DE112016001489T5 - Drahtlos-energieempfangsvorrichtung und drahtlosenergieübertragungsvorrichtung - Google Patents

Drahtlos-energieempfangsvorrichtung und drahtlosenergieübertragungsvorrichtung Download PDF

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Kota Arasaki
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Abstract

Vorgesehen ist eine Vorrichtung zum drahtlosen Empfang elektrischer Energie und eine Vorrichtung zum drahtlosen Übertragen von elektrischer Energie, wobei das Auftreten eines Verlusts aufgrund von Blindleistung während des normalen Betriebs minimiert wird, während ein Schaltungselement im Falle einer Überspannung geschützt ist. Eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 ist versehen mit: einem energieempfangsseitigen Spannungsdetektor 230 zum Erfassen der Ausgangsspannung einer Gleichrichterschaltung 220; einer Kurzschlussschaltung 240 mit Schaltelementen SW5, SW6, die zwischen dem Ausgangsteil eines energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Ausgangsteil der Gleichrichterschaltung 220 geschaltet sind, und Gleichrichterelementen D5, D6, die zwischen dem Ausgangsteil des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und den Schaltelementen SW5, SW6 eingesetzt ist; sowie mit einer Steuerschaltung 250 zum Betätigen der Schaltelemente SW5, SW6 dann, wenn der Wert der von dem energieempfangsseitigen Spannungsdetektor 230 erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung und eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung.
  • HINTERGRUND
  • In den letzten Jahren wurde als Technik zum Laden einer wiederaufladbaren Batterie eines Elektrofahrzeugs eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung vorgeschlagen. Es gibt verschiedene Arten von Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtungen und es wird insbesondere ein Magnetresonanzverfahren für die oben genannte Anwendung verwendet.
  • Als solche Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung schlägt beispielsweise die Patentschrift 1 ein Drahtlos-Energiezuführsystem vor, das eine Wechselrichterschaltung, einen ersten LC-Parallelresonanz-Abschnitt, einen zweiten LC-Parallelresonanz-Abschnitt und eine Gleichrichterschaltung aufweist, wobei die Wechselrichterschaltung Gleichstrom in Wechselstrom umwandelt und diesen der Energiezuführspule überträgt, wobei der erste LC-Parallelresonanz-Abschnitt aus einer Energiezuführspule und einem ersten Kondensator gebildet ist, der parallel mit der Energiezuführspule vorgesehen ist, der zweite LC-Parallelresonanz-Abschnitt aus einer Energieempfangsspule und einem zweiten Kondensator gebildet ist, der parallel mit der Energieempfangsspule vorgesehen ist, und die Gleichrichterschaltung einen von der Energieempfangsspule empfangenden Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt.
  • Mittlerweile ist bekannt, dass bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung eine Fehlfunktion, wie etwa eine Überspannung, während der Stromzufuhr auftreten kann, und es wird eine Schutzschaltung vorgesehen, um das Schaltungselement vor einer solchen Fehlfunktion zu schützen. Beispielsweise schlägt die Patentschrift 2 eine Kurzschlusseinrichtung vor, bei der ein Schaltelement zum Schutz einer Gleichrichterschaltung vor Überspannung verwendet wird. Die in der Patentschrift 2 offenbarte Kurzschlusseinrichtung überwacht eine Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung und betätigt das Schaltelement, um einen Kurzschluss zu verursachen, wenn die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt, und schützt dadurch Schaltungselemente, die in einer Stufe nach der Gleichrichterschaltung angeordnet sind, vor der Überspannung. Ein Halbleiterelement wird als Schaltelement verwendet, das bei der Kurzschlusseinrichtung verwendet wird.
  • Patentschrift
    • Patentschrift 1: JP2014-033499A
    • Patentschrift 2: JP H11-027870A
  • DARSTELLUNG
  • Jedoch hat das als in der Patentschrift 2 offenbartes Schaltelement verwendete Halbleiterelement strukturell eine parasitäre Kapazität. Diese parasitäre Kapazität bildet eine Schleife, die mit zwei Enden eines energieempfangsseitigen Schwingkreises in einem Zustand verbunden ist, in welchem das Schaltelement ausgeschaltet ist, und es wird eine Blindleistung durch einen Strom erzeugt, der durch die parasitäre Kapazität fließt, wodurch das Problem eines verschlechterten Leistungsfaktors entsteht. Mit anderen Worten muss dann, wenn die gleiche Leistung erhalten werden soll, eine größere Strommenge fließen, wodurch eine Verlustleistung erzeugt wird.
  • Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die obigen Probleme ersonnen und zielt darauf ab, eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung und eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung bereitzustellen, die Schaltungselemente schützt, wenn eine Überspannung auftritt, und das Entstehen einer Verlustleistung aufgrund einer Blindleistung während des Normalbetriebs unterdrückt.
  • Eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung, die drahtlos eine elektrische Energie von einer Drahtlos-Energiezuführvorrichtung empfängt, aufweisend: einen energieempfangsseitigen Schwingkreis, der mit einer Energieempfangsspule, die drahtlos Energie von einer Energiezuführseite empfängt, und mit einem energieempfangsseitigen Resonanzkondensator versehen ist, der mit der Energieempfangsspule verbunden ist; eine Gleichrichterschaltung, in welcher die von der Energieempfangsspule empfangene Energie gleichgerichtet wird, um an die Last ausgegeben zu werden; einen energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt zum Erfassen der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung; eine Kurzschlusseinrichtung, die mit einem Schaltelement, das zwischen einem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und einem Ausgangsabschnitt der Gleichrichterschaltung geschaltet ist, und mit einem Gleichrichterelement versehen ist, das zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und dem Schaltelement eingesetzt ist; und eine Steuerschaltung, welche das Schaltelement betätigt, wenn der Wert der von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das Schaltelement der Kurzschlusseinrichtung betätigt, wenn der Wert der von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt. Dazu werden zwei Enden der Energieempfangsspule des energieempfangsseitigen Schwingkreises kurzgeschlossen. Im Ergebnis kann die erzeugte Überspannung nicht an die Stufe nach dem energieempfangsseitigen Schwingkreis ausgegeben werden und dadurch können die in einer Stufe nach dem energieempfangsseitigen Schwingkreis angeordneten Schaltungselemente geschützt werden. Da zudem ein Gleichrichterelement zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und dem Schaltelement eingesetzt ist, wird der Strompfad zur parasitären Kapazität des Schaltelements abgetrennt und es wird die Entladung der parasitären Kapazität unterdrückt. Im Ergebnis kann die Entstehung einer Verlustleistung aufgrund der Blindleistung während des Normalbetriebs unterdrückt werden.
  • Vorzugsweise kann die Gleichrichterschaltung mit einer brückenartigen Schaltung versehen sein, in welcher vier Dioden zur Vollbrücke geschaltet sind, sowie mit einem Glättungskondensator, der parallel mit der brückenartigen Schaltung geschaltet ist. In diesem Fall kann der Wirkungsgrad der Stromversorgung verbessert werden.
  • Vorzugsweise ist die Steuerschaltung dazu ausgebildet, ein Unterbrechungssignal zum Unterbrechen des Energiezuführbetriebs zur Drahtlos-Energiezuführvorrichtung zu übertragen, und zwar gleichzeitig oder unmittelbar nachdem die Steuerschaltung das Schaltelement betätigt. In diesem Fall wird dann, wenn der Wert der von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt, der Betrieb der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung unterbrochen, so dass es möglich ist, die Schaltungselemente der gesamten Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung zu schützen. Da der Betrieb der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung unterbrochen wird, wird zudem die Zeitdauer zum Anlegen eines Stroms an die Kurzschlusseinrichtung unterdrückt, so dass die Kurzschlusseinrichtung geschützt werden kann.
  • Vorzugsweise kann ferner eine Transformationsschaltung zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung vorgesehen sein. In diesem Fall ist es möglich, die Schaltungselemente zu schützen, wenn eine Überspannung auftritt, und eine gewünschte Spannung/Strom von einem energieempfangsseitigen Schwingkreis durch Ändern des Transformationsverhältnisses der Transformationsschaltung während des Normalbetriebs auszugeben.
