DE112017007163T5

DE112017007163T5 - Kontaktlose stromversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112017007163T5
Application number: DE112017007163.1T
Authority: DE
Inventors: Goro Nakao; Toshiyuki Zaitsu
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2017-03-02
Filing date: 2017-11-24
Publication date: 2019-11-28
Also published as: CN110121827A; JP2018148638A; US11128173B2; US20200083748A1; CN110121827B; WO2018159030A1; JP6680243B2; KR20190079640A; KR102180371B1

Abstract

Eine Leistungsempfangsvorrichtung 3 einer kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung 1 weist eine Resonanzschaltung 20 auf, die bei einer ersten Frequenz mitschwingt, eine Spannungserfassungsschaltung 27, die eine Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 misst und einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung berechnet, und einen Sender 28, der ein Signal an eine Leistungsübertragungsvorrichtung 2 überträgt, das Informationen über den gemessenen Wert der Ausgangsspannung enthält. Die Leistungsübertragungsvorrichtung 2 der kontaktlosen Stromversorgungsvorrichtung 1 weist eine Übertragungsspule 13 auf zum Versorgen der Leistungsempfangsvorrichtung mit Strom, eine Stromversorgungsschaltung 10, die eine Wechselspannung mit einer anpassbaren Umschaltfrequenz an die Übertragungsspule 13 liefert, einen Empfänger 14, der das Signal empfängt, das die Informationen über den gemessenen Wert der Ausgangsspannung enthält, und eine Steuerschaltung 16, die im Einklang mit dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung die Umschaltfrequenz derart steuert, dass die Übertragungsspule 13 und die Stromversorgungsschaltung 10 einen Sanftschaltungsbetrieb fortsetzen können.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung.
HINTERGRUND
Techniken zum räumlichen Übertragen von elektrischer Leistung ohne die Verwendung von Metallkontakten oder dergleichen, sogenannte kontaktlose Stromversorgung (auch drahtlose Stromversorgung genannt) wurden herkömmlich untersucht.
Eine bekannte Technik zur kontaktlosen Stromversorgung betrifft ein Verfahren zur Stromversorgung mittels elektromagnetischer Induktion. In einem Verfahren zur Stromversorgung durch elektromagnetische Induktion wird ein Primärreihen- Sekundärparallel-(Leistungsempfangsseitig)-Kondensator-Verfahren (nachstehend als SP-Verfahren bezeichnet) angewandt (siehe etwa NPL 1). Gemäß des SP-Verfahrens wird ein Kondensator in Reihe verbunden mit einer Übertragungsspule, die primärseitig (Leistungsübertragungsseitig) als Teil eines Transformators dient, und ein Kondensator wird parallel verbunden mit einer Empfangsspule, die als ein anderer Teil des Transformators auf der Sekundärseite dient (Leistungsempfangsseitig).
In dem SP-Verfahren bewirkt die Resonanzschaltung, die die Empfangsspule und den Kondensator auf der Leistungsempfangsseite enthält, eine Parallelresonanz und die Ausgabe der Resonanzschaltung ist ein konstanter Strom. Somit ist es allgemein schwieriger, im Rahmen des SP-Verfahrens eine Steuerung durchzuführen, im Vergleich zum Primärreihen-Sekundärreihen-Kondensator-Verfahren (nachstehend als SS-Verfahren bezeichnet), bei dem die Ausgabe auf der Leistungsempfangsseite eine konstante Spannung ist. Dies ist darin begründet, dass elektrische Geräte in der Regel durch eine konstante Spannung gesteuert werden. Ferner nimmt der Resonanzstrom auf der Leistungsübertragungsseite bei der Leistungsübertragung mit Reihenresonanz zu während der Stromversorgung, und die Energieübertragungseffizienz nimmt ab, wenn der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule auf der Leistungsübertragungsseite und der Empfangsspule auf der Leistungsempfangsseite sehr niedrig ist (beispielsweise ein Kopplungskoeffizient k < 0.2). Deshalb wird bevorzugt keine Reihenresonanz auf der Leistungsübertragungsseite benutzt für die Leistungsübertragung in einem Anwendungsfall, in dem der Kopplungskoeffizient nicht hoch gehalten werden kann. Darüber hinaus ist es möglich, höhere Leistungen zu übertragen durch Einsatz von Parallelresonanz auf der Leistungsempfangsseite, wenn auf der Leistungsübertragungsseite keine Reihenresonanz verwendet wird. Deshalb weist eine kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung vorzugsweise einen Schaltungsaufbau auf, bei dem die Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite vorrangig Leistungsübertragung durchführt, wenn der Kopplungskoeffizient sehr niedrig ist. Mit anderen Worten ist es möglich, durch Einsatz des SP-Verfahrens anstelle des SS-Verfahrens die Leistungsübertagungseffizienz zu steigern.
Andererseits wurde eine Technik vorgeschlagen zum Ausgeben einer konstanten Spannung auf der Leistungsempfangsseite im SP-Verfahren durch Auswählen passender Kapazitätswerte für die Kondensatoren in den Resonanzschaltungen auf der Leistungsübertragungsseite und der Leistungsempfangsseite (siehe beispielsweise NPL 2).
[Zitatliste]
[Nichtpatentliteratur]

[NPL 1] Tohi et al., „Maximum Efficiency of Contactless Power Transfer System using k and Q", The Institute of Electrical Engineers of Japan Technical Meeting Document, SPC, Semiconductor Power Converter Technical Meeting, 2011.
