DE112011102539T5

DE112011102539T5 - Berührungsloses Energieversorgungssystem der Resonanzbauart

Info

Publication number: DE112011102539T5
Application number: DE112011102539T
Authority: DE
Inventors: Shimpei Sakoda; Kazuyoshi Takada; Shinji Ichikawa
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2011-07-28
Publication date: 2013-05-16
Also published as: CN103108768A; WO2012014482A1; CN103108768B; JP2013539333A; EP2598363A1; JP5458187B2; US20130119930A1

Abstract

Ein berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart, das Energie durch eine primäre Resonanzspule und eine sekundäre Resonanzspule zuführt. Das berührungslose Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart weist eine Energiezufuhrausrüstung und eine Ausrüstung an einem beweglichen Körper auf. Die Energiezufuhrausrüstung weist eine primäre Spuleneinheit, die mit der primären Resonanzspule versehen ist, und eine Abstandserfassungseinrichtung auf, die den Abstand zwischen den primären und sekundären Resonanzspulen erfasst. Die Ausrüstung an dem beweglichen Körper weist einen Schalter und einen Anschlusswiderstand auf. Wenn die Abstandserfassungseinrichtung den Abstand erfasst, verbindet der Schalter den Anschlusswiderstand mit der sekundären Spuleneinheit und trennt einen Gleichrichter und eine Energiespeichervorrichtung von einer sekundären Spuleneinheit. Wenn die Ausrüstung an dem beweglichen Körper Energie empfängt, verbindet der Schalter den Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung mit der sekundären Spuleneinheit und trennt den Anschlusswiderstand von der sekundären Spuleneinheit.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein berührungsloses Energieversorgungssystem der Resonanzbauart und genauer ein berührungsloses Energieversorgungssystem der Resonanzbauart, das zur Verwendung beim Laden einer Energiespeichervorrichtung eines beweglichen Körpers in einer berührungslosen Weise wünschenswert ist.
Stand der Technik
PTL 1 beschreibt ein Ladesystem für ein Fahrzeug. Das Ladesystem verwendet Resonanz zum Laden einer in dem Fahrzeug eingebauten Energiespeichervorrichtung mit Energie, die aus einer außerhalb des Fahrzeugs angeordneten Energieversorgung in drahtloser Weise empfangen wird. Genauer weist das Ladesystem gemäß dem vorstehend beschriebenen Dokument ein Elektrofahrzeug und eine Energieversorgungsvorrichtung auf. Das Elektrofahrzeug weist weiterhin eine sekundäre Selbstresonanzspule (sekundäre Resonanzspule), eine sekundäre Spule, einen Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung auf. Die Energieversorgungsvorrichtung weist eine Hochfrequenzenergieantriebseinrichtung, eine primäre Spule und eine primäre Selbstresonanzspule (primäre Resonanzspule) auf. Die Anzahl der Wicklungen in der sekundären Selbstresonanzspule wird auf der Grundlage der Spannung der Energiespeichervorrichtung, des Abstands zwischen den primären und sekundären Selbstresonanzspulen und der Resonanzfrequenz der primären und sekundären Selbstresonanzspulen bestimmt. Der Abstand zwischen der Energiezufuhrvorrichtung und dem Fahrzeug ändert sich in Abhängigkeit von der Situation des Fahrzeugs wie beispielsweise dem Gewicht des Fahrzeugs und dem Luftdruck der Reifen. Änderungen in dem Abstand zwischen der primären Selbstresonanzspule der Energiezufuhrvorrichtung und der sekundären Selbstresonanzspule des Fahrzeugs variieren die Resonanzfrequenz der primären und sekundären Selbstresonanzspule. Somit ist ein variabler Kondensator zwischen den Leitungsdrähten der sekundären Selbstresonanzspule geschaltet. Beim Laden der Energiespeichervorrichtung berechnet das Ladesystem die Ladeenergie für die Energiespeichervorrichtung auf der Grundlage von Erfassungen eines Spannungssensors und eines Stromsensors und justiert die Kapazität des variablen Kondensators zum Maximieren der Ladeenergie. Dies justiert die LC-Resonanzfrequenz der sekundären Selbstresonanzspule.
Zitierungsliste
Patentliteratur

PTL 1: Japanische offengelegte Patentveröffentlichung Nr. 2009-106136

Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
PTL 1 offenbart einen Prozess, der effizient Energie aus einer Energiezufuhrseite zu einer Energieempfangsseite zuführt, selbst wenn die Situation des Fahrzeugs den Abstand zwischen dem primären und sekundären Selbstresonanzspulen ändert. Wenn die Energiespeichervorrichtung geladen wird, justiert dieser Prozess die Kapazität des variablen Kondensators für die sekundäre Selbstresonanzspule, um die Ladeenergie für die Energiespeichervorrichtung zu maximieren. Jedoch wird in diesem Prozess die Ladeenergie für die Energiespeichervorrichtung auf der Grundlage der Erfassungen der Spannungs- und Stromsensoren berechnet, und muss die Kapazität des variablen Kondensators justiert werden, bis die Ladeenergie maximiert wird.
Weiterhin wird in diesem Prozess angenommen, dass der Abstand zwischen den primären und sekundären Selbstresonanzspulen sich in Abhängigkeit von der Situation des Fahrzeugs in einem Zustand ändert, in dem das Fahrzeug an einer geeigneten Ladeposition geparkt ist. Da das Fahrzeug an der vorbestimmten Ladeposition geparkt ist, wird eine Erfassung des Abstands zwischen der primären Resonanzspule, die Energie zuführt, und der sekundären Resonanzspule, die Energie empfängt, nicht erwähnt.