  • Vorzugsweise ist ferner eine Induktorschaltung zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung vorgesehen. In diesem Fall ist es möglich, das Schaltungselement zu schützen, wenn eine Überspannung auftritt, und ein Rauschen während des Normalbetriebs zu unterdrücken.
  • Die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist die oben genannte Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung und eine Drahtlos-Energiezuführvorrichtung auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung bereitzustellen, die Schaltungselemente schützt, wenn eine Überspannung auftritt, und das Entstehen einer Verlustleistung aufgrund von einer Blindleistung während des Normalbetriebs unterdrückt.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung und eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung bereitzustellen, welche Schaltungselemente schützen, wenn eine Überspannung auftritt, und das Entstehen einer Verlustleistung aufgrund einer Blindleistung während des Normalbetriebs unterdrücken.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • 2 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, die eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung gemäß einer herkömmlichen Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung zusammen mit einer Last zeigt.
  • 3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, die einen Strompfad zeigt, der von einer geschlossenen Schleife eines energieempfangsseitigen Schwingkreises und einer Kurzschlusseinrichtung aus 2 gebildet wird.
  • 4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, die einen Strompfad zeigt, der von einer geschlossenen Schleife eines energieempfangsseitigen Schwingkreises und einer Kurzschlusseinrichtung aus 1 gebildet wird.
  • 5a ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, die einen Strompfad zeigt, wenn das Schaltelement der Kurzschlusseinrichtung aus 1 ausgeschaltet ist.
  • 5b ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, die einen Strompfad zeigt, wenn das Schaltelement der Kurzschlusseinrichtung aus 1 eingeschaltet ist.
  • 6 ist Flussdiagramm, das einen Schutzbetrieb der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 7 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • 8a ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, die einen Strompfad zeigt, wenn das Schaltelement der Gleichrichterschaltung aus 7 ausgeschaltet ist.
  • 8b ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, die einen Strompfad zeigt, wenn das Schaltelement der Kurzschlusseinrichtung aus 7 eingeschaltet ist.
  • 9 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • 10 ist ein Flussdiagramm, das einen Schutzbetrieb einer Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 11 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung in der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • 12 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung in der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • 13 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung in der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • NÄHERE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
  • Die Ausführungsformen zum Ausführen der vorliegenden Erfindung werden anhand der Zeichnungen näher beschrieben. Zudem werden gleiche Zeichen für gleiche Elemente bzw. für Elemente mit den gleichen Funktionen verwendet und es werden Wiederholungen in der Beschreibung weggelassen.
  • (Erste Ausführungsform)
  • Zunächst wird anhand von 1 die Ausbildung einer Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 1 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • Wie in 1 gezeigt ist, ist die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 mit einer Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 und einer Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 versehen.
  • Die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 umfasst eine Stromversorgung 110, eine Wechselrichterschaltung 120 und einen energiezuführseitigen Schwingkreis 130. Die Stromversorgung 110 führt der Wechselrichterschaltung 120 einen Gleichstrom zu. Die Stromversorgung 110 ist nicht besonders eingeschränkt, solange sie Gleichstrom ausgibt, und sie kann eine Gleichstromversorgung sein, die durch Gleichrichten und/oder Glätten einer kommerziellen Wechselstromversorgung erhalten wird, oder ein Schaltnetzteil, wie etwa ein Schaltwandler oder dergleichen.
  • Die Wechselrichterschaltung 120 umfasst einen Wechselrichterabschnitt 121 und einen Schalter-Treiberabschnitt 122. Diese Wechselrichterschaltung 120 hat die Funktion, einen von der Stromversorgung 110 zugeführten Gleichstrom in einen Wechselstrom umzuwandeln. Insbesondere ist der Wechselrichterabschnitt 121 aus einem Schaltkreis gebildet, in welchen eine Vielzahl von Schaltelementen brückengeschaltet ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Schaltung eine vollbrückenartige Schaltung, die vier Schaltelemente SW1 bis SW4 verwendet. Als Beispiel für die Schaltelemente SW1 bis SW4 seien Elemente wie MOS-FET (Metalloxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor) oder IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) genannt. Bezugnehmend auf jedes der Schaltelemente SW1 bis SW4 wird der von der Stromversorgung 110 zugeführte Eingangsgleichstrom in einen Wechselstrom umgewandelt durch Auf-/Zusteuern eines jeden der Schaltelemente SW1 bis SW4 in Übereinstimmung mit den SW-Steuersignalen SG1 bis SG4, die von dem Schalter-Treiberabschnitt 122 bereitgestellt werden. Der durch die Wechselrichterschaltung 120 umgewandelte Wechselstrom wird der später beschriebenen Energiezuführspule L1 zugeführt.
  • Ein energiezuführseitiger Schwingkreis 130 umfasst eine Energiezuführspule L1 und energiezuführseitige Resonanzkondensatoren C10 und C11. Die Energiezuführspule L1 ist unter Verwendung eines Litzendrahts, der durch Verdrillen einer Vielzahl von dünnen Leitersträngen erhalten wird, oder eines einzelnen Drahtes ausgebildet. Als Energiezuführspule L1 sei beispielsweise eine planare Spule oder eine Magnetspule oder dergleichen genannt. Die Energiezuführspule L1 bildet einen LC-Schwingkreis zusammen mit energiezuführseitigen Resonanzkondensatoren C10 und C11. Die energiezuführseitigen Resonanzkondensatoren C10 und C11 sind durch Verbinden einer Vielzahl von Kondensatoren in Reihe und parallel gebildet und haben die Funktion, die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises abzustimmen. Der energiezuführseitige Resonanzkondensator C10 ist in Reihe mit einem Ende der Energiezuführspule L1 geschaltet und der energiezuführseitige Resonanzkondensator C11 ist in Reihe mit dem anderen Ende der Energiezuführspule L1 geschaltet. Als Beispiele für Kondensatoren, die als energiezuführseitige Resonanzkondensatoren C10 und C11 verwendet werden, sei ein Keramikkondensator oder dergleichen genannt. Zudem sind bei der vorliegenden Ausführungsform die energiezuführseitigen Resonanzkondensatoren C10 und C11 jeweils in Reihe mit der Energiezuführspule L1 geschaltet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann sie so ausgebildet sein, dass nur der energiezuführseitige Resonanzkondensator C10 in Reihe mit der Energiezuführspule L1 geschaltet ist, oder nur der energiezuführseitige Resonanzkondensator C10 parallel mit der Energiezuführspule L1 geschaltet ist, oder der energiezuführseitige Resonanzkondensator C10 in Reihe und der energiezuführseitige Resonanzkondensator C11 parallel mit der Energiezuführspule L1 geschaltet ist. Die derart ausgelegte Energiezuführspule L1 des energiezuführseitigen Schwingkreises 130 überträgt drahtlos einen von der Wechselrichterschaltung 120 umgewandelten Wechselstrom zur später beschriebenen Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200.
  • Die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 umfasst einen energieempfangsseitigen Schwingkreis 210, eine Gleichrichterschaltung 220, einen energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230, eine Kurzschlusseinrichtung 240 und eine Steuerschaltung 250. Dabei sind der energiezuführseitige Schwingkreis 130 der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 und der energieempfangsseitige Schwingkreis 210 der Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 magnetisch gekoppelt. Der der Energiezuführspule L1 des energiezuführseitigen Schwingkreises 130 von der Wechselrichterschaltung 120 zugeführte Wechselstrom regt eine induzierte elektromotorische Kraft in der nachstehenden Energieempfangsspule L2 des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 durch den Näherungsmagnetfeldeffekt an. Das bedeutet, die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 empfängt drahtlos Energie von der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100.
