, die durch die Spannungsinformationen angegeben wird, mit einem Referenzspannungsbereich, der dem zulässigen Ausgangsspannungsbereich entspricht. Der Referenzspannungsbereich wird in einer Speicherschaltung in der Steuerschaltung 19 im Voraus gespeichert. Wenn die Spannung der Rücklaufenergie höher ist als die Obergrenze des Referenzspannungsbereiches, wird angenommen, dass die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 über dem zulässigen Bereich liegt. Entsprechend senkt die Steuerschaltung 19 die der Übertragungsspule 14 zugeführte Wechselspannungsenergie, indem diese das Tastverhältnis des Schaltelements der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verringert. Infolgedessen sinkt die Spannung der von der Empfangsspule 21 der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangenen Energie und damit auch die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3. Umgekehrt wird angenommen, dass die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 unter dem zulässigen Bereich liegt, wenn die von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangene Spannung, die durch die Spannungsinformationen angezeigt wird, niedriger ist als eine untere Grenze des Referenzspannungsbereiches. Entsprechend erhöht die Steuerschaltung 19 die der Übertragungsspule 14 zugeführte Wechselspannungsenergie, indem diese das Tastverhältnis des Schaltelements der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 erhöht. Infolgedessen erhöht sich die Spannung der von der Empfangsspule 21 der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangenen Energie und damit auch die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3. Wenn die von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangene Spannung, die durch die Spannungsinformationen angegeben wird, im Referenzspannungsbereich liegt, wird angenommen, dass die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 in den zulässigen Bereich fällt. Entsprechend hält die Steuerschaltung 19 das Tastverhältnis des Schaltelements der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 unverändert konstant.
Darüber hinaus schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente 13-1 und 13-2 des Wechselrichters 13 derart ein und aus, dass die Frequenz der Wechselstromenergie, die von dem Wechselrichter 13 an die Übertragungsspule 14 zugeführt wird, eine vorbestimmte Antriebsfrequenz ist. Das heißt, die Steuerschaltung 19 steuert die Schaltelemente 13-1 und 13-2 derart, dass das Schaltelement 13-1 und das Schaltelement 13-2 abwechselnd eingeschaltet werden, und die Zeitspanne, in der das Schaltelement 13-1 eingeschaltet ist, in einer Zykluszeit, die der vorbestimmten Antriebsfrequenz entspricht, gleich der Zeitspanne ist, in der das Schaltelement 13-2 eingeschaltet ist. Es ist zu beachten, dass die Steuerschaltung 19 auch eine Totzeit vorsehen kann, in der beide Schaltelemente beim Ein-/Ausschalten des Schaltelements 13-1 und des Schaltelements 13-2 ausgeschaltet sind, um zu verhindern, dass die Wechselstromenergiezufuhr kurzgeschlossen wird, weil das Schaltelement 13-1 und das Schaltelement 13-2 gleichzeitig eingeschaltet sind.
Als Nächstes wird die Energieempfangsvorrichtung 3 beschrieben.
Die Resonanzschaltung 20 ist eine LC-Resonanzschaltung, in der die Empfangsspule 21 und der Resonanzkondensator 22 in Reihe geschaltet sind. Außerdem ist ein Ende der Empfangsspule 21 in der Resonanzschaltung 20 über den Resonanzkondensator 22 mit einem Eingangsanschluss der ersten Gleichrichterschaltung 23 verbunden. Außerdem ist das andere Ende der Empfangsspule 21 mit dem anderen Eingangsanschluss der ersten Gleichrichterschaltung 23 verbunden.
Die Empfangsspule 21 empfängt Energie von der Übertragungsspule 14, indem sie zusammen mit dem Resonanzkondensator 22 mit einem Wechselstrom in Resonanz tritt, der durch die Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 fließt. Außerdem gibt die Empfangsspule 21 die empfangene Energie über den Resonanzkondensator 22 an die erste Gleichrichterschaltung 23 aus. Es ist zu beachten, dass die Anzahl der Windungen der Empfangsspule 21 gleich oder verschieden der Anzahl der Windungen der Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 sein kann.
Der Resonanzkondensator 22 ist in Reihe mit der Empfangsspule 21 geschaltet. Das heißt, ein Ende des Resonanzkondensators 22 ist mit einem Ende der Empfangsspule 21 verbunden, und das andere Ende ist mit der ersten Gleichrichterschaltung 23 verbunden. Außerdem gibt der Resonanzkondensator 22 die empfangene Energie an die erste Gleichrichterschaltung 23 aus, indem er zusammen mit der Empfangsspule 21 in Resonanz steht.
Die erste Gleichrichterschaltung 23 ist ein Beispiel für eine Gleichrichterschaltung und kann z. B. als Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit vier Dioden in einer Brückenschaltung ausgeführt sein. Einer der beiden Anschlüsse auf einer Eingangsseite der ersten Gleichrichterschaltung 23 ist mit dem Resonanzkondensator 22 verbunden, und der andere der beiden Anschlüsse auf der Eingangsseite ist mit der Empfangsspule 21 verbunden. Außerdem ist einer der beiden Anschlüsse auf einer Ausgangsseite der ersten Gleichrichterschaltung 23 mit einem Ende des Glättungskondensators 24 verbunden, und der andere der beiden Anschlüsse auf der Ausgangsseite ist mit dem anderen Ende des Glättungskondensators 24 verbunden und ebenfalls geerdet. Außerdem wandelt die erste Gleichrichterschaltung 23 die Wechselstromenergie, die von der Resonanzschaltung 20 ausgegeben wird, in Gleichstromenergie um, indem sie die Wechselstromenergie zusammen mit dem Glättungskondensator 24 gleichrichtet.