Der Abstand zwischen den primären und sekundären Resonanzspulen kann durch Messen der Impedanz des Resonanzsystems erfasst werden. Solang wie der Abstand zwischen den primären und sekundären Resonanzspulen erfasst werden kann, kann eine Anpassungseinheit zur Feinjustierung des Energiezufuhrsystems auf einen Zustand verwendet werden, in dem Energie effizient von der Energie zuführenden Seite zu der Energie empfangenden Seite zugeführt wird. Jedoch verhindern während der Abstandserfassung, wenn die Anpassungseinheit, eine Ladeeinrichtung oder eine wideraufladbare Batterie mit dem Resonanzsystem verbunden ist, Änderungen in dem Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie eine akkurate Abstandserfassung. Als Ergebnis kann Energie nicht effizient von der Energie zuführenden Seite zu der Energie empfangenden Seite zugeführt werden.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart anzugeben, das akkurat den Abstand zwischen einer primären Resonanzspule, die Energie zuführt, und einer in einem beweglichen Körper eingebauten sekundären Resonanzspule erfasst, die die Energie empfängt, um effizient Energie von der Energie zuführenden primären Resonanzspule zu der Energie empfangenden sekundären Resonanzspule zuzuführen.
Lösung des Problems
Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Aufgabe wird erfindungsgemäß ein berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart bereitgestellt, das Energie durch eine primäre Resonanzspule und eine sekundäre Resonanzspule zuführt. Das berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart weist eine Energiezufuhrausrüstung und eine Ausrüstung an einem beweglichen Körper auf. Die Energiezufuhrausrüstung weist eine Wechselspannungsenergieversorgung, eine Primärspuleneinheit, die die primäre Resonanzspule aufweist, die Energie aus der Wechselspannungsenergieversorgung empfängt, und eine Abstandserfassungseinrichtung auf, die den Abstand zwischen der primären Resonanzspule und der sekundären Resonanzspule erfasst. Die Ausrüstung an dem beweglichen Körper weist eine Energie aus der primären Resonanzspule empfangende sekundäre Spuleneinheit, einen Gleichrichter, der die durch die sekundäre Resonanzspule empfangene Energie gleichrichtet, eine Energiespeichervorrichtung, der die durch den Gleichrichter gleichgerichtete Energie zugeführt wird, einen Schalter und einen Anschlusswiderstand auf, der durch den Schalter mit der sekundären Spuleneinheit verbindbar ist. Wenn die Abstandserfassungseinrichtung den Abstand erfasst, verbindet der Schalter den Anschlusswiderstand mit der sekundären Spuleneinheit und trennt den Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung von der sekundären Spuleneinheit trennt. Wenn die Ausrüstung an dem beweglichen Körper Energie empfängt, verbindet der Schalter den Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung mit der sekundären Spuleneinheit verbindet und trennt den Anschlusswiderstand von der sekundären Spuleneinheit.
Dabei umfasst ein Zustand, in dem die sekundäre Spuleneinheit durch den Schalter verbunden wird, einen Fall, in dem der Schalter den Anschlusswiderstand mit der Sekundärspule direkt verbindet, und einen Zustand, in dem der Schalter den Anschlusswiderstand mit der Sekundärspuleneinheit mit einem Schaltungselement (beispielsweise einer sekundären Anpassungseinheit) verbindet, die zwischen dem Schalter und der sekundären Spuleneinheit eingeordnet ist. Weiterhin bezieht sich die sekundäre Spuleneinheit auf Spulen, die an einer Sekundärseite verwendet werden, wenn die Ausrüstung an dem beweglichen Körper Energie durch die primäre Resonanzspule empfängt. Die sekundäre Spuleneinheit weist zumindest die sekundäre Resonanzspule auf. Weiterhin ist die sekundäre Spuleneinheit lediglich durch die sekundäre Resonanzspule oder durch eine Kombination der sekundären Resonanzspule und einer sekundären Spule gebildet, die mit der sekundären Resonanzspule durch elektromagnetische Induktion gekoppelt ist.