  • Der energieempfangsseitige Schwingkreis 210 umfasst eine Energieempfangsspule L2 und energieempfangsseitige Resonanzkondensatoren C20 und C21. Eine Energieempfangsspule L2 ist unter Verwendung eines Litzendrahts, der durch Verdrillen einer Mehrzahl von dünnen Leitersträngen erhalten wird, oder eines einzelnen Drahts ausgebildet. Als Energieempfangsspule L2 sei eine planare Spule, eine Magnetspule oder dergleichen genannt. Diese Energieempfangsspule L2 bildet einen LC-Schwingkreis zusammen mit den energieempfangsseitigen Resonanzkondensatoren C20 und C21. Die energieempfangsseitigen Resonanzkondensatoren C20 und C21 sind durch Verbinden einer Mehrzahl von Kondensatoren in Reihe und parallel ausgebildet und haben die Funktion, die Resonanzfrequenz des LC-Schwingkreises abzustimmen. Der energieempfangsseitige Resonanzkondensator C20 ist in Reihe mit einem Ende der Energieempfangsspule L2 geschaltet und der energieempfangsseitige Resonanzkondensator C21 ist in Reihe mit dem anderen Ende der Energieempfangsspule L2 geschaltet. Als Beispiele für die verwendeten Kondensatoren, die als energieempfangsseitige Resonanzkondensatoren C20 und C21 Verwendung finden, sei ein Keramikkondensator oder dergleichen genannt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die energieempfangsseitigen Resonanzkondensatoren C20 und C21 jeweils in Reihe mit der Energieempfangsspule L2 geschaltet, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann sie dadurch ausgebildet sein, dass nur der energieempfangsseitige Resonanzkondensator C20 in Reihe mit der Energieempfangsspule L2 oder nur der energieempfangsseitige Resonanzkondensator C20 parallel mit der Energieempfangsspule L2 geschaltet ist, oder der energieempfangsseitige Resonanzkondensator C20 in Reihe und der energieempfangsseitige Resonanzkondensator C21 parallel mit der Energieempfangsspule L2 geschaltet ist. Die Energieempfangsspule L2 des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210, die wie oben beschrieben ausgelegt ist, empfängt drahtlos Wechselstrom von der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100.
  • Die Gleichrichterschaltung 220 führt eine Gleichrichtung der von der Energieempfangsspule L2 des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 empfangenen Energie durch und gibt die gleichgerichtete Energie an die Last RL aus. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht die Gleichrichterschaltung 220 aus einer brückenartigen Schaltung und einem Glättungskondensator C2, der parallel mit der brückenartigen Schaltung geschaltet ist, wobei bei der brückenartigen Schaltung vier Dioden (Gleichrichterelemente) D1 bis D4 zu einer Vollbrücke verschaltet sind. Das bedeutet, die Gleichrichterschaltung 220 hat die Funktion einer Vollwellengleichrichtung des vom energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 gelieferten Wechselstroms. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist eine brückenartige Schaltung aus einem Ausgangsende des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 gebildet, das mit den Mittelpunkten zwischen der Anode der Diode D1 und der Kathode der Diode D2 verbunden wird, und das andere Ausgangsende des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 wird mit den Mittelpunkten zwischen der Anode der Diode D3 und der Kathode der Diode D4 verbunden. Der Glättungskondensator C2 glättet die gleichgerichtete Spannung, um eine Gleichspannung zu erzeugen. Bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet die Gleichrichterschaltung 220 eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung, jedoch ist sie darauf nicht beschränkt. Sie kann aus einer Halbwellen-Gleichrichterschaltung gebildet sein, die eine Diode und einen Glättungskondensator besitzt, der parallel mit der Kathode der Diode geschaltet ist, oder eine Schaltung mit Mittenabgriff, die zwei Dioden und einen Glättungskondensator aufweist, der parallel mit den Kathoden der beiden Dioden geschaltet ist. Wenn die Gleichrichterschaltung 220 aus einer Vollwellen-Gleichrichterschaltung besteht, kann die Nutzungseffizienz der Stromversorgung verbessert werden.
  • Der energieempfangsseitige Spannungserfassungsabschnitt 230 erfasst die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 220. Insbesondere wird die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 220 unter Verwendung von Verfahren wie Spannungsteilung/Verstärkung in ein Niedrigspannungssignal umgewandelt, und die Ausgangsspannung wird unter Verwendung dieses Signals erfasst. Der energieempfangsseitige Spannungserfassungsabschnitt 230 vergleicht einen vorbestimmten Referenzspannungswert mit der erfassten Ausgangsspannung und überträgt das Ausgangssignal SG 5 an die Steuerschaltung 250, die später beschrieben wird, wenn die Ausgangsspannung den Referenzspannungswert übersteigt.
  • Die Kurzschlusseinrichtung 240 hat die Funktion, zu bewirken, dass zwei Enden der Energieempfangsspule L2 kurzgeschlossen werden, wenn die von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfasste Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 220 einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt. Insbesondere hat die Kurzschlusseinrichtung 240 die Funktion, zu bewirken, dass die Diode D2 und die Diode D4 kurzgeschlossen werden. Die Kurzschlusseinrichtung 240 führt einen Kurzschluss auf Grundlage des von der Steuerschaltung 250 übertragenen Ansteuersignals SG6 durch. Die Kurzschlusseinrichtung 240 besteht aus Schaltelementen SW5 und SW6 und Gleichrichterelementen D5 und D6.
  • Die Schaltelemente SW5 und SW6 sind zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Ausgangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 geschaltet. Insbesondere ist das Schaltelement SW5 parallel mit der Diode D4 geschaltet und das Schaltelement SW6 ist parallel mit der Diode D2 geschaltet. Die Schaltelemente SW5 und SW6 haben eine Einschalt-/Ausschaltfunktion in Reaktion auf das von der später beschriebenen Steuerschaltung 250 empfangene Ansteuersignal SG6. Das bedeutet, wenn die Schaltelemente SW5 und SW6 eingeschaltet sind, dann werden die Dioden D2 und D4 kurzgeschaltet, und es wird keine Spannung in der Gleichrichterschaltung 220 erzeugt. Wenn umgekehrt die Schaltelemente SW5 und SW6 ausgeschaltet sind, arbeitet die Gleichrichterschaltung 220 als Vollwellen-Gleichrichterschaltung, in welcher die vier Dioden D1 bis D4 zu einer Vollbrückenschaltung verschaltet sind. Wenn auch MOS-FETs als Schaltelemente SW5 und SW6 in der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, sind die Schaltelemente SW5 und SW6 nicht darauf beschränkt und es können beispielsweise Elemente wie IGBTs Verwendung finden.
  • Die Gleichrichterelemente D5 und D6 sind zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und den Schaltelementen SW5 und SW6 eingesetzt. Als Gleichrichterelemente D5 und D6 seien Dioden genannt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Gleichrichterelement D5 in Reihe mit dem Schaltelement SW5 geschaltet. Die Anode des Gleichrichterelement D5 ist mit dem Eingangsabschnitt der brückenartigen Schaltung verbunden, d. h. mit der Kathode der Diode D4, und die Kathode des Gleichrichterelements D5 ist mit dem Drain des Schaltelements SW5 verbunden. Das Gleichrichterelement D6 ist in Reihe mit dem Schaltelement SW6 geschaltet. Die Anode des Gleichrichterelements D6 ist mit dem Eingangsteil der Brückenschaltung verbunden, d. h. mit der Kathode der Diode D2, und die Kathode des Gleichrichterelements D6 ist mit dem Drain des Schaltelements SW6 verbunden.
  • Die Steuerschaltung 250 steuert den Betrieb der Kurzschlusseinrichtung 240. Insbesondere wird nach Empfang des Ausgangssignals SG5 vom energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 der Betrieb so gesteuert, dass den Schaltelementen SW5 und SW6 ein Ansteuersignal SG6 bereitgestellt wird und die Schaltelemente SW5 und SW6 eingeschaltet werden.
  • Bezugnehmend auf 2 bis 4 wird dann die Differenz zwischen dem Strompfad in der geschlossenen Schleife, die von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 und der Kurzschlusseinrichtung 240 in der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gebildet wird, und dem Strompfad in der geschlossenen Schleife, die von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 410 und der Kurzschlusseinrichtung 440 in der herkömmlichen Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S2 gebildet wird, im Einzelnen beschrieben. 2 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung gemäß der herkömmlichen Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung zusammen mit einer Last zeigt. 3 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, die einen Strompfad zeigt, der von einer geschlossenen Schleife aus einem energieempfangsseitigen Schwingkreis und einer Kurzschlusseinrichtung gebildet wird, wenn das Schaltelement in 2 ausgeschaltet ist. 4 ist eine teilweise vergrößerte Ansicht eines Schaltbilds einer Schaltungsanordnung, das einen Strompfad zeigt, der von einer geschlossenen Schleife aus einem energieempfangsseitigen Schwingkreis und einer Kurzschlusseinrichtung gebildet wird, wenn das Schaltelement in 1 ausgeschaltet ist. Dabei sind die Schaltelemente SW5, SW6, SW11 und SW12 als Vergleichsmodelle gezeigt, die durch eine Parallelschaltung der parasitären Kapazität der Schaltelemente und der Schalter gebildet sind.