[NPL 2] Fujita et al., „Contactless Power Transfer Systems using Series and Parallel Resonant Capacitors", IEEJ Transactions D (IEEJ Transactions on Industry Applications), 2007, 127 (2), pp 174-180.

KURZZUSAMMENFASSUNG
[TECHNISCHE AUFGABE]
Doch selbst durch die in NPL 2 offenbarte Technik hängt die Kapazität des Kondensators der Resonanzschaltung Ausgangsspannung für eine konstante Ausgangsspannung vom Kopplungskoeffizienten ab; deshalb ist es schwierig, diese Technik einzusetzen, wenn die kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung in einem Umfeld verwendet wird, in dem sich der Kopplungskoeffizient dynamisch verändert.
Um dem zu begegnen ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Vorsehen einer kontaktlosen Stromversorgungsvorrichtung, die einen Rückgang der Energieübertragungseffizienz selbst dann unterdrückt, wenn sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule dynamisch verändert.
[LÖSUNG DER AUFGABE]
Als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung vorgesehen, enthaltend eine Leistungsübertragungsvorrichtung und eine Leistungsempfangsvorrichtung, an die elektrische Leistung kontaktlos übertragen wird von der Leistungsübertragungsvorrichtung. In dieser kontaktlosen Stromversorgungsvorrichtung umfasst die Leistungsempfangsvorrichtung: eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule umfasst, die elektrische Leistung empfängt von der Leistungsübertragungsvorrichtung, und einen Resonanzkondensator, der parallel mit der Empfangsspule verbunden ist, wobei die Resonanzschaltung bei einer ersten Frequenz mitschwingt; eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung der Resonanzschaltung misst und einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung erhält; und einen Sender, der ein Signal an die Leistungsübertragungsvorrichtung überträgt, das Informationen enthält, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigen, wobei die Leistungsübertragungsvorrichtung umfasst: eine Übertragungsspule, die die Leistungsempfangsvorrichtung mit elektrischer Leistung versorgt; eine Stromversorgungsschaltung, die die Übertragungsspule mit einer Wechselspannung versorgt, die eine anpassbare Umschaltfrequenz aufweist; einen Empfänger, der die Informationen empfängt, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigen; und eine Steuerschaltung, die die Umschaltfrequenz derart im Einklang mit dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung steuert, dass sie der Übertragungsspule und der Stromversorgungsschaltung gestattet, im Sanftschaltungsbetrieb fortzufahren.
In dieser kontaktlosen Stromversorgungsvorrichtung ist bevorzugt, dass die Steuerschaltung der Leistungsübertragungsvorrichtung die Umschaltfrequenz steuert in einem Frequenzbereich, der die erste Frequenz bei einem erwarteten Kopplungskoeffizienten zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule umfasst.
In einem solchen Fall ist es bevorzugt, dass der Frequenzbereich, in dem die Umschaltfrequenz gesteuert wird, derart gewählt ist, dass eine Minimalfrequenz des gleich der ersten Frequenz ist bei einem Minimalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten. Es ist bevorzugt, dass die Steuerschaltung die Umschaltfrequenz auf eine Maximalfrequenz des Frequenzbereichs einstellt, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung eine erste Spannung übersteigt.
Ferner ist es in dieser kontaktlosen Stromversorgungsvorrichtung bevorzugt, dass die Steuerschaltung der Leistungsübertragungsvorrichtung die Umschaltfrequenz derart steuert, dass eine Differenz zwischen dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung verringert wird in einem Fall, in dem die Resonanzschaltung mitschwingt.
[VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG]
Eine erfindungsgemäße kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung weist die vorteilhafte Wirkung auf, dass die einen Rückgang der Energieübertragungseffizienz selbst dann unterdrückt, wenn sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule dynamisch verändert.
Figurenliste

1A zeigt beispielhaft eine Frequenzkennlinie einer Ausgangsspannung einer Resonanzschaltung auf einer Leistungsempfangsseite bei einem SP-Verfahren für den Fall, dass eine Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite größer ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf einer Leistungsübertragungsseite.
1B zeigt ein Beispiel einer Frequenzkennlinie der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite in dem SP-Verfahren für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ungefähr gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist.
2A zeigt eine Frequenzkennlinie des Stroms, der durch eine Übertragungsspule fließt, wenn die Resonanzschaltungen auf der Leistungsübertragungsseite und der Leistungsempfangsseite identisch mit den Resonanzschaltungen in 1A sind.
2B zeigt eine Frequenzkennlinie des Stroms, der durch die Übertragungsspule fließt, wenn die Resonanzschaltungen auf der Leistungsübertragungsseite und der Leistungsempfangsseite identisch mit den Resonanzschaltungen in 1B sind.
3A zeigt schematisch den Aufbau einer kontaktlosen Stromversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Umschalfrequenzsteuerung und Frequenzkennlinien von Ausgabespannungen bei verschiedenen Kopplungskoeffizienten.
5A bis 5C zeigen jeweils Schaltkreisdiagramme der Stromversorgungsschaltungen gemäß Variationen.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Eine kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachstehend beschrieben unter Bezugnahme auf die Figuren. Diese kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung versorgt Leistung von einer Leistungsübertragungsvorrichtung, die keine Resonanzschaltung umfasst, und versorgt eine Übertragungsspule direkt mit Wechselstrom an eine Leistungsempfangsvorrichtung, die eine Resonanzschaltung umfasst, die eine Parallelresonanz bewirkt. Die Erfinder haben erkannt, dass wenn in einem SP-Verfahren die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung der Leistungsübertragungsvorrichtung nahe an die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung der Leistungsempfangsvorrichtung gebracht wird, die maximale Leistung zunimmt, mit der versorgt werden kann, aber dass die Energieübertragungseffizienz sich nicht notwendig verbessert, weil der Strom, der durch die Übertragungsspule fließt, die in der Resonanzschaltung der Leistungsübertragungsvorrichtung enthalten ist, ebenfalls ansteigt, insbesondere wenn der Kopplungskoeffizient niedrig ist.