Erfindungsgemäß erfasst die Energiezufuhrausrüstung den Abstand zwischen der primären Resonanzspule und der sekundären Resonanzspule. Wenn die Energiezufuhrausrüstung den Abstand zwischen den primären und sekundären Resonanzspulen erfasst, wird beispielsweise die Eingangsimpedanz des Resonanzsystems gemessen, um den Abstand zu erfassen. Das Resonanzsystem weist die primäre Resonanzspule, ein Schaltungselement (beispielsweise eine Anpassungseinheit oder primäre Spule), die zwischen der Wechselstromenergieversorgung und der primären Resonanzspule angeordnet ist, die sekundäre Resonanzspule und ein Schaltungselement auf, das elektrisch mit der sekundären Resonanzspule verbunden ist. Das heißt, wenn die sekundäre Spuleneinheit mit dem Anschlusswiderstand verbunden ist, weist das Resonanzsystem in der Ausrüstung an dem beweglichen Körper die sekundäre Spuleneinheit, den Anschlusswiderstand und eine Schaltungskomponente (beispielsweise eine Anpassungseinheit) auf, die zwischen der sekundären Spuleneinheit und dem Anschlusswiderstand angeordnet ist. Wenn die sekundäre Spuleneinheit mit dem Gleichrichter und der Energiespeichervorrichtung verbunden ist, weist das Resonanzsystem in der Ausrüstung des beweglichen Körpers die sekundäre Spuleneinheit, den Gleichrichter, die Energiespeichervorrichtung und das Schaltungselement (beispielsweise die Anpassungseinheit) auf, die zwischen der sekundären Spuleneinheit und dem Gleichrichter angeordnet ist. Die Eingangsimpedanz des Resonanzsystems bezieht sich auf die Impedanz des gesamten Resonanzsystems (primäre Spuleneinheit und sekundäre Spuleneinheit), die über zwei Anschlüsse der primären Spuleneinheit gemessen wird, die Wechselstrom während der Abstandserfassung empfängt. Wenn die Abstandserfassung durchgeführt wird, ist der in der Ausrüstung an dem beweglichen Körper angeordnete Anschlusswiderstand durch den Schalter mit der sekundären Spuleneinheit verbunden. Weiterhin sind der Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung von der sekundären Spuleneinheit getrennt. Wenn die Eingangsimpedanz des Resonanzsystems in einem Zustand gemessen wird, in dem der Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung mit der sekundären Spuleneinheit verbunden sind, kann, falls die Energiespeichervorrichtung eine wiederaufladbare Batterie ist, der Abstand aufgrund von Änderungen in dem Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie nicht genau erfasst werden. Als Ergebnis kann Energie nicht effizient von der Energiezuführenden Seite zu der Energieempfangenden Seite zugeführt werden. Jedoch wird die Eingangsimpedanz des Resonanzsystems in einem Zustand gemessen, in dem der Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung von der sekundären Spuleneinheit getrennt sind, während der Anschlusswiderstand durch den Schalter mit der sekundären Spuleneinheit verbunden ist. Dies ermöglicht eine genaue Abstandserfassung. Dementsprechend wird der Abstand zwischen der Resonanzspule an der Energie zuführenden Seite (d. h., der primären Resonanzspule) und der Resonanzspule an der Energie empfangenden Seite, die in dem beweglichen Körper eingebaut ist (d. h., der sekundären Resonanzspule), genau erfasst, um effizient Energie von der Energie zuführenden Seite zu der Energie empfangenden Seite zuzuführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines berührungslosen Energiezufuhrsystems der Resonanzbauart gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
2 zeigt ein Schaltbild, das einen Teil des Systems gemäß 1 veranschaulicht, und
3 zeigt ein Schaltbild, das einen Teil eines berührungslosen Energiezufuhrsystems der Resonanzbauart gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
Beschreibung von Ausführungsbeispielen
Ein berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf 1 und 2 beschrieben.
Gemäß 1 weist das berührungslose Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart eine Energiezufuhrausrüstung 10 (Energiesendeausrüstung), die auf dem Boden angeordnet ist, und eine Ausrüstung an einem beweglichen Körper 20 auf, die in einem Fahrzeug eingebaut ist, das als beweglicher Körper dient.
Die Energiezufuhrausrüstung 10 weist eine Hochfrequenzenergieversorgung 11, die als eine Wechselstromenergieversorgung dient, eine primäre Anpassungseinheit 12, eine primäre Spuleneinheit 13 und eine Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 auf. Die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 versorgt die Hochfrequenzenergieversorgung 11 mit einem Energie-Ein-/Aus-Signal, um die Hochfrequenzenergieversorgung 11 zu aktivieren und deaktivieren. Die Hochfrequenzenergieversorgung 11 gibt eine Wechselstromenergie mit einer Frequenz aus, die dieselben wie eine Resonanzfrequenz ist, die vorab für ein Resonanzsystem eingestellt worden ist. Die Hochfrequenzenergieversorgung 11 gibt eine Hochfrequenzenergie mit einer Frequenz von beispielsweise einigen Megahertz aus.
Gemäß 2 weist die primäre Spuleneinheit 13 eine primäre Spule 13a und eine primäre Resonanzspule 13b auf. Die primäre Anpassungseinheit 12 verbindet die primäre Spule 13a mit der Hochfrequenzenergieversorgung 11. Die primäre Spule 13a ist koaxial mit der primären Resonanzspule 13b angeordnet, und ein Kondensator C ist parallel zu der primären Resonanzspule 13b geschaltet. Die primäre Spule 13a ist durch elektromagnetische Induktion mit der primären Resonanzspule 13b gekoppelt. Wechselstromenergie, die aus der Hochfrequenzenergieversorgung 11 zu der primären Spule 13a zugeführt wird, wird weiter durch elektromagnetische Induktion zu der primären Resonanzspule 13b zugeführt.
Wie es in 2 gezeigt ist, weist die primäre Anpassungseinheit 12 zwei variable Kondensatoren 15 und 16 sowie eine Induktivität 17 auf, die eine variable Reaktanz bilden. Der variable Kondensator 15 ist parallel zu der Hochfrequenzenergieversorgung 11 geschaltet. Der variable Kondensator 16 ist parallel zu der primären Spule 13a geschaltet. Die Induktivität 17 ist zwischen den zwei variablen Kondensatoren 15 und 16 geschaltet. Die primäre Anpassungseinheit 12 variiert die Kapazität jedes der variablen Kondensatoren 15 und 16, um deren Impedanz zu ändern. Die variablen Kondensatoren 15 und 16 weisen eine bekannte Konfiguration auf, bei der (nicht gezeigte) Drehwellen durch Motoren angetrieben werden. Die Motoren werden entsprechend einem Antriebssignal aus der Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 angetrieben.
Ein Spannungssensor 18, der als Eingangsimpedanzmesseinheit dient, ist parallel zu der primären Spule 13a geschaltet.