  • Zunächst wird die Auslegung der herkömmlichen Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S2 beschrieben. Wie in 2 gezeigt ist, umfasst die herkömmliche Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S2 eine Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 300 und eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 400. Die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 300 umfasst eine Stromversorgung 310 zum Zuführen eines Gleichstroms zu einer Wechselrichterschaltung 320, eine Wechselrichterschaltung 320 zum Umwandeln eines Gleichstroms in Wechselstrom, und einen energiezuführseitigen Schwingkreis 330 zum drahtlosen Zuführen von Wechselstrom von der Energiezuführspule L3, wobei die Wechselrichterschaltung 320 aus einem Wechselrichterabschnitt 321 besteht, in welchem vier Schaltelemente SW7 bis SW10 brückengeschaltet sind, und wobei ein Schalter-Treiberabschnitt 322 SW-Steuersignale SG7 bis SG10 bereitstellt, um das Ein-/Ausschalten der Schaltelemente SW7 bis SW10 zu steuern, und wobei ein energiezuführseitiger Schwingkreis 330 aus der Energiezuführspule L3 und energiezuführseitigen Resonanzkondensatoren C30 und C31 besteht. Die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 400 umfasst einen energieempfangsseitigen Schwingkreis 410, der einen Wechselstrom empfängt, der drahtlos von der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 300 über die Energieempfangsspule L4 zugeführt wird; eine Gleichrichterschaltung 420, die den empfangenen Wechselstrom gleichrichtet; einen energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 430 zum Erfassen des Werts der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 420; eine Kurzschlusseinrichtung 440, die zwei Enden des energieempfangsseitigen Schwingkreis 410 kurschließt; und eine Steuerschaltung 450, die den Betrieb der Kurzschlusseinrichtung 440 steuert, wobei der energieempfangsseitige Schwingkreis 410 aus einer Energieempfangsspule L4 und energieempfangsseitigen Resonanzkondensatoren C40 und C41 besteht, und die Gleichrichterschaltung 420 aus einer brückenartigen Schaltung besteht, in welcher vier Dioden D7 bis D10 vollbrückengeschaltet sind und ein Glättungskondensator C4 parallel mit der brückenartigen Schaltung geschaltet ist. Die Kurzschlusseinrichtung 440 besteht aus einem Schaltelement SW12, das mit der Kathode der Diode D8 der Gleichrichterschaltung 420 verbunden ist, und einem Schaltelement SW11, das mit der Kathode der Diode D10 verbunden ist, und die Steuerschaltung 450 stellt ein Ansteuersignal SG14 für die Schaltelemente SW11 und SW12 nach Empfang eines Ausgangssignals SG13 von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 430 bereit und steuert Schaltelemente SW11 und SW12, um sie einzuschalten.
  • Wie in 3 gezeigt ist, bilden bei der herkömmlichen Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S2 die Ströme IL und IN, die von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 410 fließen, einen Fließpfad durch die Schaltelemente SW11 und SW12 und kehren wieder zum energieempfangsseitigen Schwingkreis 410 zurück, da keine Unterbrechung im Stromfluss besteht. Zu diesem Zeitpunkt fließt Strom durch die parasitäre Kapazitäten der Schaltelemente SW11 und SW12, so dass eine Blindleistung erzeugt wird und der Leistungsfaktor verschlechtert wird. Mit anderen Worten muss dann, wenn die gleiche Leistung erhalten werden soll, eine größere Strommenge fließen, wodurch eine Verlustleistung erzeugt wird. Wie in 4 gezeigt ist, wird andererseits bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezüglich der Ströme IL und IN, die von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 fließen, der Pfad zu den Schaltelementen SW5 und SW6 durch Dioden D5 und D6 der Kurzschlusseinrichtung 240 abgetrennt und es findet kein Entladen der parasitären Kapazität statt. Dies entspricht einem offenen Schaltkreis und die Ströme IL und IN fließen nicht zu den Schaltelementen SW5 und SW6. Dadurch kann das Erzeugen einer Blindleistung aufgrund von parasitären Kapazitäten der Schaltelemente SW5 und SW6 unterdrückt werden. Zudem tritt in dem Falle, dass der energieempfangsseitige Schwingkreis durch einen reihengeschalteten Schwingkreis gebildet ist, eine Resonanzfrequenzabweichung aufgrund der parasitären Kapazität während des Normalbetriebs auf. Da bei der vorliegenden Ausführungsform der Strompfad zum energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 hin über die parasitäre Kapazität durch Gleichrichterelemente D5 und D6 abgetrennt wird, kann dagegen der Einfluss auf die Resonanzfrequenz des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 aufgrund der parasitären Kapazitäten der Schaltelemente SW5 und SW6 unterdrückt werden.
  • Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf 5a und 5b der Strompfad für den Fall, dass die Schaltelemente SW5 und SW6 der Kurzschlusseinrichtung 240 ON sind und für den Fall, dass die Schaltelemente SW5 und SW6 OFF sind, die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 5a ist ein Diagramm, das einen Pfad für in der Gleichrichterschaltung und dem Kurzschluss fließenden Strom zeigt, wenn das Schaltelement des Kurzschlusses in 1 ausgeschaltet ist. 5b ist ein Diagramm, das einen Strompfad zeigt, der in der Gleichrichterschaltung und dem Kurzschluss fließt, wenn das Schaltelement des Kurzschlusses in 1 eingeschaltet ist.
  • Zunächst wird der OFF-Zustand der Schaltelemente SW5 und SW6 beschrieben. Wie in 5a gezeigt ist, ist in den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Diode D1, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D4 zurückfließt. Der andere der Strompfade ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Diode D3, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D2 zurückfließt. Dabei fließt in beiden Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms aufgrund der Funktion der Dioden D5 und D6, wie oben beschrieben, kein Strom zur Kurzschlusseinrichtung 240.
  • Nachfolgend wird der ON-Zustand der Schaltelemente SW5 und SW6 beschrieben. Wie in 5b gezeigt ist, ist in den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Diode D5, das Schaltelement SW5 und die Diode D2 zurückfließt, und der andere der Strompfade ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Diode D6, das Schaltelement SW6 und die Diode D4 zurückfließt. Da in diesem Fall kein Strom durch den Ausgang der Gleichrichterschaltung 220 fließt, ist es möglich, die in der Stufe nach der Gleichrichterschaltung 220 angeordneten Schaltungselemente vor einer Fehlfunktion zu schützen.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 6 der Schutzbetrieb während der Fehlfunktion der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform im Einzelnen beschrieben. 6 ist ein Flussdiagramm, das den Schutzbetrieb der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • Zunächst kann bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 dann, wenn die Energieübertragung drahtlos von der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 zur Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 beginnt, der Wert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 220 stets durch den energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfasst werden (Schritt S101).
  • Anschließend vergleicht der energieempfangsseitige Spannungserfassungsabschnitt 230 den Wert der in Schritt S101 erfassten Ausgangsspannung mit einem vorbestimmten Referenzspannungswert (Schritt S102).
  • Als Ergebnis des Vergleichs von dem Wert der in Schritt S101 erfassten Ausgangsspannung mit dem vorbestimmten Referenzspannungswert wird dann, wenn der Wert der in Schritt S101 erfassten Ausgangsspannung den vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt (Schritt S102Y), das Ausgangssignal SG5 von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 an die Steuerschaltung 250 ausgegeben (Schritt S103). Andererseits wird als Ergebnis des Vergleichs des Werts der in Schritt S101 erfassten Ausgangsspannung mit dem vorbestimmten Referenzspannungswert dann, wenn der Wert der in Schritt S101 erfassten Ausgangsspannung nicht den vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt (Schritt S102N), das Verfahren zu Schritt S101 zurückkehren und die Vorgänge von Schritt S101 bis Schritt S102 werden wiederholt durchgeführt.