1A zeigt ein Beispiel einer Frequenzkennlinie einer Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite in dem SP-Verfahren für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite größer ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite. Ferner zeigt 1B ein Beispiel einer Frequenzkennlinie der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite in dem SP-Verfahren für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ungefähr gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist. In 1A und 1 B ist die Frequenz aufgetragen entlang der Horizontalachse und die Spannung ist aufgetragen entlang der Vertikalachse. Der in 1A gezeigte Graph 101 stellt eine Frequenzkennlinie der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite dar für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite größer ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite. Ferner stellt der in 1B gezeigte Graph 102 eine Frequenzkennlinie der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite dar für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ungefähr gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist. Wie durch Graph 101 gezeigt werden Spitzen der Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz f1 der Resonanzschaltung der Leistungsübertragungsseite oder bei der Resonanzfrequenz f2 der Resonanzschaltung der Leistungsempfangsseite beobachtet, wenn die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite größer ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite. Wie andererseits in Graph 102 gezeigt wird eine Spitze in der Ausgangsspannung beobachtet bei der Resonanzfrequenz f3, die der Leistungsübertragungsseite und der Leistungsempfangsseite gemeinsam ist, wenn die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ungefähr gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist. Die Spitzenspannung ist höher als jede der Spannungsspitzen für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite größer ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite.
2A zeigt eine Frequenzkennlinie des Stroms, der durch die Übertragungsspule der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite fließt, wenn die Resonanzschaltungen auf der Leistungsübertragungsseite und der Leistungsempfangsseite identisch zu den Resonanzschaltungen in 1A sind. Ferner zeigt 2B eine Frequenzkennlinie des Stroms, der durch die Übertragungsspule der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite fließt, wenn die Resonanzschaltungen auf der Leistungsübertragungsseite und der Leistungsempfangsseite identisch zu den Resonanzschaltungen in 1B sind. In 2A und 2B ist die Frequenz aufgetragen entlang der Horizontalachse und der Strom ist aufgetragen entlang der Vertikalachse. Der in 2A gezeigte Graph 201 stellt die Frequenzkennlinie des Stroms dar, der durch die Übertragungsspule fließt, die der Frequenzkennlinie der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite entspricht, die in 1A gezeigt ist. Der in 2B gezeigte Graph 202 stellt die Frequenzkennlinie des Stroms dar, der durch die Übertragungsspule fließt, die der Frequenzkennlinie der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite entspricht, die in 1B gezeigt ist. Wie in Graph 201 und Graph 202 gezeigt fließt selbst dann ein größerer Strom durch die Übertragungsspule, wenn die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite die gleiche ist, wenn die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ungefähr gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist. Wie beispielsweise in Graph 101 und Graph 102 gezeigt ist die Ausgangsspannung bei der Resonanzfrequenz f2 auf der Leistungsempfangsseite für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite größer ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite, ungefähr gleich der Ausgangsspannung bei der Frequenz f4 für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ungefähr gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist. Im Gegensatz dazu ist der Stromwert 12 wie durch Graph 201 und Graph 202 gezeigt, der durch die Übertragungsspule bei der Frequenz f4 fließt, für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ungefähr gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist, größer als der Stromwert 11, der durch die Übertragungsspule bei der Resonanzfrequenz f2 fließt, für den Fall, dass die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite größer als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite ist. Daraus ist ersichtlich, dass eine höhere Energieübertragungseffizienz erreicht wird durch Vergrößern der Differenz zwischen der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite und der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite und durch Verwenden von Wechselstrom mit einer Frequenz, bei der die Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite nicht in Resonanz tritt, statt die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite gleichzusetzen. Die Ursache dafür ist, dass wenn die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite gleich der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite ist, je kleiner der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule ist, desto kleiner die gegenseitige Induktivität zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule ist, und dass im Ergebnis der Strom, der durch die Übertragungsspule fließt, unabhängig von der Last ansteigt.
Somit weist diese kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung keine Resonanzschaltung auf der Leistungsübertragungsseite auf und unterdrückt den Strom, der durch die Übertragungsspule auf der Leistungsübertragungsseite fließt durch Steuern der Umschaltfrequenz der Wechselspannung, mit der die Übertragungsspule versorgt wird, in einem Frequenzbereich, der die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite umfasst, und der eingestellt wird gemäß dem erwarteten Kopplungskoeffizienten. Ferner erlaubt diese kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung der Übertragungsspule auf der Leistungsübertragungsseite mit dem Fortsetzen eines Sanftschaltungsbetriebs durch Messen der Ausgabespannung der Resonanzschaltung auf der Leistungsempfangsseite und durch Steuern der Umschaltfrequenz derart, dass der gemessene Wert einen Schwellenwert nicht übersteigt.