Der Glättungskondensator 24 wandelt zusammen mit der ersten Gleichrichterschaltung 23 oder der zweiten Gleichrichterschaltung 26 die über die Resonanzschaltung 20 oder die Unterspule 25 empfangene Wechselstromenergie in Gleichstromenergie um. Außerdem gibt der Glättungskondensator 24 die resultierende Gleichstromenergie an die Lastschaltung 4 aus. Zu diesem Zweck wird ein Ende des Glättungskondensators 24 mit einem von zwei Anschlüssen auf der Ausgangsseite der ersten Gleichrichterschaltung 23, einem von zwei Anschlüssen auf einer Ausgangsseite der zweiten Gleichrichterschaltung 26 und einem Ende der Lastschaltung 4 verbunden. Außerdem ist das andere Ende des Glättungskondensators 24 mit dem anderen der beiden Anschlüsse auf der Ausgangsseite der ersten Gleichrichterschaltung 23, dem anderen der beiden Anschlüsse auf der Ausgangsseite der zweiten Gleichrichterschaltung 26 und dem anderen Ende der Lastschaltung 4 verbunden.
Die Unterspule 25 ist derart vorgesehen, dass sie mit der Empfangsspule 21 der Resonanzschaltung 20 elektromagnetisch gekoppelt werden kann. Beispielsweise sind die Unterspule 25 und die Empfangsspule 21 um denselben Kern gewickelt. Außerdem sind die beiden Enden der Unterspule 25 jeweils mit zwei Eingangsanschlüssen der zweiten Gleichrichterschaltung 26 verbunden. Durch die Bereitstellung einer solchen Unterspule 25 wird ein übermäßiger Anstieg der an die Resonanzschaltung 20 angelegten Spannung verhindert. Wenn z. B. die Last der Lastschaltung 4 ansteigt, wenn die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 versucht, eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, und die Spannung, die an die Empfangsspule 21 angelegt ist, ansteigt, steigt auch die Spannung, die an die Unterspule 25 angelegt ist, entsprechend der Erhöhung der Spannung, die an die Empfangsspule 21 angelegt ist, an. Wenn dann die Spannung, die von der Unterspule 25 angelegt wird, die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 übersteigt, fließt ein Teil der übertragenen Energie von der Unterspule 25 über die zweite Gleichrichterschaltung 26 zu dem Glättungskondensator 24 derart, dass eine übermäßige Spannung an der Resonanzschaltung 20 unterdrückt wird. Andererseits, wenn die Spannung, die von der Resonanzschaltung 20 über die erste Gleichrichterschaltung 23 und den Glättungskondensator 24 an die Lastschaltung 4 ausgeben wird, eine bestimmte Größe hat, wird die Spannung zwischen zwei Anschlüssen des Glättungskondensators 24 ebenfalls größer als die Spannung zwischen zwei Ausgangsanschlüssen der zweiten Gleichrichterschaltung 26, aufgrund der Spannung zwischen den beiden Anschlüssen der Unterspule 25. Daher fließt kein Strom von der Unterspule 25 zu dem Glättungskondensator 24. Wenn die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 den Betrieb mit konstanter Spannung fortsetzt, hat die Unterspule 25 daher keinen Einfluss auf den Betrieb mit konstanter Spannung.
Es ist zu beachten, dass die Windungszahl ns der Unterspule 25 vorzugsweise derart eingestellt ist, dass die Windungszahl ns der Unterspule 25 kleiner ist als die Windungszahl nm der Empfangsspule 21. Außerdem sollte das Verhältnis (nm/ns) zwischen der Windungszahl nm der Empfangsspule 21 und der Windungszahl ns der Unterspule 25 vorzugsweise derart eingestellt werden, dass der vorgesehene Maximalwert der Spannungswellenhöhe der Unterspule 25 kleiner oder gleich einer Ausgangsspannung des Glättungskondensators 24 ist, wenn die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 einen Betrieb mit konstanter Spannung ausführt. Die Ausgangsspannung wird entsprechend der Spezifikation der Lastschaltung 4 eingestellt.
Die zweite Gleichrichterschaltung 26 kann z. B. als Vollwellen-Gleichrichterschaltung mit vier in Brückenschaltung geschalteten Dioden ausgeführt sein. Man beachte, dass die zweite Gleichrichterschaltung 26 eine Gleichrichterschaltung anderen Typs sein kann. Eine der beiden Anschlüsse der zweiten Gleichrichterschaltung 26 auf der Eingangsseite ist mit einem Ende der Unterspule 25 verbunden, der andere der beiden Anschlüsse ist mit dem anderen Ende der Unterspule 25 verbunden. Außerdem ist einer der beiden Anschlüsse der zweiten Gleichrichterschaltung 26 auf der Ausgangsseite mit einem Ende des Glättungskondensators 24 verbunden, und der andere der beiden Anschlüsse auf der Ausgangsseite ist geerdet. Wenn die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen der zweiten Gleichrichterschaltung 26 auf der Ausgangsseite entsprechend der Spannung, die zwischen den beiden Anschlüssen der Unterspule 25 angelegt ist, größer ist als die Spannung zwischen den beiden Anschlüssen des Glättungskondensators 24, gibt die zweite Gleichrichterschaltung 26 Ausgangsenergie von der Unterspule 25 an den Glättungskondensator 24 aus.
Die Energieübertragungsschaltung 27 überträgt Rücklaufenergie mit einer Spannung entsprechend der Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 an die Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2. Zu diesem Zweck umfasst die Energieübertragungsschaltung 27 eine Spule 27-1, ein Schaltelement 27-2, zwei Kondensatoren 27-3 und 27-4, eine Gegenübertragungsspule 27-5 und eine Steuerschaltung 27-6.