  • Anschließend liefert die Steuerschaltung 250 bei Empfang des Ausgangssignals SG5 ein Ansteuersignal SG6 an die Schaltelemente SW5 und SW6 und steuert die Schaltelemente SW5 und SW6, um sie einzuschalten (Schritt S104).
  • Anschließend werden, wenn die Schaltelemente SW5 und SW6 ON geschaltet werden, die Dioden D2 und D4 der Gleichrichterschaltung 220 kurzgeschlossen (Schritt S105). Da die Dioden D2 und D4 der Gleichrichterschaltung 220 durch die Schaltelemente SW5 und SW6 kurzgeschlossen sind, wird der Strompfad von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 in einen Pfad, der von der Diode D5 ausgeht und zum energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 durch das Schaltelement SW5 und die Diode D2 zurückkehrt, und in einen Pfad unterteilt, der von der Diode D6 ausgeht und zum energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 durch das Schaltelement SW6 und die Diode D4 zurückkehrt. Dabei fließt kein Strom durch die Ausgangsseite der Gleichrichterschaltung 220, so dass es möglich ist, die in einer Stufe nach der Gleichrichterschaltung 220 angeordneten Schaltungselemente vor einer Fehlfunktion zu schützen.
  • Wie oben beschrieben, wird bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dann, wenn der Wert der von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt, die Schaltvorrichtung SW5 und SW6 der Kurzschlusseinrichtung 240 betätigt. Dadurch werden die Dioden D2 und D4 der Gleichrichterschaltung 220 kurzgeschlossen. Im Ergebnis wird die erzeugte Überspannung nicht an die dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 nachfolgende Stufe ausgegeben und die in einer Stufe nach dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 angeordneten Schaltungselemente können geschützt werden. Da zudem die Gleichrichterelemente D5 und D6 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 eingesetzt ist und Schaltelemente SW5 und SW6 vorgesehen sind, wird der Strompfad zur parasitären Kapazität der Schaltelemente SW5 und SW6 abgetrennt und eine Entladung der parasitären Kapazität wird unterdrückt. Im Ergebnis kann die Erzeugung einer Verlustleitung aufgrund der Blindleistung während des Normalbetriebs unterdrückt werden.
  • (Zweite Ausführungsform)
  • Zunächst wird durch Bezugnahme auf 7 die Auslegung der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S3 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 7 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • Wie die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 umfasst die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S3 eine Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 und eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200. Die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 ist mit einer Stromversorgung 110, einer Wechselrichterschaltung 120 und einem energiezuführseitigen Schwingkreis 130 versehen. Die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 ist mit einem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210, einer Gleichrichterschaltung 220, einem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230, einer Kurzschlusseinrichtung 540 und einer Steuerschaltung 250 versehen. Die Auslegungen der Stromversorgung 110, der Wechselrichterschaltung 120, des energiezuführseitigen Schwingkreises 130, des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210, der Gleichrichterschaltung 220, des energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitts 230 und der Steuerschaltung 250 sind die gleichen wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Kurzschlusseinrichtung 540 anstatt von der Kurzschlusseinrichtung 240 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen ist. Nachfolgend werden vornehmlich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Ähnlich wie bei der Kurzschlusseinrichtung 240 hat die Kurzschlusseinrichtung 540 die Funktion, zu bewirken, dass die beiden Enden der Energieempfangsspule L2 kurzgeschlossen werden, wenn die von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfasste Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 220 einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt. Insbesondere hat die Kurzschlusseinrichtung 540 die Funktion, zu bewirken, dass die Diode D2 und die Diode D4 kurzgeschlossen werden. Bei dieser Kurzschlusseinrichtung 540 wird ein Kurzschluss auf Grundlage des Ansteuersignals SG6 durchgeführt, das von der Steuerschaltung 250 übertragen wird. Wie in 7 gezeigt ist, besteht die Kurzschlusseinrichtung 540 aus den Gleichrichterelementen D5 und D6 und dem Schaltelement SW13. Zudem ist die Auslegung der Gleichrichterelemente D5 und D6 die gleiche wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Das Schaltelement SW13 ist zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Ausgangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 geschaltet. Insbesondere ist das Schaltelement SW13 jeweils mit den Kathoden der Gleichrichterelemente D5 und D6 verbunden. Bei der vorliegenden Ausführungsform besteht das Schaltelement SW13 aus einem MOS-FET. Daher sind die Kathode des Gleichrichterelements D5 und die Kathode von D6 parallel mit dem Drain des Schaltelements SW13 geschaltet. Das Schaltelement SW13 hat die Funktion, in Reaktion auf das Ansteuersignal SG6 von der Steuerschaltung 250 ein-/auszuschalten. Das bedeutet, dass wenn das Schaltelement SW13 eingeschaltet ist, die Dioden D2 und D4 kurzgeschlossen werden und keine Spannung in der Gleichrichterschaltung 220 erzeugt wird. Umgekehrt arbeitet dann, wenn das Schaltelement SW13 ausgeschaltet ist, die Gleichrichterschaltung 220 als Vollwellen-Gleichrichterschaltung, in welcher vier Dioden D1 bis D4 zu einer Vollbrückenschaltung verschaltet sind. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein MOS-FET als Schaltelement SW13 verwendet. Jedoch ist es nicht darauf beschränkt und es kann sich um ein Element, wie etwa ein IGBT, handeln.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf 8a und 8b ein Strompfad, bei dem das Schaltelement SW13 der Kurzschlusseinrichtung 540 ON ist und das Schaltelement SW13 OFF ist, bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S3 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 8a ist ein Diagramm, das einen Strompfad zeigt, der in der Gleichrichterschaltung und der Kurzschlusseinrichtung fließt, wenn das Schaltelement der Gleichrichterschaltung in 7 ausgeschaltet ist. 8b ist ein Diagramm, das einen Strompfad zeigt, der in der Gleichrichterschaltung und der Kurzschlusseinrichtung fließt, wenn das Schaltelement der Kurzschlusseinrichtung in 7 eingeschaltet ist.
  • Zunächst wird der OFF-Zustand des Schaltelements SW13 beschrieben. Wie in 8a gezeigt ist, ist in den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Diode D1, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D4, zurückfließt. Der andere der Strompfade ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Diode D3, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D2, zurückfließt. Zudem ist bei dem Strompfad der Kurzschlusseinrichtung 540 die Rückkehr des Stroms zum Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 durch die Dioden D5 und D6 abgeschnitten. Da ferner eine Gleichstromspannung, die durch die Dioden D5 und D6 vollwellig gleichgerichtet wird, an das Schaltelement SW13 angelegt wird, kann die parasitäre Kapazität des Schaltelements SW13 äquivalent als isolierend betrachtet werden, so dass das Entladen der parasitären Kapazität des Schaltelements SW13 nicht erfolgt und auch kein Strompfad durch das Schaltelement SW13 geht. Das bedeutet, es besteht kein Strompfad von dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 zur Kurzschlusseinrichtung 540.
  • Nachfolgend wird der ON-Zustand des Schaltelements SW13 beschrieben. Wie in 8b gezeigt ist, ist bei den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 ausgeht und durch die Diode D5, das Schaltelement SW13 und die Diode D2 zurückfließt. Der andere Strompfad ist ein Pfad, der von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 ausgeht und durch die Diode D6, das Schaltelement SW13 und die Diode D4 zurückfließt. Da in diesem Fall kein Strom durch den Ausgang der Gleichrichterschaltung 220 fließt, ist es möglich, die in einer Stufe nach der Gleichrichterschaltung 220 angeordneten Schaltungselemente vor einer Fehlfunktion zu schützen.
  • Wie oben beschrieben, wird bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dann, wenn der Wert der von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt, die Schaltvorrichtung SW13 der Kurzschlusseinrichtung 540 betätigt. Dadurch werden die beiden Enden der Energieempfangsspule L2 des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 kurzgeschlossen. Im Ergebnis wird die erzeugte Überspannung nicht an die dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 folgenden Stufe ausgegeben und die in einer Stufe nach dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 angeordneten Schaltungselemente können geschützt werden. Da zudem die zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Schaltelement SW13 eingesetzten Gleichrichterelemente D5 und D6 vorgesehen sind, wird der Strompfad zur parasitäre Kapazität der Schaltelemente SW5 und SW6 abgetrennt und das Entladen der parasitären Kapazität wird unterdrückt. Im Ergebnis kann das Erzeugen einer Verlustleistung aufgrund der Blindleistung während des Normalbetriebs unterdrückt werden.