3 zeigt schematisch eine kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 3 gezeigt umfasst die kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung 1 eine Leistungsübertragungsvorrichtung 2 und eine Leistungsempfangsvorrichtung 3, die durch Leistungsübertragungsvorrichtung 2 über den Raum mit Strom versorgt wird. Leistungsübertragungsvorrichtung 2 umfasst eine Stromversorgungsschaltung 10, eine Übertragungsspule 13, einen Empfänger 14, einen Gate-Treiber 15, und eine Steuerschaltung 16. Andererseits umfasst Leistungsempfangsvorrichtung 3 eine Resonanzschaltung 20, die eine Empfangsspule 21 und einen Kondensator 22 umfasst, eine Gleichricht- und Glättungsschaltung 23, eine Lastschaltung 26, eine Spannungserfassungsschaltung 27, und einen Sender 28.
Zunächst wird Leistungsübertragungsvorrichtung 2 beschrieben. Stromversorgungsschaltung 10 versorgt Übertragungsspule 13 mit Wechselstrom, der eine einstellbare Umschaltfrequenz aufweist. Hierfür umfasst Stromversorgungsschaltung 10 eine Gleichstromquelle 11 und vier Schaltelemente 12-1 bis 12-4.
Gleichstromquelle 11 liefert Gleichstrom mit einer vorbestimmten Spannung. Hierfür kann Gleichstromquelle 11 beispielsweise eine Batterie umfassen. Alternativ kann Gleichstromquelle 11 mit einer kommerziellen Wechselstromquelle verbunden werden und eine Vollwellengleichrichtschaltung und einen Glättungskondensator enthalten, um die von Wechselstromquelle gelieferten Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln.
Die vier Schaltelements 12-1 bis 12-4 können beispielsweise n-Kanal-MOSFETs sein. Von den vier Schaltelementen 12-1 bis 12-4 sind Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-2 in Reihe verbunden mit dem positiven Elektrodenanschluss und dem negativen Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11. In der vorliegenden Ausführungsform ist Schaltelement 12-1 verbunden mit der positiven Elektrodenseite von Gleichstromquelle 11, während Schaltelement 12-2 mit der negativen Elektrodenseite von Gleichstromquelle 11 verbunden ist. Der Drain-Anschluss von Schaltelement 12-1 ist mit dem positiven Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11 verbunden, und der Source-Anschluss von Schaltelement 12-1 ist mit dem Drain-Anschluss von Schaltelement 12-2 verbunden. Der Source-Anschluss von Schaltelement 12-2 ist mit dem negativen Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11 verbunden. Ferner sind der Source-Anschluss von Schaltelement 12-1 und der Drain-Anschluss von Schaltelement 12-2 mit einem Ende von Übertragungsspule 13 verbunden, und der Source-Anschluss von Schaltelement 12-2 ist mit dem anderen Ende von Übertragungsspule 13 über Schaltelement 12-4 verbunden.
In vergleichbarer Weise sind unter den vier Schaltelementen 12-1 bis 12-4 Schaltelement 12-3 und Schaltelement 12-4 parallel verbunden mit Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-2 und in Reihe verbunden zwischen dem positiven Elektrodenanschluss und dem negativen Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11. Schaltelement 12-3 ist mit der positiven Elektrodenseite von Gleichstromquelle 11 verbunden, während Schaltelement 12-4 mit der negativen Elektrodenseite von Gleichstromquelle 11 verbunden ist. Der Drain-Anschluss von Schaltelement 12-3 ist mit dem positiven Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11 verbunden, und der Source-Anschluss von Schaltelement 12-3 ist mit dem Drain-Anschluss von Schaltelement 12-4 verbunden. Der Source-Anschluss von Schaltelement 12-4 ist mit dem negativen Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11 verbunden. Ferner sind der Source-Anschluss von Schaltelement 12-3 und der Drain-Anschluss von Schaltelement 12-4 mit dem anderen Ende von Übertragungsspule 13 verbunden.
Ferner sind die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 12-1 bis 12-4 mit der Steuerschaltung 16 über Gate-Treiber 15 verbunden. Ferner kann jedes der Schaltelemente 12-1 bis 12-4 seinen Gate-Anschluss mit seinem eigenen Source-Anschluss über einen Widerstand verbinden, um sicherzustellen, dass das Schaltelement aktiviert wird, wenn eine Spannung zur Aktivierung des Schaltelements angelegt wird. Schaltelemente 12-1 bis 12-4 schalten sich mit einer einstellbaren Umschaltfrequenz an und aus im Einklang mit einem Steuersignal von Steuerschaltung 16. In der vorliegenden Ausführungsform wird das Paar von Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 und das Paar von Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 alternierend an und aus geschaltet, um Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 auszuschalten, wenn Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 angeschaltet sind, und umgekehrt, um Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 auszuschalten, wenn Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 angeschaltet sind. Somit wird die von Gleichstromquelle 11 gelieferte Gleichspannung in eine Wechselspannung umgewandelt, die eine Umschaltfrequenz der Schaltelemente aufweist, und die an Übertragungsspule 13 geliefert wird.
Übertragungsspule 13 überträgt die Wechselspannung von Stromversorgungsschaltung 10 an Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3 durch den Raum.
Jedes Mal wenn Empfänger 14 ein Funksignal von Sender 28 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 empfängt, extrahiert Empfänger 14 Informationen, die einen gemessenen Wert der Ausgabespannung von Resonanzschaltung 20 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 anzeigen, und gibt die Informationen an Steuerschaltung 16 aus. Hierfür umfasst Empfänger 14 beispielsweise eine Antenne zum Empfangen eines Funksignals gemäß eines vorbestimmten Drahtloskommunikationsstandards und eine Kommunikationsschaltung zum Demodulieren des Signals. Bei dem vorbestimmten Drahtloskommunikationsstandard kann es sich beispielsweise um ISO/IEC 15693, ZigBee (TM), oder Bluetooth (TM) handeln.