Ein Ende der Spule 27-1 ist mit einem Knoten zwischen dem Glättungskondensator 24 und den Ausgangsanschlüssen der ersten Gleichrichterschaltung 23 und der zweiten Gleichrichterschaltung 26 verbunden, während das andere Ende über das Schaltelement 27-2 geerdet ist. Ein Ende des Kondensators 27-3 ist mit dem anderen Ende der Spule 27-1 verbunden, während das andere Ende des Kondensators 27-3 mit einem Ende der Gegenübertragungsspule 27-5 verbunden ist. Die Gegenübertragungsspule 27-5 ist an ihrem einen Ende in Reihe mit dem Kondensator 27-3 geschaltet, während das andere Ende der Gegenübertragungsspule 27-5 geerdet ist. Auch die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite bei der kontaktlosen Energieeinspeisung einer SP-Topologie ist aus der Gegenübertragungsspule 27-5 und dem Kondensator 27-3 gebildet.
Darüber hinaus ist der Kondensator 27-4 derart angeordnet, dass dessen eines Ende mit einem Knotenpunkt zwischen dem anderen Ende der Spule 27-1 und dem Kondensator 27-3 verbunden ist, während das andere Ende des Kondensators 27-4 geerdet ist. Das Schaltelement 27-2 ist z. B. ein MOS-FET und so angeordnet, dass das andere Ende der Spule 27-1 im eingeschalteten Zustand geerdet ist. Der Gate-Anschluss des Schaltelements 27-2 ist mit der Steuerschaltung 27-6 verbunden, und das Ein-/Ausschalten des Schaltelements 27-2 erfolgt in Abhängigkeit von einem Steuersignal der Steuerschaltung 27-6. Die Steuerschaltung 27-6 schaltet das Schaltelement 27-2 periodisch in einem Zyklus ein/aus, der der Resonanzfrequenz einer durch die Gegenübertragungsspule 27-5 und den Kondensator 27-3 gebildeten Resonanzschaltung und der Resonanzschaltung der Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2 entspricht. Wie oben beschrieben, ist die Energieübertragungsschaltung 27 gemäß einer Klasse-E-Verstärkerstruktur eingerichtet und daher kann die Energieübertragungsschaltung 27 der Gegenübertragungsspule 27-5 Wechselstromenergie mit einer Spannung entsprechend der Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 und mit einer Resonanzfrequenz der durch die Gegenübertragungsspule 27-5 und den Kondensator 27-3 eingerichteten Resonanzschaltung und der Resonanzschaltung der Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2 zuführen. Infolgedessen wird Rücklaufenergie mit einer Spannung, die der Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 entspricht, von der Energieübertragungsschaltung 27 der Energieempfangsvorrichtung 3 an die Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2 übertragen.
Vorzugsweise ist die Resonanzfrequenz der durch die Gegenübertragungsspule 27-5 und den Kondensator 27-3 gebildeten Resonanzschaltung und der Resonanzschaltung der Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2 auf eine andere Frequenz als die Antriebsfrequenz eingestellt. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Resonanzfrequenz der durch die Gegenübertragungsspule 27-5 und den Kondensator 27-3 gebildeten Resonanzschaltung und der Resonanzschaltung der Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2 auf eine Frequenz eingestellt, die höher ist als die Antriebsfrequenz, und vorzugsweise auf eine Frequenz, die mehr als das Zehn- bis Hundertfache der Antriebsfrequenz beträgt. Dadurch, dass die Gegenempfangsspule 18-1 der Energieempfangsschaltung 18 die von der Übertragungsspule 14 zur Empfangsspule 21 übertragene Energie direkt empfängt, ist es möglich, eine ungenaue Reflexion der Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 auf die durch die von der Energieempfangsschaltung 18 ausgegebene Spannungsinformation angezeigte Spannung zu unterdrücken.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, dass die Übertragungsspule 14 und die Gegenempfangsspule 18-1 sowie die Empfangsspule 21 und die Gegenübertragungsspule 27-5 so angeordnet sind, dass der Kopplungsgrad zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 und der Kopplungsgrad zwischen der Gegenübertragungsspule 27-5 und der Gegenempfangsspule 18-1 in einer Eins-zu-Eins-Beziehung stehen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, dass die Übertragungsspule 14 und die Gegenempfangsspule 18-1 konzentrisch angeordnet sind, so dass ihre Wicklungsachsen im Wesentlichen übereinstimmen. Beispielsweise sind die Übertragungsspule 14 und die Gegenempfangsspule 18- 1 um denselben Kern gewickelt. Ebenso ist es vorteilhaft, dass die Empfangsspule 21 und die Gegenübertragungsspule 27-5 konzentrisch angeordnet sind, so dass ihre Wicklungsachsen im Wesentlichen übereinstimmen. Zum Beispiel sind die Empfangsspule 21 und die Gegenübertragungsspule 27- 5 um denselben Kern gewickelt. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass, wenn die Energieempfangsvorrichtung 3 Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 empfängt, die Wicklungsachsen der Übertragungsspule 14 und der Gegenempfangsspule 18-1 im Wesentlichen parallel zu den Wicklungsachsen der Empfangsspule 21 und der Gegenempfangsspule 27-5 verlaufen. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, dass die Übertragungsspule 14 und die Gegenempfangsspule 18-1 derart angeordnet sind, dass die Wicklungsachsen der Übertragungsspule 14 und der Gegenempfangsspule 18-1 orthogonal zu einer Außenwand eines Gehäuses (nicht dargestellt) verlaufen, in dem die Energieübertragungsvorrichtung 2 aufgenommen ist und das der Energieempfangsvorrichtung 3 gegenüberliegt. Ebenso ist es vorteilhaft, dass die Empfangsspule 21 und die Gegenübertragungsspule 27-5 derart angeordnet sind, dass die Wicklungsachsen der Empfangsspule 21 und der Gegenübertragungsspule 27-5 orthogonal zu einer Außenwand eines Gehäuses (nicht dargestellt) verlaufen, in dem die Energieempfangsvorrichtung 3 aufgenommen ist und das der Energieübertragungsvorrichtung 2 gegenüberliegt. Indem diese Spulen wie oben beschrieben angeordnet sind, wird das Verhältnis zwischen der Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 und der Spannung der Rücklaufenergie, die von der Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2 von der Energieübertragungsschaltung 27 der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen wird, immer konstant gehalten, und somit kann die Steuerschaltung 19 der Energieübertragungsvorrichtung 2 die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 genau erfassen.