  • Weiterhin ist es bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S3 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dadurch, dass die Anzahl an die Kurzschlusseinrichtung 540 bildenden Schaltelementen eins sein kann, möglich, Bauraum einzusparen und die Vorrichtung zu vereinfachen.
  • (Dritte Ausführungsform)
  • Zunächst wird anhand von 9 die Auslegung der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S4 gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 9 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • Ähnlich wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S4 eine Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 und eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200. Die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 ist mit einer Stromversorgung 110, einer Wechselrichterschaltung 120 und einem energiezuführseitigen Schwingkreis 130 versehen. Die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 ist mit einem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210, einer Gleichrichterschaltung 220, einem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230, einer Kurzschlusseinrichtung 240 und einer Steuerschaltung 250 versehen. Die Auslegungen von Stromversorgung 110, Wechselrichterschaltung 120, energiezuführseitigem Schwingkreis 130, energieempfangsseitigem Schwingkreis 210, Gleichrichterschaltung 220, energieempfangsseitigem Spannungserfassungsabschnitt 230 und Steuerschaltung 250 sind die gleichen wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Wechselrichterschaltung 620 und die Steuerschaltung 750 anstelle von einer Wechselrichterschaltung 120 und der Steuerschaltung 250 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform vorgesehen sind. Nachfolgend werden hauptsächlich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Wie in 9 gezeigt ist, umfasst die Wechselrichterschaltung 620 einen Wechselrichterabschnitt 121, einen Schalter-Treiberabschnitt 122 und einen Leistungssteuerabschnitt 123. Die Auslegungen von dem Wechselrichterabschnitt 121 und dem Schalter-Treiberabschnitt 122 sind die gleichen wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform.
  • Der Leistungssteuerabschnitt 123 hat die Funktion, den Betrieb der Wechselrichterschaltung 620 zu unterbrechen und den Energiezuführvorgang der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 zu unterbrechen. Insbesondere wird der Betrieb des Wechselrichterabschnitts 121 bei Empfang eines Unterbrechungssignals SG 15 unterbrochen, das von der Steuerschaltung 750 der später beschriebenen Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 bereitgestellt wird. Bei der vorliegenden Ausführungsform sind der Schalter-Treiberabschnitt 122 und der Leistungssteuerabschnitt 123 separat ausgebildet, es kann jedoch einer davon die Funktion von beiden haben.
  • Ähnlich wie die Steuerschaltung 250 steuert die Steuerschaltung 750 den Betrieb der Kurzschlusseinrichtung 240. Bei der vorliegenden Ausführungsform hat sie zusätzlich zur oben genannten Funktion auch die Funktion, den Leistungssteuerabschnitt 123 zu steuern. Insbesondere stellt sie bei Empfang des Ausgangssignals SG5 vom energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 ein Ansteuersignal SG6 für die Schaltelemente SW5 und SW6 bereit, so dass die Schaltelemente SW5 und SW6 eingeschaltet werden, und überträgt ferner das Unterbrechungssignal SG15 an den Leistungssteuerabschnitt 123 zur gleichen Zeit oder unmittelbar nachdem das Ansteuersignal SG6 den Schaltelementen SW5 und SW6 bereitgestellt wurde, so dass der Energiezuführvorgang der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 unterbrochen wird.
  • Als nächstes wird unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 10 der Schutzbetrieb während einer Fehlfunktion der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform näher beschrieben. 10 ist ein Flussdiagramm, das den Schutzbetrieb der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In 10 sind die Schritte S101 bis S105 die gleichen Vorgänge wie bei der ersten Ausführungsform, so dass die Erläuterung hier weggelassen wird.
  • Die Steuerschaltung 750 überträgt das Unterbrechungssignal SG15 an den Leistungssteuerabschnitt 123 der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 zur gleichen Zeit oder unmittelbar nachdem die Schaltelemente SW5 und SW6 so gesteuert wurden, dass sie einschalten (Schritt S106).
  • Anschließend unterbricht der Leistungssteuerabschnitt 123 bei Empfang des Unterbrechungssignals SG15 den Betrieb der Wechselrichterschaltung 620 und unterbricht den Energiezuführbetrieb der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 (Schritt S107).
  • Wie oben beschrieben, werden bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform dann, wenn der Wert der von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt, die Schaltvorrichtungen SW5 und SW6 der Kurzschlusseinrichtung 240 betätigt. Dadurch werden die Dioden D2 und D4 der Gleichrichterschaltung 220 kurzgeschlossen. Im Ergebnis wird die erzeugte Überspannung nicht an die dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 folgende Stufe ausgegeben und die in einer Stufe nach dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 angeordneten Schaltungselemente können geschützt werden. Da zudem Gleichrichterelemente D5 und D6 vorgesehen sind, die zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und den Schaltelementen SW5 und SW6 eingesetzt sind, wird der Strompfad zur parasitären Kapazität der Schaltelemente SW5 und SW6 abgetrennt und das Entladen der parasitären Kapazität wird unterdrückt. Im Ergebnis kann das Erzeugen einer Verlustleistung aufgrund von Blindleistung während des Normalbetriebs unterdrückt werden.
  • Weiterhin ist bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S4 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Steuerschaltung 750 dazu ausgelegt, das Unterbrechungssignal SG15 zum Unterbrechen des Energiezuführbetriebs zur Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 zur gleichen Zeit oder unmittelbar nachdem die Steuerschaltung 750 die Schaltelemente SW5 und SW6 betätigt, zu unterbrechen. Dadurch wird dann, wenn der Wert der durch den energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfassten Ausgangsspannung den vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt, der Betrieb der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 unterbrochen. Daher ist es möglich, die Schaltungselemente der gesamten Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S4 zu schützen. Da zudem der Betrieb der Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 unterbrochen wird, wird die Zeitdauer zum Anlegen von Strom an die Kurzschlusseinrichtung 240 unterdrückt, so dass die Kurzschlusseinrichtung 240 geschützt werden kann.
  • (Vierte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird anhand von 11 die Auslegung der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 11 ist Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • Ähnlich wie die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform, umfasst die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung eine Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 und eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200. Dabei ist die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform die gleiche wie die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform, weshalb auf deren Beschreibung verzichtet wird. Die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform ist mit einem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210, einer Transformationsschaltung 260, einer Gleichrichterschaltung 220, einem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230, einer Kurzschlusseinrichtung 240 und einer Steuerschaltung 250 versehen. Die Auslegungen von energieempfangsseitigem Schwingkreis 210, Gleichrichterschaltung 220, energieempfangsseitigem Spannungserfassungsabschnitt 230, Kurzschlusseinrichtung 240 und Steuerschaltung 250 sind die gleichen wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 mit der Transformationsschaltung 260 versehen ist. Nachfolgend werden hauptsächlich Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Die Transformationsschaltung 260 ist zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 eingesetzt. Die Transformationsschaltung 260 wandelt die von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 ausgegebene Spannung in einen gewünschten Wert um und gibt sie an die Gleichrichterschaltung 220 aus. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Transformationsschaltung 260 ein Transformator mit einer Primärwicklung Lp und einer Sekundärwicklung Ls. Die Primärwicklung Lp und die Sekundärwicklung Ls werden unter Verwendung eines Litzendrahts, der durch Verdrillen einer Vielzahl von dünnen Leitersträngen erhalten wird, oder eines einzelnen Drahts ausgebildet. Dabei sind die Primärwicklung Lp und die Sekundärwicklung Ls magnetisch gekoppelt, und die an die Primärwicklung Lp angelegte Spannung und die an die Sekundärwicklung Ls angelegte Spannung können durch das Windungsverhältnis zwischen Primärwicklung Lp und Sekundärwicklung Ls umgewandelt werden. Das bedeutet, die Transformationsschaltung 260 hat die Funktion, die von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 ausgegebene Spannung in eine Spannung umzuwandeln, die dem Windungsverhältnis der Primärwicklung Lp und der Sekundärwicklung Ls entspricht, und die Spannung an die Gleichrichterschaltung 220 auszugeben. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Ausgangsende des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 mit einem Ende der Primärwicklung Lp verbunden, und ein Ausgangsende des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 ist mit dem anderen Ende der Primärwicklung Lp verbunden. Ferner ist ein Ende der Sekundärwicklung Ls mit dem Mittelpunkt zwischen der Anode der Diode D1 und der Kathode der Diode D2 verbunden und das andere Ende der Sekundärwicklung Ls ist mit dem Mittelpunkt zwischen der Anode der Diode D3 und der Kathode der Diode D4 verbunden.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Transformationsschaltung 260 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 eingesetzt. Dadurch ist dann, wenn die Schaltelemente SW5 und SW6 der Kurzschlusseinrichtung 240 OFF sind, bei den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Stroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Transformationsschaltung 260, die Diode D1, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D4, die Transformationsschaltung 260 zurückfließt. Der andere Strompfad ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Transformationsschaltung 260, die Diode D3, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D2, die Transformationsschaltung 260 zurückfließt. Zudem ist dann, wenn die Schaltelemente SW5 und SW6 der Kurzschlusseinrichtung 240 ON sind, bei den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms, einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Transformationsschaltung 260, die Diode D5, das Schaltelement SW5, die Diode D2 und die Transformationsschaltung 260 zurückfließt. Der andere Strompfad ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Transformationsschaltung 260, die Diode D6, das Schaltelement SW6, die Diode D4 und die Transformationsschaltung 260 zurückfließt.