Gate-Treiber 15 empfängt von Steuerschaltung 16 ein Steuersignal zum An- und Ausschalten der Schaltelemente 12-1 bis 12-4 und ändert im Einklang mit dem Steuersignal die Spannungen, die an die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 12-1 bis 12-4 angelegt werden. Mit anderen Worten, nach Empfang eines Steuersignals zum Anschalten von Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4, legt Gate-Treiber 15 an den Gate-Anschluss von Schaltelement 12-1 und an den Gate-Anschluss von Schaltelement 12-4 solche relativ hohen Spannungen an, dass Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 angeschaltet werden. Dadurch wird dem Strom von Gleichstromquelle 11 erlaubt, durch Schaltelement 12-1, Übertragungsspule 13, und Schaltelement 12-4 zu fließen. Andererseits, nach Empfang eines Steuersignals zum Abschalten von Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4, legt Gate-Treiber 15 an den Gate-Anschluss von Schaltelement 12-1 und den Gate-Anschluss von Schaltelement 12-4 solche relativ niedrigen Spannungen an, dass Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 ausgeschaltet werden, um einem Strom von Gleichstromquelle 11 nicht zu gestatten, durch Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 zu fließen. In vergleichbarer Weise steuert Gate-Treiber 15 die Spannungen, die an den Gate-Anschlüssen von Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 anliegen. Wenn somit Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 ausgeschaltet werden und Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 angeschaltet werden, fließt ein Strom von Gleichstromquelle 11 durch Schaltelement 12-3, Übertragungsspule 13, und Schaltelement 12-2.
Steuerschaltung 16 umfasst beispielsweise einen nichtflüchtigen Speicher, einen flüchtigen Speicher, eine Arithmetikschaltung, und eine Schnittstellenschaltung für die Verbindung mit anderen Schaltkreisen. Jedes Mal wenn Steuerschaltung 16 einen gemessenen Wert der Ausgabespannung von Empfänger 14 empfängt, steuert Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz der Stromversorgungsschaltung 10 und der Übertragungsspule 13 gemäß des gemessenen Wertes.
Um dies zu erreichen steuert Steuerschaltung 16 in der vorliegenden Ausführungsform die Schaltelemente 12-1 bis 12-4 derart, dass das Paar aus Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 und das Paar aus Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 alternierend angeschaltet werden, und dass die Dauer, während der das Paar aus Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 angeschaltet sind, und die Dauer, während der das Paar aus Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 angeschaltet sind, in einer Periode gleich sind, wobei die Periode der Umschaltfrequenz entspricht. Durch das An- und Ausschalten des Paares aus Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 und des Paares aus Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3, kann Steuerschaltung 16 eine Totzeit einstellen, während der beide Paare aus Schaltelementen ausgeschaltet sind, um einen Kurzschluss von Gleichstromquelle 11 zu vermeiden, der dann auftritt, wenn das Paar aus Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 und das Paar aus Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3 gleichzeitig angeschaltet sind..
Details der Steuerung der Schaltelemente 12-1 bis 12-4 durch Steuerschaltung 16 werden später beschrieben.
Als Nächstes wird Leistungsempfangsvorrichtung 3 beschrieben.
Resonanzschaltung 20 ist ein Beispiel einer ersten Resonanzschaltung und ist eine LC-Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule 21 und einen Kondensator 22 umfasst, die parallel miteinander verbunden sind. Ein Ende von Empfangsspule 21 in Resonanzschaltung 20 ist verbunden mit einem Ende von Kondensator 22 und mit einem Eingabeanschluss von Gleichricht- und Glättungsschaltung 23. Das andere Ende von Empfangsspule 21 ist verbunden mit dem anderen Ende von Kondensator 22 und mit dem anderen Eingabeanschluss von Gleichricht- und Glättungsschaltung 23.
Empfangsspule 21 empfängt elektrische Leistung von Übertragungsspule 13 durch Mitschwingen mit dem Wechselstrom, der durch Übertragungsspule 13 von Leistungsübertragungsvorrichtung 2 fließt. Empfangsspule 21 gibt die empfangene elektrische Leistung aus an Gleichricht- und Glättungsschaltung 23 über Kondensator 22. Die Zahl der Windungen von Empfangsspule 21 und die Zahl der Windungen von Übertragungsspule 13 von Leistungsübertragungsvorrichtung 2 können identisch sein oder unterschiedlich. In der vorliegenden Ausführungsform können ferner die Induktivität von Empfangsspule 21 und die Kapazität von Kondensator 22 von Resonanzschaltung 20 derart gewählt werden, dass sie die nachstehende Gleichung erfüllen.
[Gleichung 1] $\begin{matrix} f_{r 2} = \frac{1}{2 π \sqrt{C_{p} \cdot L_{r 2}}} \\ L_{r 2} = L_{2} (1 - k) (1 + k) \end{matrix}$
wobei C_p die Kapazität von Kondensator 22 ist und L₂ die Induktivität von Empfangsspule 21 ist. L_r2 ist die Induktivität von Empfangsspule 21, wenn Übertragungsspule 13 kurzgeschlossen ist, und k ist ein Kopplungskoeffizient von Übertragungsspule 13 und Empfangsspule 21, und f_r2 ist die Resonanzfrequenz von Resonanzschaltung 20. Beispielsweise kann für einen erwarteten Kopplungskoeffizienten (z.B., k = 0.1 bis 0.5) die Induktivität von jeder Spule und die Kapazität von jedem Kondensator derart gewählt werden, dass die Bedingung f_r2 = 100 kHz erfüllt wird.