2 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel für die Anordnung der Übertragungsspule 14 und der Gegenempfangsspule 18-1 sowie die Anordnung der Empfangsspule 21 und der Gegenübertragungsspule 27-5 zeigt. Wie in 2 dargestellt, sind die Übertragungsspule 14 und die Gegenempfangsspule 18-1 um denselben Kern 14a gewickelt. Es ist zu beachten, dass die Übertragungsspule 14 und die Gegenempfangsspule 18-1 voneinander getrennt sind, so dass sie voneinander isoliert sind. Weiterhin sind die Empfangsspule 21 und die Gegenübertragungsspule 27-5 um denselben Kern 21a gewickelt. Außerdem sind die Empfangsspule 21 und die Gegenübertragungsspule 27-5 voneinander getrennt, so dass sie voneinander isoliert sind. Die Unterspule 25 kann ebenso um den Kern 21a gewickelt sein.
Gemäß einer Abwandlung können die Übertragungsspule 14 und die Gegenempfangsspule 18-1 auch auf einer Vorder- bzw. Rückseite desselben Substrats angebracht werden, so dass ihre Wicklungsachsen übereinstimmen. In ähnlicher Weise können die Empfangsspule 21 und die Gegenübertragungsspule 27-5 auch an einer Vorder- bzw. Rückseite desselben Substrats befestigt werden, so dass ihre Wicklungsachsen übereinstimmen.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung 1 im Detail beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform steuert die Steuerschaltung 19 der Energieübertragungsvorrichtung 2 die Spannung der Wechselstromenergie, die von der Energiezufuhrschaltung 10 der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, auf der Grundlage von Spannungsinformationen, die von Energieempfangsschaltung 18 empfangen werden derart, dass die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 einen Betrieb mit konstanter Ausgangsspannung fortsetzt und die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 in einem zulässigen Bereich enthalten ist. Im Folgenden wird die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 vereinfacht als „Ausgangsspannung“ bezeichnet.
Damit die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 einen Betrieb mit konstanter Ausgangsspannung durchführen kann, ist es vorteilhaft, dass in der Nähe der Antriebsfrequenz der Wechselstromenergie, die der Übertragungsspule 14 von der Energiezufuhrschaltung 10 zugeführt wird, eine Änderung der Ausgangsspannung im Verhältnis zu einer Änderung der Antriebsfrequenz gering ist. Denn wenn die Änderung der Ausgangsspannung im Verhältnis zu der Änderung der Antriebsfrequenz groß ist, ändert sich der Wirkungsgrad der Energieübertragung bei einer geringfügigen Änderung der Lagebeziehung zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 oder bereits bei einer geringfügigen Änderung der Schaltungskonstanten der Elemente der Energieübertragungsvorrichtung 2 oder der Energieempfangsvorrichtung 3. Darüber hinaus ist bevorzugt, dass die Frequenzcharakteristik der Ausgangsspannung bei der Antriebsfrequenz oder einer Frequenz in der Nähe davon einen Maximalwert aufweist, um die Effizienz der Energieübertragung zu verbessern.
3 ist ein schematisches Diagramm, das ein Beispiel der Frequenzcharakteristik einer Verstärkung in Bezug auf die zu übertragende Energie in der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung 1 zeigt. In 3 zeigt die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Verstärkung an. Außerdem zeigt ein Diagramm 300 ein Beispiel für die Frequenzcharakteristik der Verstärkung. In der Frequenzkennlinie 300 erreicht die Verstärkung bei drei voneinander verschiedenen Frequenzen Maximalwerte. Die Änderung der Verstärkung im Verhältnis zu der Frequenzänderung ist in der Nähe einer Frequenz f0, die nicht zu den Frequenzen gehört, bei denen die Verstärkung maximale Werte erreicht, mäßig im Vergleich zu den anderen Frequenzen, bei denen die Verstärkung maximale Werte erreicht. Daher ist es bevorzugt, dass der Wechselrichter 13 der Energiezufuhrschaltung 10 derart gesteuert wird, dass die Antriebsfrequenz bei der Frequenz f0 oder einer Frequenz in der Nähe davon liegt. Diese Frequenz f0 ist eine Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3. Der Grund, warum die Frequenz f0 eine Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 ist, wird weiter unten beschrieben.
4 ist ein Ersatzschaltbild der Übertragungsspule 14, des ersten Kondensators 15, des zweiten Kondensators 16, und der ersten Spule 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 und der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3. In einer Ersatzschaltung 400 stellt ein Parameter L_in eine Induktivität der ersten Spule 17 dar. Die Parameter C₁ und C_p stehen für die elektrostatische Kapazität des ersten Kondensators 15 bzw. für die elektrostatische Kapazität des zweiten Kondensators 16. Darüber hinaus stehen ein Parameter L_p und ein Parameter L_s für eine Induktivität der Übertragungsspule 14 bzw. eine Induktivität der Empfangsspule 21 und ein Parameter C_s für eine elektrostatische Kapazität des Resonanzkondensators 22. Außerdem ist ein Parameter M die gegenseitige Induktivität zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21. Wenn der Kopplungsgrad zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 mit k bezeichnet wird, ist M=k(LpLs)^1/2.
Die F-Matrix dieser Ersatzschaltung 400 wird durch die folgende Formel dargestellt.