Die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 weist eine CPU und einen Speicher auf. Der Speicher speichert ein Kennfeld oder einen Beziehungsausdruck, die anhand von Daten erhalten werden, die die Beziehung des Abstands zwischen der primären Resonanzspule 13b und einer sekundären Resonanzspule 21b und einer Eingangsimpedanz des Resonanzsystems zeigen, wenn die Hochfrequenzenergieversorgung 11 Wechselstrom mit einer vorbestimmten Frequenz ausgibt. Die Daten werden vorab durch Experimente erhalten. Während der Abstandserfassung erfasst die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 die Spannung über den zwei Anschlüssen der primären Spule 13a mit dem Spannungssensor 18, um die Eingangsimpedanz zu messen. Auf der Grundlage der erfassten Eingangsimpedanz und des Kennfeldes oder des Beziehungsausdrucks berechnet die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 den Abstand zwischen den primären und sekundären Resonanzspulen 13b und 21b. Die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 fungiert als Abstandsberechnungseinrichtung (Abstandscomputer). Weiterhin bilden die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 und der Spannungssensor 18 eine Abstandserfassungseinrichtung.
Wie es in 1 gezeigt ist, weist die Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 eine sekundäre Spuleneinheit 21, eine sekundäre Anpassungseinheit 22, einen Gleichrichter 23, eine Ladeeinrichtung 24, eine wiederaufladbare Batterie 25, die mit der Ladeeinrichtung 24 verbunden ist und die als eine Energiespeichervorrichtung dient, eine Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 und einen Anschlusswiderstand 27 auf. Ein Schalter SW verbindet selektiv die sekundäre Spuleneinheit 21 mit dem Anschlusswiderstand 27 oder der sekundären Anpassungseinheit 22. Genauer schaltet der Schalter SW zwischen einem Zustand, in dem der Anschlusswiderstand 27 mit der sekundären Spuleneinheit 21 verbunden ist, während die sekundäre Anpassungseinheit 22, der Gleichrichter 23, die Ladeeinrichtung 24 und die wiederaufladbare Batterie 25 von der sekundären Spuleneinheit getrennt sind, und einem Zustand, in dem die sekundäre Anpassungseinheit 22, der Gleichrichter 23, die Ladeeinrichtung 24 und die wiederaufladbare Batterie 25 mit der sekundären Spuleneinheit 21 verbunden sind, während der Anschlusswiderstand 27 von der sekundären Spuleneinheit 21 getrennt ist.
Wie es in 2 gezeigt ist, weist die sekundäre Spuleneinheit 21 eine sekundäre Spule 21a und eine sekundäre Resonanzspule 21b auf. Die sekundäre Spule 21a ist koaxial mit der sekundären Resonanzspule 21b angeordnet, und ein Kondensator C ist mit der sekundären Resonanzspule 21b verbunden. Die sekundäre Spule 21a ist durch elektromagnetische Induktion mit der sekundären Resonanzspule 21b verbunden. Wechselstromenergie, die aus der primären Resonanzspule 13b zu der sekundären Resonanzspule 21b zugeführt wird, wird weiter der sekundären Spule 21a durch elektromagnetische Induktion zugeführt. Der Schalter SW verbindet selektiv die Sekundärspule 21a mit dem Anschlusswiderstand 27 oder der sekundären Anpassungseinheit 22.
Wie es in 2 gezeigt ist, weist die sekundäre Anpassungseinheit 22 zwei variable Kondensatoren 28 und 29 sowie eine Induktivität 30 auf, die eine variable Reaktanz bilden. Der variable Kondensator 28 wird parallel zu der sekundären Spule 21a über den Schalter SW geschaltet. Der variable Kondensator 29 ist mit dem Gleichrichter 23 verbunden. Die sekundäre Anpassungseinheit 22 variiert die Kapazität jedes der variablen Kondensatoren 28 und 29, um deren Impedanz zu ändern. Ein (nicht gezeigter) Motor treibt die variablen Kondensatoren 28 und 29 entsprechend einem Antriebssignal aus der Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 an.
Die Ladeeinrichtung 24 weist einen (nicht gezeigten) Gleichspannungswandler auf, der den durch den Gleichrichter 23 gleichgerichteten Strom in eine Spannung umwandelt, die zum Laden der wiederaufladbaren Batterie 25 geeignet ist. Die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 steuert ein Schaltelement in dem Gleichspannungswandler der Ladeeinrichtung 24 während des Ladens.
Die Anzahl der Wicklungen und der Wicklungsdurchmesser der primären Spule 13a, der primären Resonanzspule 13b, der sekundären Resonanzspule 21b und der sekundären Spule 21a sind entsprechend der Energie eingestellt, die von der Energie zuführenden Ausrüstung 10 zu der Ausrüstung an dem beweglichen Körper 20 zugeführt (übertragen) wird. Der Schalter SW ist ein Umschaltkontakt-Relais. In 1 und 2 ist das Relais als eine Umschaltkontakt- oder Kontaktbauart gezeigt. Jedoch kann das Relais auch eine kontaktlose Bauart sein, die ein Halbleiterelement verwendet.
Die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 und die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 kommunizieren miteinander über eine drahtlose Kommunikationsvorrichtung. Die Energiespeichersteuerungseinrichtung 14 und die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 tauschen notwendige Informationen während einer Zeitdauer von dem Zeitpunkt an, wenn das Fahrzeug an einer vorbestimmten Ladeposition geparkt wird, an der die Energiezufuhrausrüstung 10 ein Laden durchführt, bis zum Zeitpunkt aus, wenn das Laden endet. Eine (nicht gezeigte) Mitteilungseinheit ist in dem Fahrzeug angeordnet, um einen Fahrer mitzuteilen, dass der Abstand von dem Fahrzeug zu der Energiezufuhrausrüstung 10 für die Energiezufuhrausrüstung 10 geeignet ist, eine effiziente berührungslose Energiezufuhr durchzuführen. Es ist vorzuziehen, dass die Mitteilungseinheit eine Anzeige ist, die dem Fahrer ermöglicht, visuell zu erkennen, wenn das Fahrzeug an der Position sich befindet, an der der geeignete Abstand erhalten wird. Die Mitteilungseinheit kann ebenfalls eine Vorrichtung sein, die eine Sprachausgabe verwendet, um eine hörbare Erkennung zu ermöglichen. Wenn das Fahrzeug an der Ladeposition geparkt wird, steuert die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 die Mitteilungseinheit auf der Grundlage von Abstandsinformationen aus der Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 an.