Ein Ende von Kondensator 22 ist verbunden mit Empfangsspule 21 und das andere Ende von Kondensator 22 ist verbunden mit Gleichricht- und Glättungsschaltung 23. Kondensator 22 gibt die elektrische Leistung, die durch Empfangsspule 21 empfangen worden ist, an Gleichricht- und Glättungsschaltung 23 aus.
Gleichricht- und Glättungsschaltung 23 umfasst eine Vollwellengleichrichtschaltung 24, die vier Dioden umfasst, die in einer Brücke verbunden sind, sowie einen Glättungskondensator 25. Gleichricht- und Glättungsschaltung 23 richtet gleich und glättet die elektrische Leistung, die durch Empfangsspule 21 und Kondensator 22 empfangen wird, um die elektrische Leistung in Gleichstrom umzuwandeln. Gleichricht- und Glättungsschaltung 23 gibt den Gleichstrom an die Lastschaltung 26 aus.
Spannungserfassungsschaltung 27 misst die Ausgangsspannung zwischen zwei Anschlüssen von Vollwellengleichrichtschaltung 24 zu jeder vorgegebenen Periode. Da die Ausgangsspannungen zwischen beiden Anschlüssen von Vollwellengleichrichtschaltung 24 eineindeutig den Ausgangsspannungen von Resonanzschaltung 20 entsprechen, sind gemessene Werte der Ausgangsspannung zwischen zwei Anschlüssen der Vollwellengleichrichtschaltung 24 indirekt gemessene Werte der Ausgangsspannung von Resonanzschaltung 20. Spannungserfassungsschaltung 27 kann beispielsweise irgendeine von verschiedenen bekannten Spannungserfassungsschaltungen sein, die eine Gleichspannung erfassen können. Die vorbestimmte Periode ist beispielsweise länger als die Periode, die dem erwarteten Minimalwert der Umschaltfrequenz von Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 von Leistungsübertragungsvorrichtung 2 entspricht, beispielsweise 10 Millisekunden bis 1 Sekunde. Spannungserfassungsschaltung 27 gibt ein Spannungserfassungssignal an Sender 28 aus, welches den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigt.
Jedes Mal wenn Sender 28 ein Spannungserfassungssignal von Spannungserfassungsschaltung 27 empfängt, erzeugt Sender 28 ein Funksignal, das Informationen umfasst, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigen, die durch das Spannungserfassungssignal angezeigt wird, und überträgt das Funksignal an Empfänger 14 von Leistungsübertragungsvorrichtung 2. Hierfür umfasst Sender 28 beispielsweise eine Kommunikationsschaltung, die ein Funksignal erzeugt gemäß eines vorbestimmten Kommunikationsstandards, und eine Antenne zum Übertragen des Signals. Bei dem vorbestimmten Kommunikationsstandard kann es sich beispielsweise um ISO/IEC 15693, ZigBee (TM), oder Bluetooth (TM) handeln, wie im Falle von Empfänger 14. Ferner können die Informationen, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigen, beispielsweise der gemessene Wert der Ausgangsspannung selbst sein oder Informationen, die eine Stufe anzeigen, zu dem der gemessene Wert gehört, wenn der Bereich der möglichen Werte, die ein gemessener Wert der Ausgangsspannung annehmen kann, in Stufen zerlegt wird. In einem solchen Fall können Stufen beispielsweise eine Stufe sein, die unter einer Referenzspannung liegt, eine Stufe, die nicht unter einer Referenzspannung und unter einer Obergrenzspannung liegt, und eine Stufe, die nicht unter der Maximalspannung liegt. Die Referenzspannung und die Obergrenzspannung werden später beschrieben.
Ein Betrieb der kontaktlosen Stromversorgungsvorrichtung 1 wird unten im Detail beschrieben.
Jedes Mal wenn in der vorliegenden Ausführungsform Steuerschaltung 16 von Leistungsübertragungsvorrichtung 2 einen gemessenen Wert von Empfänger 14 empfängt, steuert Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz, d.h., sie steuert die Periode des An- und Ausschaltens des Paares aus Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 und des Paares aus Schaltelement 12-2 und Schaltelement 12-3, in einem vorbestimmten Frequenzbereich. Ein vorbestimmter Frequenzbereich wird beispielsweise bevorzugt derart gewählt, dass er die Resonanzfrequenz f_r2 von Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3 umfasst, bei dem erwarteten Kopplungskoeffizienten, um die Leistung zu erhöhen, die Leistungsempfangsvorrichtung 3 empfangen kann.
Wie sich aus Gleichung (1) ergibt nimmt die Resonanzfrequenz f_r2 der Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3 zu mit zunehmendem Kopplungskoeffizienten k. Mit zunehmendem Widerstand von Lastschaltung 26 wird ferner der Leitungswinkel der Dioden geringer, die in Vollwellengleichrichtschaltung 24 enthalten sind, und im Ergebnis wird die Wirkung der Kapazität von Empfangsspule 21 unterdrückt, und deshalb nimmt die Resonanzfrequenz f_r2 zu.