[Math. 1] $\begin{array}{l} (\begin{matrix} V_{1} \\ I_{1} \end{matrix}) = F (\begin{matrix} V_{2} \\ I_{2} \end{matrix}) = (\begin{matrix} A & B \\ C & D \end{matrix}) (\begin{matrix} V_{2} \\ I_{2} \end{matrix}) \\ F (ω, L_{i n}, C_{p}, C_{1}, L_{p}, L_{s}, k, C_{s}) : = [\begin{matrix} 1 & 1 i \cdot ω \cdot L_{i n} \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & 0 \\ 1 i \cdot ω \cdot C_{p} & 1 \end{matrix}] . \\ [\begin{matrix} 1 & \frac{1}{1 i \cdot ω \cdot C_{1}} \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} \frac{1}{k} \cdot \sqrt{\frac{L_{p}}{L_{s}}} & \frac{1 i \cdot ω \cdot (1 - k^{2}) \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}}{k} \\ \frac{1}{1 i \cdot ω \cdot k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}} & \frac{1}{k} \cdot \sqrt{\frac{L_{s}}{L_{p}}} \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & \frac{1}{1 i \cdot ω \cdot C_{s}} \\ 0 & 1 \end{matrix}] \end{array}$
Es ist zu beachten, dass ein Parameter ω eine Winkelfrequenz f ist, die der Antriebsfrequenz entspricht, und ω=2nf.
Entsprechend wird eine Anschlusskonstante A durch die folgende Formel dargestellt. Zu beachten ist, dass die Anschlusskonstante A eine Übertragungscharakteristik eines Verhältnisses (V1/V2) der Spannung V1 (im Folgenden der Einfachheit halber als „Eingangsspannung V1“ bezeichnet) der Wechselstromenergie, die an die Übertragungsspule 14 über den ersten Kondensator 15, den zweiten Kondensator 16 und die erste Spule 17 angelegt ist, relativ zu einer Ausgangsspannung V2 der Resonanzschaltung 20, darstellt, wenn ein Ausgangsstrom I2 der Resonanzschaltung 20 gleich Null ist.
[Math. 2] $A = \frac{- 2 \cdot C_{1} \cdot C_{p} \cdot L_{i n} \cdot L_{p} \cdot ω^{4} + (2 \cdot C_{1} \cdot L_{p} + (C_{p} + C_{1}) \cdot L_{i n}) \cdot ω^{2} - 1}{C_{1} \cdot ω^{2} \cdot k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}}$
Darüber hinaus wird eine Anschlusskonstante B, die eine Übertragungscharakteristik eines Verhältnisses (V1/I2) der Eingangsspannung V1 relativ zu dem Ausgangsstrom I2 darstellt, wenn eine Ausgangsspannung V2 der Resonanzschaltung 20 Null ist, durch die folgende Formel dargestellt.
[Math. 3] $\begin{array}{l} B = \frac{L_{p} \cdot L_{s} \cdot C_{p} \cdot L_{i n} \cdot (k^{2} - 1)}{k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}} \cdot ω^{3} + \frac{(L_{p} \cdot L_{s} \cdot C_{1} \cdot (1 - k^{2}) + L_{i n} \cdot L_{s} \cdot (C_{p} + C_{1}))}{C_{1} \cdot k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}} \cdot ω \\ - \frac{L_{s}}{C_{1} \cdot k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}} \cdot \frac{1}{ω} + \frac{C_{1} \cdot C_{p} \cdot L_{i n} \cdot L_{p}}{C_{1} \cdot C_{s} \cdot k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}} \cdot ω \\ - \frac{C_{1} \cdot L_{p} + (C_{p} + C_{1}) \cdot L_{i n}}{C_{1} \cdot C_{s} \cdot k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}} \cdot \frac{1}{ω} + \frac{1}{C_{1} \cdot C_{s} \cdot k \cdot \sqrt{L_{p} \cdot L_{s}}} \cdot \frac{1}{ω^{3}} \end{array}$
Auch eine Verstärkung G der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 wird durch die folgende Formel dargestellt.
[Math. 4] $G = \frac{1}{A + \frac{B}{R}}$
Dabei ist ein Parameter R ein AC-äquivalenter Widerstandswert der Lastschaltung 4.
Wie in Formel (4) gezeigt, wird die Verstärkung G durch die Anschlusskonstante A, die Anschlusskonstante B und den AC-äquivalenten Widerstandswert der Lastschaltung 4 bestimmt. Von diesen Parametern wird, wie in Formel (2) gezeigt, die Anschlusskonstante A nur durch die Schaltungskonstanten der Elemente auf der Seite der Energieübertragungsvorrichtung 2 bestimmt, und es gibt zwei Winkelfrequenzen ω, bei denen die Anschlusskonstante A Null ist. Außerdem sind die beiden Kreisfrequenzen, bei denen die Anschlusskonstante A gleich Null ist, Kreisfrequenzen, die durch einen Term vierter Ordnung oder einen quadratischen Term der Kreisfrequenz ω bestimmt werden, und daher ändert sich die Anschlusskonstante A infolge der Änderung der Kreisfrequenz in der Nähe der beiden Kreisfrequenzen schnell.
Andererseits ist in Bezug auf die Anschlusskonstante B ein Term dritter oder höherer Ordnung der Winkelfrequenz ω vorhanden, wie in Formel (3) gezeigt, und daher sind mindestens drei Winkelfrequenzen ω vorhanden, bei denen die Anschlusskonstante B Null ist. Außerdem entspricht eine der Winkelfrequenzen, bei der die Anschlusskonstante B Null ist, der Frequenz f0 in 3. Es ist zu beachten, dass die Schaltungskonstanten der Spulen und der Kondensatoren der Energieübertragungsvorrichtung 2 und die Schaltungskonstanten der Empfangsspule 21 und des Resonanzkondensators 22 der Energieempfangsvorrichtung 3 bevorzugt derart eingestellt sind, dass die Anschlusskonstante B größer ist als die Anschlusskonstante A bei einer Kreisfrequenz, bei der die Anschlusskonstante B nicht Null ist. Durch die oben beschriebene Einstellung der Schaltungskonstanten der Elemente sind die Terme der Anschlusskonstante A in Bezug auf die Verstärkung G in der Nähe von Winkelfrequenzen dominant, bei denen die Anschlusskonstante B Null ist und die ausreichend weit von Winkelfrequenzen entfernt sind, bei denen die Anschlusskonstante A Null ist, und die Terme der Anschlusskonstante B sind in Bezug auf die Verstärkung G bei anderen Winkelfrequenzen dominant, bei denen die Anschlusskonstante B nicht Null ist. Daher ist der Wert der Verstärkung bei der Frequenz f0 in 3 relativ größer als die Verstärkung bei einer Frequenz in der Nähe der Frequenz f0.