Wenn die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 den Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b mit der Energiezufuhrausrüstung 10 erfasst, verbindet der Schalter SW die sekundäre Spule 21a mit dem Anschlusswiderstand 27. Wenn die Abstandserfassung endet, schaltet der Schalter SW die Verbindung der sekundären Spule 21a mit der sekundären Anpassungseinheit 22.
Der Betrieb des berührungslosen Energiezufuhrsystems der Resonanzbauart ist nachstehend beschrieben.
Beim Laden der in dem Fahrzeug eingebauten wiederaufladbaren Batterie 25 muss das Fahrzeug an einer Ladeposition geparkt sein, an der die sekundäre Resonanzspule 21b und die primäre Resonanzspule 13b um einen vorbestimmten Abstand voneinander getrennt sind. Somit erfasst die Energiezufuhrausrüstung 10 den Abstand zwischen der sekundären Resonanzspule 21b und der primären Resonanzspule 13b bevor Energie aus der Energiezufuhrausrüstung 10 zu der Ladeeinrichtung 24 der Ausrüstung am beweglichen Körper 20 zugeführt wird.
Genauer schaltet die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 den Schalter SW auf einen Zustand, in dem die sekundären Spuleneinheit 21 und der Anschlusswiderstand 27 verbunden sind, und informiert die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 bezüglich eines derartigen Zustands. Wenn die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 erkennt, dass der Anschlusswiderstand 27 mit der sekundären Spuleneinheit 21 verbunden worden ist, startet die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 die Erfassung des Abstands zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b. In einem Zustand, in dem die Hochfrequenzenergieversorgung 11 Wechselspannungsenergie mit einer vorbestimmten Frequenz ausgibt, berechnet die Energieversorgungseinrichtung 14 die Eingangsimpedanz der primären Spule 13a auf der Grundlage des Erfassungssignals des Spannungssensors 18. Dann erfasst (berechnet) die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 den Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b auf der Grundlage des Werts der Eingangsimpedanz und des Kennfeldes oder des Beziehungsausdrucks. Die Abstandsinformationen werden zu der Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 übertragen.
Die Abstandserfassung wird selbst dann durchgeführt, wenn die sekundäre Anpassungseinheit 22, der Gleichrichter 23, die Ladeeinrichtung 24 und die wiederaufladbare Batterie 25 in dem Resonanzsystem vorhanden sind. Jedoch beeinträchtigen diese Elemente die Impedanz des Resonanzsystems. Insbesondere beeinträchtigen Änderungen in dem Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie 25 die Impedanz des Resonanzsystems stark. Somit verschlechtert sich die Genauigkeit der Abstandserfassung, wenn die sekundäre Anpassungseinheit 22, der Gleichrichter 23, die Ladeeinrichtung 24 und die wiederaufladbare Batterie 25 in dem Resonanzsystem vorhanden sind. Jedoch wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Resonanzsystem mit dem von diesen Elementen getrennten Anschlusswiderstand 27 verbunden. Somit beeinträchtigen diese Elemente die Impedanz des Resonanzsystems nicht. Dies erhöht die Genauigkeit der Abstandserfassung, und die Erfassung des Abstands zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b wird genau.
Die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 vergleicht die Abstandsinformationen aus der Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 mit dem Abstand, der für eine effiziente berührungslose Energieübertragung, die während des Ladens durch die Energiezufuhrausrüstung 10 durchzuführen ist, geeignet ist. Dann steuert die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 die Mitteilungseinheit an. Der Fahrer des Fahrzeugs prüft die Mitteilungseinheit und stoppt das Fahrzeug an einer Position, an der das Fahrzeug effizient sich der berührungslosen Energiezufuhr unterziehen kann, die durch die Energiezufuhrausrüstung 10 durchgeführt wird.
Wenn das Fahrzeug die vorbestimmte Parkposition erreicht, beendet die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 die Abstandserfassung und teilt der Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 mit, dass die Abstandserfassung beendet ist. Wenn die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 erkennt, dass die durch die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 durchgeführte Abstandserfassung beendet ist, schaltet die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 den Schalter SW auf einen Zustand, der die sekundäre Spuleneinheit 21 mit der sekundären Anpassungseinheit 22 verbindet. Dann informiert die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 über die geschaltete Verbindung.
Danach wird, bevor das Laden durchgeführt wird, eine Energieübertragungsanpassung durchgeführt. Das heißt, an der Parkposition des Fahrzeugs werden die primäre Anpassungseinheit 12 und die sekundäre Anpassungseinheit 22, wenn notwendig, justiert, so dass der Resonanzzustand des Resonanzsystems zufriedenstellend wird. Dann wird das Laden gestartet.