Somit kann die Minimalfrequenz fmin des vorbestimmten Frequenzbereiches beispielsweise gleich der Resonanzfrequenz f_r2 sein, die dem Minimalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten und dem Minimalwert des erwarteten Widerstandes der Lastschaltung 26 entspricht, wenn die Stromversorgung durchgeführt wird. Ferner wird die Maximalfrequenz fmax des vorbestimmten Frequenzbereiches bevorzugt auf eine Frequenz eingestellt, die höher ist als die Resonanzfrequenz f_r2 , die dem Maximalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten und dem Maximalwert des erwarteten Widerstandes der Lastschaltung 26 entspricht. Wenn der Widerstand von Lastschaltung 26 konstant ist oder wenn die Varianz des Widerstandswertes der Lastschaltung 26 vernachlässigbar ist, kann die Minimalfrequenz fmin gleich einer Resonanzfrequenz f_r2 sein, die dem Minimalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten entspricht.
Ferner steuert Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz derart, dass der Wert der Spannung, die durch Spannungserfassungsschaltung 27 gemessen wird, näher an der Referenzspannung ist, um den Strom zu unterdrücken, der durch Übertragungsspule 13 fließt, und um die Energieübertragungseffizienz zu verbessern. Hier kann die Referenzspannung beispielsweise die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 sein für den Fall, dass die Resonanzfrequenz f_r2 gleich der Minimalfrequenz fmin ist.
Um ferner die Energieübertragungseffizienz zu verbessern, wird bevorzugt, dass Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 von Leistungsübertragungsvorrichtung 2 damit fortfahren, im Sanftschaltungsbetrieb zu fahren (induktiver Betrieb). Damit Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 im Sanftschaltungsbetrieb fahren ist es bevorzugt, dass die Phase des Stroms, der durch Übertragungsspule 13 fließt, verzögert ist gegenüber der Phase der Umschaltspannung. Dies erlaubt beispielsweise, dass ein Strom vom Source-Anschluss zum Drain-Anschluss von Schaltelement 12-1 fließt, wenn Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-4 angeschaltet sind, und Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 somit im Sanftschaltungsbetrieb fahren, womit das Auftreten eines Umschaltverlustes unterdrückt wird.
Da jedoch das Produkt aus Kopplungskoeffizient und Q-Wert von Empfangsspule 21 (nachstehend als kQ-Produkt bezeichnet), welcher durch Gleichung (2) unten ausgedrückt wird, zunimmt, eilt die Phase des Stroms, die durch Übertragungsspule 13 fließt, relativ voraus.
[Gleichung 2] $Q = R \sqrt{\frac{C_{p}}{L_{r 2}}}$
wobei R der Widerstand der Lastschaltung 26 ist. Wenn das kQ-Produkt größer als ein bestimmter Wert ist, eilt die Phase des Stroms, die durch Übertragungsspule 13 fließt, relativ zur Phase der Umschaltspannung voraus, und Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 fahren im Hartumschaltbetrieb (kapazitiver Betrieb), was zu einer Abnahme der Energieübertragungseffizienz führt. Wenn ferner das kQ-Produkt zunimmt, nimmt auch die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 zu. Ob somit Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 im Sanftumschalt- oder Hartumschaltbetrieb gefahren werden, kann aus dem durch Spannungserfassungsschaltung 27 gemessenen Wert ermittelt werden.
Somit wird in der vorliegenden Ausführungsform eine Obergrenzspannung Vth gewählt bezüglich den Werten der Ausgangsspannung, die durch Spannungserfassungsschaltung 27 gemessen wird. Die Obergrenzspannung Vth wird auf einen Wert eingestellt, der berechnet wird durch Subtrahieren einer vorbestimmten Offset-Spannung von dem Maximalwert der Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen von Vollwellengleichrichtschaltung 24 für den Fall, dass Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 im Sanftschaltungsbetrieb gefahren werden (der Offset-Wert kann beispielsweise ein Wert sein, der berechnet wird durch Multiplizieren des Maximalwertes der Ausgangsspannung mit 0.005 bis 0.02). Steuerschaltung 16 steuert die Umschaltfrequenz derart, dass der Wert der Ausgangsspannung, der durch Spannungserfassungsschaltung 27 gemessen wird, nicht mehr ist, als die Obergrenzspannung Vth, um der Stromversorgungsschaltung 10 und der Übertragungsspule 13 zu gestatten, im Sanftschaltungsbetrieb fortzufahren, und um so eine Abnahme der Energieübertragungseffizienz zu unterdrücken.
Die Maximalfrequenz fmax, die Minimalfrequenz fmin, die Referenzspannung Vr, und die Obergrenzspannung Vth werden im nichtflüchtigen Speicher in Steuerschaltung 16 gespeichert.
4 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Umschaltfrequenzsteuerung und Frequenzkennlinien von Ausgangsspannungen bei unterschiedlichen Kopplungskoeffizienten. In 4 ist die Frequenz entlang der horizontalen Achse aufgetragen und die Spannung entlang der vertikalen Achse. Die Graphen 401 bis 404 zeigen jeweils Frequenzkennlinien der Ausgangsspannungen zwischen beiden Anschlüssen der Vollwellengleichrichtschaltung 24, entsprechend den Kopplungskoeffizienten k1 bis k4. Dabei gilt k1 < k2 < k3 < k4, Kopplungskoeffizient k1 ist der Minimalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten und Kopplungskoeffizient k4 ist der Maximalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten.