Löst man die Formel (3) in Bezug auf das Quadrat der Kreisfrequenz und vernachlässigt dabei den Term k², davon ausgehend, dass die Anschlusskonstante B Null ist und 1>>k² in Formel (3) eingesetzt wird, erhält man die folgenden Lösungen.
[Math. 5] $ω^{2} = \frac{1}{L_{s} C_{s}}, \frac{1}{2} (\frac{1}{L_{i n} C_{p}} + \frac{1}{L_{p} C_{1}} + \frac{1}{L_{s} C_{s}}) \pm \sqrt{{(\frac{1}{L_{i n} C_{p}} + \frac{1}{L_{p} C_{1}} + \frac{1}{L_{s} C_{s}})}^{2} - \frac{4}{L_{i n} C_{p} L_{p} C_{1}}}$
Von diesen Lösungen entspricht die erste Lösung einer Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3. Die dieser Lösung entsprechende Frequenz entspricht auch der Frequenz f0 in .
Wie aus Formel (4) ersichtlich ist, hängt die Verstärkung G bei einer Kreisfrequenz, bei der die Anschlusskonstante B Null ist, nicht von dem Widerstand der Lastschaltung 4 ab. Durch Einstellen der Antriebsfrequenz auf eine Frequenz, die einer Winkelfrequenz entspricht, bei der die Anschlusskonstante B gleich Null ist, oder auf eine Frequenz in der Nähe dieser Frequenz, kann die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 einen Betrieb mit konstanter Ausgangsspannung durchführen.
Durch Einstellen der Antriebsfrequenz auf eine Frequenz, die in einem vorbestimmten Frequenzbereich einschließlich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 enthalten ist, kann die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 daher einen Betrieb mit konstanter Ausgangsspannung durchführen, und der Wirkungsgrad der Energieübertragung kann ebenfalls verbessert werden. Es ist zu beachten, dass beispielsweise der vorgegebene Frequenzbereich derart eingestellt werden kann, dass die Änderung der Ausgangsspannung aufgrund der Widerstandsänderung der Lastschaltung 4 in einem zulässigen Bereich der Ausgangsspannung in einem System enthalten ist, an dem die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 montiert ist.
Solange der Kopplungsgrad k zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eine Bedingung 1>>k² erfüllt (z. B. wenn der Kopplungsgrad k 0,2 oder weniger beträgt), ändert sich die Antriebsfrequenz für die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 zur Durchführung eines Betriebs mit konstanter Ausgangsspannung nicht, selbst wenn es eine geringfügige Änderung in der Positionsbeziehung zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 gibt. Daher muss die Steuerschaltung 19 der Energieübertragungsvorrichtung 2 die Zykluszeit, in der die Schaltelemente 13-1 und 13-2 des Wechselrichters 13 ein- und ausgeschaltet werden, nicht zu ändern, selbst wenn sich die Lagebeziehung zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 geringfügig ändert.
Damit der Wechselrichter 13 eine sanfte Umschaltung durchführen kann, muss der Verzögerungswert der Phase eines in der Übertragungsspule 14 fließenden Stroms im Verhältnis zu der Phase der der Übertragungsspule 14 zugeführten Wechselstromenergie auf einen geeigneten Wert eingestellt werden. Zu diesem Zweck ist es vorteilhaft, dass die Resonanzfrequenz (Resonanzfrequenz der geschlossenen Schleife) Fp einer geschlossenen Schleife, die aus der Übertragungsspule 14, dem ersten Kondensator 15 und dem zweiten Kondensator 16 in der Energieübertragungsvorrichtung 2 gebildet ist, höher ist als eine Antriebsfrequenz Fsw. Es ist zu beachten, dass die Resonanzfrequenz Fp der geschlossenen Schleife durch die folgende Formel dargestellt wird.