Darauffolgend legt die Hochfrequenzenergieversorgung 11 der Energiezufuhrausrüstung 10 eine Wechselspannung mit der Resonanzfrequenz an die Primärspule 13a an, und die primäre Resonanzspule 13b versorgt die sekundäre Resonanzspule 21b mit Energie durch berührlose Resonanz. Die durch die sekundäre Resonanzspule 21b empfangene Energie wird der Ladeeinrichtung 24 über die sekundäre Anpassungseinheit 22 und den Gleichrichter 23 zugeführt, um die wiederaufladbare Batterie 25 zu laden, die mit der Ladeeinrichtung 24 verbunden ist. Wenn das Laden startet, ändert sich der Ladezustand der wiederaufladbaren Batterie 25 und ändert sich die Impedanz. Dies verändert die Impedanz des Resonanzsystems aus einem korrekten Zustand heraus. Auf der Grundlage des Kennfeldes oder des Beziehungsausdrucks, die in dem Speicher gespeichert sind, die die Beziehung des Ladezustands der wiederaufladbaren Batterie 25 und der für den Ladezustand geeigneten Impedanz angeben, justiert die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 die sekundäre Anpassungseinheit 22 derart, dass die Impedanz dem Ladezustand entspricht. Dann wird Laden in einem korrekten Zustand durchgeführt. Die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 bestimmt, dass das Laden abgeschlossen worden ist, wenn beispielsweise eine vorbestimmte Zeit seit dem Zeitpunkt verstrichen ist, zu dem die Spannung der wiederaufladbaren Batterie 25 gleich einer vorbestimmten Spannung wird. Wenn das Laden endet, überträgt die Fahrzeugsteuerungseinrichtung 26 ein Ladeabschlusssignal zu der Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14. Wenn das Ladeabschlusssignal empfangen wird, beendet die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 die Energieübertragung.
Das vorstehende Ausführungsbeispiel hat die nachstehend beschriebenen Vorteile.

(1) Das berührungslose Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart ist versehen mit der Energiezufuhrausrüstung 10, die die Wechselspannungsenergieversorgung (Hochfrequenzenergieversorgung 11) und die primäre Resonanzspule 13b aufweist, die mit Energie aus der Wechselspannungsenergieversorgung versorgt wird, und der Ausrüstung des beweglichen Körpers 20, die mit Energie aus der Energiezufuhrausrüstung 10 in berührungsloser Weise versorgt wird. Die Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 weist die sekundäre Resonanzspule 21b, der Energie aus der primären Resonanzspule 13b zugeführt wird, den. Gleichrichter 23, der die aus der sekundären Resonanzspule 21b empfangene Energie gleich richtet, die Ladeeinrichtung 24, der gleichgerichtete Energie aus dem Gleichrichter 23 zugeführt wird, und die Energiespeichervorrichtung (wiederaufladbare Batterie 25) auf, die mit der Ladeeinrichtung 24 verbunden ist. Die Energiezufuhrausrüstung 10 weist die Abstandserfassungseinrichtung auf, die den Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b erfasst. Die Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 weist den Anschlusswiderstand 27 auf, der durch den Schalter SW mit der sekundären Spuleneinheit 21 verbindbar ist. Wenn der Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b in der Energiezufuhrausrüstung 10 erfasst wird, verbindet der Schalter SW den Anschlusswiderstand 27 mit der sekundären Spuleneinheit 21 und trennt den Gleichrichter 23, die Ladeeinrichtung 24 und die Energiespeichervorrichtung von der sekundären Spuleneinheit 21. Wenn die Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 Energie empfängt, verbindet der Schalter SW den Gleichrichter 23, die Ladeeinrichtung 24 und die Energiespeichervorrichtung mit der sekundären Spuleneinheit 21 und trennt den Anschlusswiderstand von der sekundären Spuleneinheit 21. Dementsprechend erfasst die Energiezufuhrseite genau den Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b, die sich auf der Energiezufuhrseite befindet, und der sekundären Resonanzspule 21b, die in dem beweglichen Körper angeordnet ist, der als die Energieempfangsseite dient. Somit wird Energie effizient von der Energiezufuhrseite zu der Energieempfangsseite zugeführt.
(2) Während der Abstandserfassung verbindet der Schalter SW die sekundäre Spuleneinheit 21 elektrisch direkt mit dem Anschlusswiderstand 27. Dementsprechend wird im Vergleich dazu, dass die sekundäre Anpassungseinheit 22 zwischen der sekundären Spuleneinheit 21 und dem Anschlusswiderstand 27 während der Abstandserfassung angeordnet ist, die Genauigkeit zum Messen der Eingangsimpedanz des Resonanzsystems verbessert.
(3) Die Energiezufuhrausrüstung 10 weist die primäre Anpassungseinheit 12 auf, und die Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 weist die sekundäre Anpassungseinheit 22 auf. Dementsprechend werden nach der Erfassung des Abstands zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b, wenn Energie aus der Energiezufuhrausrüstung 10 zu der Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 zugeführt wird, um die wiederaufladbare Batterie 25 zu laden, die primäre Anpassungseinheit 12 und die sekundäre Anpassungseinheit 22 justiert, wenn notwendig, um das Resonanzsystem auf einen zufriedenstellenden Resonanzzustand zu justieren.
(4) Das Fahrzeug, in dem die Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 eingebaut ist, weist die Mitteilungseinheit auf, die den Fahrer mitteilt, wenn der durch die Energiezufuhrausrüstung 10 erfasste Abstand zum effizienten Empfangen von Energie in einer berührungslosen Weise von der Energiezufuhrausrüstung geeignet ist. Dementsprechend kann der Fahrer leicht das Fahrzeug bewegen und dieses an der Ladeposition parken.

Es ist für den Fachmann klar, dass die vorliegende Erfindung in vielerlei anderen spezifischen Formen ohne Abweichen von dem Gedanken oder dem Umfang der Erfindung verkörpert werden kann. Insbesondere sollte verständlich sein, dass die vorliegende Erfindung in den nachfolgenden Formen verkörpert werden kann.