  • Wie oben beschrieben, ist die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ferner mit einer Transformationsschaltung 260 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 versehen. Dadurch ist es möglich, die Schaltungselemente zu schützen, wenn eine Überspannung auftritt, und eine gewünschte Spannung/Strom von einem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 auszugeben, indem das Umwandlungsverhältnis der Transformationsschaltung 260 während des Normalbetriebs verändert wird.
  • (Fünfte Ausführungsform)
  • Als nächstes wird anhand von 12 die Auslegung der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 12 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • Ähnlich wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform umfasst die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform eine Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 und eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200. Die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der fünften Ausführungsform ist die gleiche wie die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform, weshalb auf deren Beschreibung verzichtet wird. Die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform ist mit einem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210, einer Transformationsschaltung 260, einer Gleichrichterschaltung 220, einem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230, einer Kurzschlusseinrichtung 640 und einer Steuerschaltung 250 versehen. Die Auslegungen von energieempfangsseitigem Schwingkreis 210, Transformationsschaltung 260, Gleichrichterschaltung 220, energieempfangsseitigem Spannungserfassungsabschnitt 230 und Steuerschaltung 250 sind die gleichen wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der vierten Ausführungsform dadurch, dass die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 mit einer Kurzschlusseinrichtung 640 anstelle von der Kurzschlusseinrichtung 240 versehen ist. Nachfolgend werden hauptsächlich die Unterschiede zur vierten Ausführungsform beschrieben.
  • Die Kurzschlusseinrichtung 640 hat die Funktion, zu bewirken, dass die beiden Enden der Energieempfangsspule L2 kurzgeschlossen werden, wenn die von dem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230 erfasste Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 220 einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt. Insbesondere hat die Kurzschlusseinrichtung 640 die Funktion, einen Kurzschluss zwischen dem energieempfangsseitigen Resonanzkondensator C20 und dem energieempfangsseitigen Resonanzkondensator C21 hervorzurufen. Bei dieser Kurzschlusseinrichtung 640 wird ein Kurzschluss auf Grundlage des von der Steuerschaltung 250 übertragenen Ansteuersignals durchgeführt. Die Kurzschlusseinrichtung 640 besteht aus Schaltelementen SW14 und SW15 und Gleichrichterelementen D11 und D12.
  • Die Schaltelemente SW14 und SW15 sind zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Ausgangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 geschaltet. Insbesondere sind die Schaltelemente SW14 und SW15 parallel zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Transformationsschaltung 260 geschaltet. Die Schaltelemente SW14 und SW15 haben die Funktion, in Reaktion auf das Ansteuersignal SG6 ein-/auszuschalten, das von der später zu beschreibenden Steuerschaltung 250 empfangen wird. Das bedeutet, dass wenn die Schaltelemente SW14 und SW15 eingeschaltet sind, die beiden Enden des Ausgangsabschnitts des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 kurzgeschlossen werden und keine Spannung in der Gleichrichterschaltung 220 erzeugt wird. Umgekehrt wandelt dann, wenn die Schaltelemente SW14 und SW15 ausgeschaltet sind, die Transformationsschaltung 260 die von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 ausgegebene Spannung in einen gewünschten Wert um und gibt sie an die Gleichrichterschaltung 220 aus, und die Gleichrichterschaltung 220 dient als Vollwellen-Gleichrichterschaltung, in welcher die vier Dioden D1 bis D4 zu einer Vollbrückenschaltung verschaltet sind. Obgleich MOS-FETs als Schaltelemente SW14 und SW15 bei der vorliegenden Ausführungsform verwendet werden, sind die Schaltelemente SW14 und SW15 nicht darauf beschränkt und es können Elemente, wie etwa IGBTs oder dergleichen, verwendet werden.
  • Gleichrichterelemente D11 und D12 sind zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und den Schaltelementen SW14 und SW15 eingesetzt. Als Gleichrichterelemente D11 und D12 seien Dioden genannt. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist das Gleichrichterelement D11 in Reihe mit dem Schaltelement SW14 geschaltet. Die Anode des Gleichrichterelements D11 ist mit dem Drain des Schaltelements SW14 verbunden und die Kathode des Gleichrichterelements D11 ist mit dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 verbunden, d. h. mit dem energieempfangsseitigen Resonanzkondensator C20. Das Gleichrichterelement D12 ist in Reihe mit dem Schaltelement SW15 verbunden. Die Anode des Gleichrichterelements D12 ist mit dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 verbunden, d. h. mit dem energieempfangsseitigen Resonanzkondensator C20, und die Kathode des Gleichrichterelements D12 ist mit dem Drain des Schaltelement SW15 verbunden.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Kurzschlusseinrichtung 640 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Transformationsschaltung 260 eingesetzt. Dadurch ist dann, wenn die Schaltelemente SW14 und SW15 der Kurzschlusseinrichtung 640 OFF sind, bei den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Transformationsschaltung 260, die Diode D1, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D4, die Transformationsschaltung 260 zurückfließt. Der andere Strompfad ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Transformationsschaltung 260, die Diode D3, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D2, die Transformationsschaltung 260 zurückfließt. Zudem ist dann, wenn die Schaltelemente SW14 und SW15 der Kurzschlusseinrichtung 640 ON sind, bei den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch das Schaltelement SW14 und die Diode D11 zurückfließt. Der andere Strompfad ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch die Diode D12 und das Schaltelement SW15 zurückfließt.
  • Wie oben beschrieben ist, ist die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ferner mit einer Transformationsschaltung 260 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 versehen. Dadurch ist es möglich, die Schaltungselemente zu schützen, wenn eine Überspannung auftritt, und eine gewünschte Spannung/Strom von einem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 auszugeben, indem das Umwandlungsverhältnis der Transformationsschaltung 260 während des Normalbetriebs geändert wird. Zudem ist bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Kurzschlusseinrichtung 640 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Transformationsschaltung 260 eingesetzt, wodurch es möglich ist, die in einer Stufe nach der Transformationsschaltung 260 angeordneten Schaltungselemente zu schützen, wenn eine Überspannung auftritt.
  • (Sechste Ausführungsform)
  • Als nächstes wird anhand von 13 die Auslegung der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. 13 ist ein Schaltbild einer Schaltungsanordnung, das eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zusammen mit einer Last zeigt.