[Math. 6] $F p = \frac{1}{2 π \sqrt{L_{p} (\frac{C_{1} \cdot C_{p}}{C_{1} + C_{p}})}}$
Dadurch, dass die Induktivität der Übertragungsspule 14 und die elektrostatischen Kapazitäten des ersten Kondensators 15 und des zweiten Kondensators 16 derart eingestellt sind, dass sie die Formel (6) erfüllen, wird unterdrückt, dass die Phasenverzögerung eines in der Übertragungsspule 14 fließenden Stroms gegenüber der Phase der Spannung der Wechselstromenergie, die der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, sehr groß wird. Dadurch werden die Schaltverluste in jedem Schaltelement des Wechselrichters 13 reduziert.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel eines Simulationsergebnisses der Frequenzcharakteristik der Ausgangsspannung der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung 1 zeigt. In 5 zeigt die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Ausgangsspannung. Außerdem wurde in dieser Simulation die elektrostatische Kapazität C₁ des ersten Kondensators 15 auf 40,1 nF und die elektrostatische Kapazität C_p des zweiten Kondensators 16 auf 45,6 nF festgelegt. Außerdem wurde die Induktivität Lin der ersten Spule 17 auf 70,0 pH eingestellt. Außerdem wurden die Induktivitäten der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 auf jeweils 160 µH eingestellt. Außerdem wurde die elektrostatische Kapazität C_s des Resonanzkondensators 22 auf 22,4 nF festgelegt. Außerdem wurden der Wicklungsdraht-Widerstandswert auf der Energieübertragungsseite und der Wicklungsdraht-Widerstandswert auf der Energieempfangsseite jeweils auf 0,13 Ω eingestellt. Außerdem wurde Spannung V_in der Wechselstromenergie, die von dem Wechselrichter 13 ausgegeben wird, auf 440 V eingestellt. Ein Diagramm 501 zeigt die Frequenzcharakteristik der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungsgrad k zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 auf 0,11 eingestellt wurde und der Wechselstromäquivalente Widerstandswert der Lastschaltung 4 auf 20 Ω eingestellt wurde. Das Diagramm 502 zeigt die Frequenzcharakteristik der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungsgrad k auf 0,11 und der AC-äquivalente Widerstandswert der Lastschaltung 4 auf 2 kSZ eingestellt wurde. Wie in den Diagrammen 501 und 502 gezeigt, wird die Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz f1 (=84,1 kHz) der Resonanzschaltung 20 konstant gehalten, auch wenn sich der AC-äquivalente Widerstandswert der Lastschaltung 4 ändert. Es versteht sich, dass die Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz f1 den Maximalwert in der Frequenzkennlinie erreicht und die Änderung der Ausgangsspannung im Verhältnis zu der Frequenzänderung gleichmäßiger verläuft als bei anderen Frequenzen, bei denen die Ausgangsspannung den Maximalwert erreicht. Es versteht sich daher, dass durch Einstellen der Antriebsfrequenz fsw auf eine Frequenz in einem vorbestimmten Bereich, der die Resonanzfrequenz f1 der Resonanzschaltung 20 umfasst, die kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung 1 einen Betrieb mit konstanter Ausgangsspannung durchführen kann, und dass auch der Wirkungsgrad der Energieübertragung verbessert werden kann.
Wie vorstehend beschrieben, umfasst in der kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung die Energieempfangsvorrichtung eine Energieübertragungsschaltung zum Übertragen von Wechselstromenergie an die Energieübertragungsvorrichtung mit einer Spannung entsprechend der von der Energieübertragungsvorrichtung empfangenen Energie und mit einer Frequenz, die sich von der Frequenz der der Übertragungsspule zugeführten Energie unterscheidet, und die Energieübertragungsvorrichtung umfasst die Energieempfangsschaltung zum Empfangen der übertragenen Wechselstromenergie. Daher kann in dieser kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung die Energieempfangsvorrichtung der Energieübertragungsvorrichtung Informationen über die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung mitteilen, ohne Kommunikatoren zu verwenden. Entsprechend kann die Konfiguration dieser kontaktlosen Energieeinspeisungsvorrichtung vereinfacht werden.
Es ist zu beachten, dass die Energieübertragungsschaltung 27 der Energieempfangsvorrichtung 3 eine Schaltung mit einer Konfiguration umfassen kann, die sich von der oben beschriebenen Schaltungskonfiguration unterscheidet und als Schaltung für die Versorgung der Gegenübertragungsspule 27-5 mit Wechselstromenergie dient. Die Energieübertragungsschaltung 27 kann beispielsweise einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler zum Erhöhen der von der ersten Gleichrichterschaltung 23 oder der zweiten Gleichrichterschaltung 26 ausgegebenen Gleichspannung und einen Vollbrückenwechselrichter zum Umwandeln von Gleichstrom, dessen Spannung durch den Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler erhöht wurde, in Wechselstrom mit einer von der Antriebsfrequenz abweichenden Frequenz und zum Einspeisen des resultierenden Wechselstroms in die Gegenübertragungsspule 27-5 umfassen.
Außerdem können die Energieübertragungsschaltung 27 der Energieempfangsvorrichtung 3 und die Energieempfangsschaltung 18 der Energieübertragungsvorrichtung 2 gemäß einem anderen kontaktlosen Energieeinspeisungsverfahren eingerichtet werden. Beispielsweise können die Energieübertragungsschaltung 27 und die Energieempfangsschaltung 18 sowohl auf der Energieübertragungs- als auch auf der Energieempfangsseite gemäß der SS-Topologie eingerichtet sein, bei der eine Spule und ein Resonanzkondensator in Reihe schwingen. Alternativ können die Energieübertragungsschaltung 27 und die Energieempfangsschaltung 18 auch gemäß der NS-Topologie eingerichtet werden, bei der die Resonanz auf der Energieübertragungsseite nicht genutzt wird und eine Spule und ein Resonanzkondensator für die übertragene Wechselstromenergie auf der Energieempfangsseite in Reihe schwingen. Die Energieübertragungsschaltung 27 und die Energieempfangsschaltung 18 können weiterhin gemäß der NP-Topologie eingerichtet werden, bei der die Resonanz auf der Energieübertragungsseite nicht genutzt wird und eine Spule und ein Resonanzkondensator für die übertragene Wechselstromenergie auf der Energieempfangsseite parallel schwingen.
Gemäß einer weiteren Abwandlung kann die Unterspule 25 auch als Gegenübertragungsspule verwendet werden. In diesem Fall kann die Energieübertragungsschaltung 27 eingerichtet sein, die von der Energieübertragungsschaltung 27 hervorgerufene Wechselstromenergie der Unterspule 25 zuzuführen.
Gemäß einer weiteren Abwandlung können die Unterspule 25 und die zweite Gleichrichterschaltung 26 weggelassen werden, wenn die Positionsbeziehung zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 durch die Strukturen eines Geräts, an dem die Energieübertragungsvorrichtung 2 zu montieren ist, und eines Geräts, an dem die Energieempfangsvorrichtung 3 zu montieren ist, derart gewährleistet ist, dass keine übermäßige Spannung in der Energieempfangsvorrichtung 3 auftritt. Auf diese Weise wird die Schaltungskonfiguration der Energieempfangsvorrichtung 3 vereinfacht.