Während der Abstandserfassung muss der Schalter SW nicht notwendigerweise die sekundäre Spuleneinheit 21 direkt mit dem Anschlusswiderstand 27 verbinden, und die sekundäre Anpassungseinheit 22 kann zwischen dem Schalter SW und der sekundären Spuleneinheit 21 angeordnet sein. Beispielsweise kann, wie es in 3 gezeigt ist, der Schalter SW die sekundäre Anpassungseinheit 22 auf einen mit dem Anschlusswiderstand 27 verbundenen Zustand schalten, und auf einen mit dem Gleichrichter 23 verbundenen Zustand schalten. In diesem Fall verbinden während der Abstandserfassung in dem Resonanzsystem die sekundäre Anpassungseinheit 22 und der Schalter SW den Anschlusswiderstand 27 mit der sekundären Spuleneinheit 21. Weiterhin sind der Gleichrichter 23, die Ladeeinrichtung 24 und die wiederaufladbare Batterie 25 von dem Resonanzsystem getrennt. In diesem Fall wird während der Abstandserfassung jeder der variablen Kondensatoren 28 und 29 in der sekundären Anpassungseinheit 22 auf eine vorab eingestellte Kapazität justiert. Jedoch ist es mehr vorzuziehen, dass die sekundäre Spuleneinheit 21 direkt mit dem Anschlusswiderstand während der Abstandserfassung verbunden wird.
Zur Durchführung der berührungslosen Energiezufuhr zwischen der Energiezufuhrausrüstung 10 und der Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 muss das berührungslose Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart nicht notwendigerweise die primäre Spule 13a, die primäre Resonanzspule 13b, die sekundäre Spule 21a und die sekundäre Resonanzspule 21b alle aufweisen. Das berührungslose Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart benötigt lediglich die primäre Resonanzspule 13b und die sekundäre Resonanzspule 21b. Genauer kann anstelle des Bildens der primären Spuleneinheit 13 mit der primären Spule 13a und der primären Resonanzspule 13b die primäre Resonanzspule 13b durch die primäre Anpassungseinheit 12 mit der Hochfrequenzenergieversorgung 11 verbunden sein. Weiterhin kann anstelle des Bildens der sekundären Spuleneinheit 21 mit der sekundären Spule 21a und der sekundären Resonanzspule 21b die sekundäre Resonanzspule 21b durch die sekundäre Anpassungseinheit 22 oder dergleichen mit dem Gleichrichter 23 verbunden sein. Jedoch ist stärker vorzuziehen, dass das berührungslose Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart die primäre Spule 13a, die primäre Resonanzspule 13b, die sekundäre Spule 21a und die sekundäre Resonanzspule 21b alle aufweist. Dies erleichtert eine Justierung des Resonanzzustands und behält leicht einen Resonanzzustand bei, selbst wenn der Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b ansteigt.
Wenn die primäre Spule 13a weggelassen wird, misst der Spannungssensor 18, der die Abstandserfassungseinrichtung bildet, die Spannung zwischen den zwei Anschlüssen der primären Resonanzspule 13b. Weiterhin erfasst die Energieversorgungs-Steuerungseinrichtung 14 den Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b anhand eines Kennfeldes oder eines Beziehungsausdrucks, die die Beziehung der gemessenen Spannung und den Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b angeben. Die primäre Anpassungseinheit 12 der Energiezufuhrausrüstung 10 und die sekundäre Anpassungseinheit 22 der Ausrüstung des beweglichen Körpers 22 kann weggelassen werden. Jedoch ist es vorzuziehen, dass die primäre Anpassungseinheit 12 und die sekundäre Anpassungseinheit 22 vorhanden sind, da die Energie effizient von der Energiezufuhrseite zu der Energieempfangsseite zugeführt werden, wenn die Impedanz des Resonanzsystems fein justiert wird.
Das Fahrzeug, das als der bewegliche Körper dient, ist nicht auf ein Fahrzeug begrenzt, das einen Fahrer benötigt, sondern kann ein automatisiertes Fahrzeug sein.
Der bewegliche Körper ist nicht auf ein Fahrzeug begrenzt, und kann ein Roboter sein. In einem derartigen Fall weist der Roboter eine Steuerungseinrichtung auf, die auf Daten bezüglich des Abstandes zugreift, der durch die Energiezufuhrausrüstung 10 erfasst wird. Die Steuerungseinrichtung stoppt den Roboter, wenn der Abstand zwischen der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b für die Energiezufuhrausrüstung 10 zum effizienten Durchführen der berührungslosen Energiezufuhr geeignet wird.
Die primäre Anpassungseinheit 12 und die sekundäre Anpassungseinheit 22 müssen nicht zwei variable Kondensatoren und eine Induktivität aufweisen. Beispielsweise kann eine Anpassungseinheit eine variable Induktivität aufweisen, die als die Induktivität dient. Alternativ dazu kann die Anpassungseinheit eine variable Induktivität und zwei nicht variable Kondensatoren aufweisen.
Die Hochfrequenzenergieversorgung 11 kann derart gebildet sein, dass die Frequenz der ausgegebenen Wechselspannung variabel oder invariabel ist.
Die wiederaufladbare Batterie 25 kann ohne Anordnung einer Hochsetzschaltung in der Ladeeinrichtung 24 geladen werden. In diesem Fall wird die wiederaufladbare Batterie 25 lediglich durch Gleichrichten des aus der sekundären Spuleneinheit 21 ausgegebenen Wechselstroms mit dem Gleichrichter 23 geladen.