  • Ähnlich wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform umfasst die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform eine Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 und eine Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200. Dabei ist die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform die gleiche wie die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung 100 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform und es wird daher auf deren Beschreibung verzichtet. Die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der sechsten Ausführungsform ist mit einem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210, einer Induktorschaltung 270, einer Gleichrichterschaltung 220, einem energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt 230, einer Kurzschlusseinrichtung 240 und einer Steuerschaltung 250 versehen. Die Auslegungen von energieempfangsseitigem Schwingkreis 210, Gleichrichterschaltung 220, energieempfangsseitigem Spannungserfassungsabschnitt 230, Kurzschlusseinrichtung 240 und Steuerschaltung 250 sind die gleichen wie bei der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung S1 gemäß der ersten Ausführungsform. Die vorliegende Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform dadurch, dass die Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung 200 mit der Induktorschaltung 270 versehen ist. Nachfolgend werden hauptsächlich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben.
  • Die Induktorschaltung 270 ist zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 eingesetzt. Bei der vorliegenden Ausführungsform umfasst die Induktorschaltung 270 Induktoren L5 und L6. Die Induktoren L5 und L6 haben die Funktion, einen hohen Widerstand bei einer Frequenz gleich oder höher als eine bestimmte Frequenz zu haben, und dienen dazu, ein Gleichtaktrauschen zu beseitigen. Im Ergebnis haben die Induktoren L5 und L6 die Funktion, das überlagerte Rauschen am Ausgang von dem energieempfangsseitigen Schwingkreis 210 zu dämpfen bzw. zu isolieren und an die Gleichrichterschaltung 220 auszugeben. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist ein Ende des Induktors L5 mit einem Ausgangsende des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 verbunden und das andere Ende des Induktors L5 ist mit dem Mittelpunkt zwischen der Anode der Diode D3 und der Kathode der Diode D4 verbunden. Zudem ist ein Ende des Induktors L6 mit dem anderen Ausgangsende des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 verbunden und das andere Ende des Induktors L6 ist mit dem Mittelpunkt zwischen der Anode der Diode D1 und der Kathode der Diode D2 verbunden. Als Beispiele für die Induktoren L5 und L6 seien eine Gegentakt-Drosselspule zum Unterdrücken von Rauschen im Gegentakt und eine Gleichtakt-Drosselspule zum Unterdrücken von Rauschen im Gleichtakt.
  • Bei der vorliegenden Ausführungsform ist die Induktorschaltung 270 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 eingesetzt. Dazu ist dann, wenn die Schaltelemente SW5 und SW6 der Kurzschlusseinrichtung 240 OFF sind, bei den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch den Induktor L6, die Diode D1, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D4 und dem Induktor L5 zurückfließt. Der andere Strompfad ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch den Induktor L5, die Diode D3, den Glättungskondensator C2 und die Last RL, die Diode D2 und den Induktor L6 zurückfließt. Wenn ferner die Schaltelemente SW5 und SW6 der Kurzschlusseinrichtung 240 ON sind, ist bei den Strompfaden des durch die Gleichrichterschaltung 220 fließenden Wechselstroms einer der Strompfade ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch den Induktor L5, die Diode D5, das Schaltelement SW5, die Diode D2 und den Induktor L6 zurückfließt. Der andere Strompfad ist ein Pfad, der von der Energieempfangsspule L2 ausgeht und durch den Induktor L6, die Diode D6, das Schaltelement SW6, die Diode D4 und den Induktor L5 zurückfließt.
  • Wie oben beschrieben ist, ist die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform ferner mit einer Induktorschaltung 270 zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises 210 und dem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung 220 versehen. Dadurch ist es möglich, die Schaltungselemente zu schützen, wenn eine Überspannung auftritt, und ein Rauschen während des Normalbetriebs zu unterdrücken.
  • Zudem kann die charakteristische Auslegung und Funktion der Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der oben beschriebenen, sechsten Ausführungsform auf die Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vierten und fünften Ausführungsform angewendet werden.
  • Bezugszeichenliste
    • S1~S4
    Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung
    100
    Drahtlos-Energiezuführvorrichtung
    110
    Stromversorgung
    120, 620
    Wechselrichterschaltung
    121
    Wechselrichterabschnitt
    122
    Schalter-Treiberabschnitt
    123
    Leistungssteuerabschnitt
    130
    energiezuführseitiger Schwingkreis
    200
    Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung
    210
    energieempfangsseitiger Schwingkreis
    220
    Gleichrichterschaltung
    230
    energieempfangsseitiger Spannungserfassungsabschnitt
    240, 540, 640
    Kurzschlusseinrichtung
    250, 750
    Steuerschaltung
    260
    Transformationsschaltung
    270
    Induktorschaltung
    300
    Drahtlos-Energiezuführvorrichtung
    310
    Stromversorgung
    320
    Wechselrichterschaltung
    321
    Wechselrichterabschnitt
    322
    Schalter-Treiberabschnitt
    330
    energiezuführseitiger Schwingkreis
    400
    Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung
    410
    energieempfangsseitiger Schwingkreis
    420
    Gleichrichterschaltung
    430
    energieempfangsseitiger Spannungserfassungsabschnitt
    440
    Kurzschlusseinrichtung
    450
    Steuerschaltung
    SW1~SW15
    Schaltelement
    C2, C4
    Glättungskondensator
    C10, C11, C30, C31
    energiezuführseitiger Resonanzkondensator
    C20, C21, C40, C41
    energieempfangsseitiger Resonanzkondensator
    L1, L3
    Energiezuführspule
    L2, L4
    Energieempfangsspule
    Lp
    Primärwicklung
    Ls
    Sekundärwicklung
    L5, L6
    Induktor
    D1~D12
    Gleichrichterelement (Diode)
    SG1~SG4, SG7~SG10
    SW Steuersignal
    SG5, SG13
    Ausgangssignal
    SG6, SG14
    Ansteuersignal
    SG15
    Unterbrechungssignal

Claims (6)

  1. Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung zum drahtlosen Empfang von elektrischer Energie von einer Drahtlos-Energiezuführvorrichtung, aufweisend: einen energieempfangsseitigen Schwingkreis, der mit einer Empfangsspule zum drahtlosen Empfang von elektrischer Energie von einer Energiezuführseite und mit einem energieempfangsseitigen Resonanzkondensator versehen ist, der mit der Empfangsspule verbunden ist; eine Gleichrichterschaltung, in welcher die von der Empfangsspule empfangene elektrische Energie gleichgerichtet wird, um zu einer Last ausgegeben zu werden; einen energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt zum Erfassen einer Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung; eine Kurzschlusseinrichtung, die mit einem Schaltelement versehen ist, das zwischen einem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und einem Ausgangsabschnitt der Gleichrichterschaltung angeschlossen ist, und ein Gleichrichterelement, das zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und dem Schaltelement eingesetzt ist; und eine Steuerschaltung, die das Schaltelement betätigt, wenn ein Wert der vom energieempfangsseitigen Spannungserfassungsabschnitt erfassten Ausgangsspannung einen vorbestimmten Referenzspannungswert übersteigt.
  2. Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gleichrichterschaltung mit einer brückenartigen Schaltung versehen ist, in welcher vier Dioden zu einer Vollbrücke verschaltet sind, sowie mit einem Glättungskondensator, der parallel mit der brückenartigen Schaltung geschaltet ist.
  3. Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuerschaltung ein Unterbrechungssignal zum Unterbrechen des Energiezuführbetriebs zur Drahtlos-Energiezuführvorrichtung überträgt, und zwar gleichzeitig oder unmittelbar nachdem die Steuerschaltung das Schaltelement betätigt.
  4. Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ferner eine Transformationsschaltung zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und einem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung eingesetzt ist.
  5. Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ferner eine Induktorschaltung zwischen dem Ausgangsabschnitt des energieempfangsseitigen Schwingkreises und einem Eingangsabschnitt der Gleichrichterschaltung vorgesehen ist.
  6. Drahtlos-Energieübertragungsvorrichtung mit der Drahtlos-Energieempfangsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und einer Drahtlos-Energiezuführvorrichtung, wobei die Drahtlos-Energiezuführvorrichtung mit einem energiezuführseitigen Schwingkreis und einer Wechselrichterschaltung versehen ist, wobei der energiezuführseitige Schwingkreis eine Energiezuführspule zum drahtlosen Zuführen von Energie zur Energieempfangsseite und einen energiezuführseitigen Resonanzkondensator aufweist, der mit der Energiezuführspule verbunden ist, und wobei die Wechselrichterschaltung einen Eingangsgleichstrom in einen Wechselstrom umwandelt und dann der Energiezuführspule zuführt.
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