Gemäß einer weiteren Abwandlung ist vorgesehen, dass die Energieempfangsvorrichtung 3 nicht an einer Position vorliegt, von der aus Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 empfangen werden kann, wenn die Spannung der Rücklaufenergie, die durch die Spannungsinformation angezeigt wird, ein vorbestimmter unterer Grenzwert oder weniger ist. Entsprechend kann die Steuerschaltung 19 der Energieübertragungsvorrichtung 2 die Energiezufuhrschaltung 10 so lange in einem Burst-Modus steuern, bis die Spannung der Rücklaufenergie den vorgegebenen unteren Grenzwert überschreitet. Das heißt, während der Burst-Modus Anwendung findet, steuert die Steuerschaltung 19 das Tastverhältnis des Schaltelements Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12, so dass die Energiezufuhrschaltung 10 veranlasst wird, Wechselstromenergie mit einer vorbestimmten Spannung für eine vorbestimmte Dauer in festen Intervallen der Übertragungsspule 14 zuzuführen. Andererseits setzt die Steuerschaltung 19 das Tastverhältnis des Schaltelements der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 auf Null, so dass in anderen als den vorgegebenen Zeiträumen keine Wechselstromenergie von der Energiezufuhrschaltung 10 der Übertragungsspule 14 zugeführt wird. Überschreitet die Spannung der Rücklaufenergie den vorbestimmten unteren Grenzwert, kann die Steuerschaltung 19 die Energiezufuhrschaltung 10 derart steuern, dass die Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung 3 in einem zulässigen Bereich liegt, wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Es ist zu beachten, dass das feste Intervall z. B. auf eine bis zehn Sekunden eingestellt ist und die vorgegebene Zeitspanne auf eine kürzere Zeitspanne als das feste Intervall, z. B. 100 ms, eingestellt ist. Durch die Anwendung eines solchen Burst-Modus kann die Steuerschaltung 10 den Energieverbrauch reduzieren, wenn die Energieempfangsvorrichtung 3 keine Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 empfangen kann.
Auch die Konfiguration der Energieübertragungsvorrichtung 2 und die Konfiguration der Energieempfangsvorrichtung 3 sind nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt. Zum Beispiel können die Energieübertragungsvorrichtung 2 und die Energieempfangsvorrichtung 3 gemäß der SP-Topologie eingerichtet sein. In diesem Fall können die erste Spule 17 und der zweite Kondensator 16 in der Energieübertragungsvorrichtung 2 entfallen. Außerdem sind in der Resonanzschaltung 20 de Energieempfangsvorrichtung 3 die Empfangsspule 21 und der Resonanzkondensator 22 parallelgeschaltet. Alternativ können die Energieübertragungsvorrichtung 2 und die Energieempfangsvorrichtung 3 auch gemäß einem anderen kontaktlosen Energieeinspeisungsverfahren wie der SS-Topologie, der NS-Topologie oder der NP-Topologie eingerichtet sein.
Wie oben beschrieben, kann der Fachmann im Rahmen der vorliegenden Erfindung verschiedene Abwandlungen gemäß den zu implementierenden Modi vornehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2019 [0003]
JP 176565 A [0003]
JP 2019176565 A [0003, 0004]

Claims

Kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung mit einer Energieübertragungsvorrichtung und einer Energieempfangsvorrichtung, an die Energie kontaktlos von der Energieübertragungsvorrichtung übertragen wird, wobei die Energieübertragungsvorrichtung umfasst: eine Übertragungsspule zur Zufuhr von Energie an die Energieempfangsvorrichtung; eine Energiezufuhrschaltung, die eingerichtet ist, der Übertragungsspule Wechselstromenergie mit einer vorbestimmten Antriebsfrequenz zuzuführen; eine Energieempfangsschaltung, die eingerichtet ist, von der Energieempfangsvorrichtung übertragene Rücklaufenergie zu empfangen; und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die Energiezufuhrschaltung zu steuern, um der Übertragungsspule Wechselstromenergie mit der Antriebsfrequenz zuzuführen, und eine Steuerung gemäß einer Spannung der Rücklaufenergie durchzuführen, so dass eine Ausgangsspannung der Energieempfangsvorrichtung in einem vorbestimmten zulässigen Bereich liegt, und wobei die Energieempfangsvorrichtung umfasst: eine Resonanzschaltung mit einer Empfangsspule zum Empfangen von Energie über die Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung und einen Resonanzkondensator, der zusammen mit der Empfangsspule in Resonanz steht; eine Gleichrichterschaltung, die eingerichtet ist, über die Resonanzschaltung empfangene Energie gleichzurichten; und eine Energieübertragungsschaltung, die eingerichtet ist, die Rücklaufenergie entsprechend einer Spannung der von der Gleichrichterschaltung ausgegebenen Energie an die Energieübertragungsvorrichtung zu übertragen.
Kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Energieübertragungsschaltung die Frequenz der Rücklaufenergie gegenüber der Antriebsfrequenz ändert.
Kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Energieempfangsschaltung eine Filterschaltung zum Entfernen einer Frequenzkomponente, die der Antriebsfrequenz entspricht, aus der empfangenen Rücklaufenergie umfasst.
Kontaktlose Energieeinspeisungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energieempfangsschaltung eine Gegenempfangsspule zum Empfangen der Rücklaufenergie umfasst und die Gegenempfangsspule und die Übertragungsspule derart angeordnet sind, dass eine Wicklungsachse der Gegenempfangsspule mit einer Wicklungsachse der Übertragungsspule übereinstimmt, und die Energieübertragungsschaltung eine Gegenübertragungsspule zur Übertragung der Rücklaufenergie umfasst und die Gegenübertragungsspule und die Empfangsspule derart angeordnet sind, dass eine Wicklungsachse der Gegenübertragungsspule mit einer Wicklungsachse der Empfangsspule übereinstimmt.