Die Ladeeinrichtung 24 kann bei der Ausrüstung des beweglichen Körpers 20 weggelassen werden. In diesem. Fall wird die durch den Gleichrichter 23 gleichgerichtete Energie direkt der wiederaufladbaren Batterie 25 zugeführt. Ungeachtet davon, ob die Ladeeinrichtung 24 weggelassen wird oder nicht, kann die Energiezufuhrausrüstung 10 eingerichtet sein, die Ausgangsenergie der Hochfrequenzenergiequelle 11 zu justieren.
Die Durchmesser der primären Spule 13a und der sekundären Spule 21a müssen nicht dieselben wie die Durchmesser der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b sein. Die Durchmesser der primären Spule 13a und der sekundären Spule 21a können kleiner oder größer als die Durchmesser der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b sein.
Die primäre Resonanzspule 13b und die sekundäre Resonanzspule 21b müssen nicht jeweils ein schraubenartig gewickelter Draht sein und können ein Draht sein, der spiralförmig in einer Ebene gewickelt ist.
Anstelle dass der Gleichrichter 23 und die Ladeeinrichtung 24 unabhängig voneinander angeordnet sind, kann der Gleichrichter 23 in die Ladeeinrichtung 24 integriert sein.
Die Energiespeichervorrichtung ist nicht auf die wideraufladbare Batterie 25 begrenzt, solange wie sie eine Gleichspannungsenergieversorgung ist, die geladen und entladen werden kann. Beispielsweise kann die Energiespeichervorrichtung ein Kondensator mit einer hohen Kapazität sein.
Die mit der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b verbundenen Kondensatoren C können weggelassen werden. Jedoch ermöglicht die Verbindung der Kondensatoren C eine Verringerung der Resonanzfrequenz, wohingegen die Resonanzfrequenz nicht verringert werden könnte, wenn die Kondensatoren C weggelassen sind. Weiterhin ermöglicht, solange die Resonanzfrequenz dieselbe ist, eine Verbindung der Kondensatoren C eine Verkleinerung der primären Resonanzspule 13b und der sekundären Resonanzspule 21b, wohingegen eine derartige Verkleinerung schwierig wäre, wenn die Kondensatoren C weggelassen sind.
Die vorliegenden Bespiele und Ausführungsbeispiele sind lediglich als veranschaulichend und nicht beschränkend zu betrachten, und die Erfindung ist nicht auf die hier dargestellten Einzelheiten begrenzt, sondern kann innerhalb des Umfangs und Äquivalenz der beigefügten Patentansprüche modifiziert werden.

Claims

Berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart, das Energie durch eine primärseitige Resonanzspule und eine sekundärseitige Resonanzspule zuführt, wobei das berührungslose Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart aufweist: eine Energiezufuhrausrüstung mit einer Wechselspannungsenergieversorgung, einer Primärspuleneinheit, die die primäre Resonanzspule aufweist, und einer Abstandserfassungseinrichtung, wobei die primäre Resonanzspule Energie aus der Wechselspannungsenergieversorgung empfängt und die Abstandserfassungseinrichtung den Abstand zwischen der primären Resonanzspule und der sekundären Resonanzspule erfasst, und einer Ausrüstung an einem beweglichen Körper mit einer sekundären Spuleneinheit, die die sekundäre Resonanzspule aufweist, einem Gleichrichter, einer Energiespeichervorrichtung, einem Schalter und einem Anschlusswiderstand, der durch den Schalter mit der sekundären Spuleneinheit verbindbar ist, wobei die sekundäre Resonanzspule Energie aus der primären Resonanzspule empfängt, der Gleichrichter die durch die sekundäre Resonanzspule empfangene Energie gleichrichtet, und der Energiespeichervorrichtung die durch den Gleichrichter gleichgerichtete Energie zugeführt wird, wobei, wenn die Abstandserfassungseinrichtung den Abstand erfasst, der Schalter den Anschlusswiderstand mit der sekundären Spuleneinheit verbindet und den Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung von der sekundären Spuleneinheit trennt, und, wenn die Ausrüstung an dem beweglichen Körper Energie empfängt, der Schalter den Gleichrichter und die Energiespeichervorrichtung mit der sekundären Spuleneinheit verbindet und den Anschlusswiderstand von der sekundären Spuleneinheit trennt.
Berührungsloses Energiezufuhrsystem nach Anspruch 1, wobei die Abstandserfassungseinrichtung den Abstand zwischen der primären Resolnanzspule und der sekundären Resonanzspule auf der Grundlage einer Eingangsimpedanz eines Resonanzsystems erfasst, wenn die Wechselspannungsenergieversorgung Wechselspannungsenergie ausgibt, und das Resonanzsystem die primäre Spuleneinheit und die sekundäre Spuleneinheit aufweist.
Berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Abstandserfassungseinrichtung einen parallel zu der primären Spuleneinheit geschalteten Spannungssensor aufweist.
Berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Ausrüstung an dem beweglichen Körper in einem Fahrzeug eingebaut ist.
Berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart nach Anspruch 4, wobei das Fahrzeug eine Mitteilungseinheit aufweist, die einen Fahrer mitteilt, dass der durch die Abstandserfassungseinrichtung erfasste Abstand zum effizienten Empfangen von Energie aus der Energiezufuhrausrüstung geeignet ist.
Berührungsloses Energiezufuhrsystem der Resonanzbauart nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Ausrüstung einen beweglichen Körper weiterhin eine Ladeeinrichtung aufweist, die zwischen dem Gleichrichter und der Energiespeichervorrichtung vorgesehen ist, wobei der Ladeeinrichtung die durch den Gleichrichter gleichgerichtete Energie zugeführt wird und die Energiespeichervorrichtung mit der Ladeeinrichtung verbunden ist.