Wenn der Kopplungskoeffizient von Übertragungsspule 13 und Empfangsspule 23 k1 ist, führt Steuerschaltung 16 eine Steuerung derart durch, dass die Umschaltfrequenz gleich der Minimalfrequenz fmin ist. Dies setzt die Ausgangsspannung gleich zur Referenzspannung Vr wie durch den Zustand 411 gezeigt wird, und Leistungsempfangsvorrichtung 3 wird mit dem Strom versorgt ohne Abnahme der Energieübertragungseffizienz. Wenn sich dann die räumliche Beziehung zwischen Leistungsübertragungsvorrichtung 2 und Leistungsempfangsvorrichtung 3 ändert und der Kopplungskoeffizient sich von k1 nach k2 ändert, nimmt die Ausgangsspannung zu, wie durch Zustand 412 gezeigt, selbst dann, wenn Stromversorgungsschaltung 10 und Übertragungsspule 13 den Umschaltbetrieb bei der Minimalfrequenz fmin durchführen. Da in diesem Fall jedoch die Ausgangsspannung nicht die Obergrenzspannung Vth übersteigt, kann Steuerschaltung 16 die Ausgangsspannung näher an die Referenzspannung Vr bringen, wie durch Zustand 413 gezeigt, durch schrittweise Erhöhen der Umschaltfrequenz um eine vorbestimmte Frequenzänderungsmenge (zum Beispiel, um 5 kHz bis 10 kHz).
Wenn sich andererseits die räumliche Beziehung zwischen Leistungsübertragungsvorrichtung 2 und Leistungsempfangsvorrichtung 3 ändert, und der Kopplungskoeffizient sich von k1 nach k3 ändert, nähert sich die Ausgangsspannung der Obergrenzspannung Vth an, wie durch den Zustand 414 gezeigt. Wenn deshalb Steuerschaltung 16 schrittweise die Umschaltfrequenz erhöht um die vorbestimmte Frequenzänderungsmenge, wird die Ausgangsspannung die Obergrenzspannung Vth übersteigen. Um dies zu adressieren senkt Steuerschaltung 16 die Ausgangsspannung durch Einstellen der Umschaltfrequenz auf die Maximalfrequenz fmax, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung die Obergrenzspannung Vth erreicht. Da in diesem Fall die Maximalfrequenz fmax höher als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 ist, ist die Ausgangsspannung niedriger als die Referenzspannung Vr wie durch Zustand 415 gezeigt. Nach Einstellen der Umschaltfrequenz auf die Maximalfrequenz fmax kann somit die Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz um die vorbestimmte Frequenzänderungsmenge absenken, bis der gemessene Wert der Ausgangsspannung die Referenzspannung Vr erreicht, wie durch Zustand 416 gezeigt.
Wenn sich ferner die räumliche Anordnung zwischen Leistungsübertragungsvorrichtung 2 und Leistungsempfangsvorrichtung 3 ändert und sich der Kopplungskoeffizient von k1 nach k4 ändert, übersteigt die Ausgangsspannung die Obergrenzspannung Vth. In diesem Fall stellt Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz auf die Maximalfrequenz fmax ein. Dies bringt die Ausgangsspannung dichter an die Referenzspannung Vr, wie durch Zustand 417 gezeigt.
Wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung niedriger ist als die Referenzspannung Vr, kann die Steuerschaltung 16 schrittweise die Umschaltfrequenz erhöhen um die vorbestimmte Frequenzänderungsmenge bis der gemessene Wert der Ausgangsspannung die Referenzspannung Vr erreicht.
Um die oben beschriebenen Verfahrensschritte zusammenzufassen: Wenn der Wert der Ausgangsspannung, der durch die Spannungserfassungsschaltung 27 gemessen wird, niedriger ist als die Referenzspannung Vr, senkt Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz um eine vorbestimmte Frequenz ab. Wenn andererseits der gemessene Wert der Ausgangsspannung höher ist als die Referenzspannung Vr und niedriger als die Obergrenzspannung Vth, erhöht Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz um die vorbestimmte Frequenz. Wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung gleich oder größer ist als die Obergrenzspannung Vth, stellt Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz auf die Maximalfrequenz fmax ein. Wenn sich der Absolutwert der Differenz zwischen dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung und der Referenzspannung Vr in einem vorbestimmten erlaubten Bereich befindet (zum Beispiel, ±3 bis 5% der Referenzspannung Vr), kann Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz unverändert lassen.
Die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 und die Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen der Vollwellengleichrichtschaltung 24 kann auch reduziert werden durch Absenken der Umschaltfrequenz unter die Resonanzfrequenz f_r2 der Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3. Gemäß einer Variation kann somit die Maximalfrequenz fmax des Frequenzbereichs, in dem die Umschaltfrequenz angepasst wird, auf die Resonanzfrequenz f_r2 von Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3 beim Minimalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten eingestellt werden. Wenn in einem solchen Fall der Kopplungskoeffizient zunimmt und der gemessene Wert der Ausgangsspannung die Referenzspannung Vr im Ergebnis übersteigt, kann die Steuerschaltung 16 schrittweise die Umschaltfrequenz absenken um die vorbestimmte Frequenzänderungsmenge. Wenn ferner der gemessene Wert der Ausgangsspannung die Obergrenzspannung Vth erreicht, kann Steuerschaltung 16 die Umschaltfrequenz auf die Minimalfrequenz fmin einstellen. Wenn umgekehrt der gemessene Wert der Ausgangsspannung niedriger ist als die Referenzspannung Vr, kann Steuerschaltung 16 schrittweise die Umschaltfrequenz um die vorbestimmte Frequenzänderungsmenge erhöhen.
Wie oben beschrieben unterdrückt diese kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung selbst dann eine Zunahme des Stroms, der durch die Übertragungsspule fließt, wenn der Kopplungskoeffizient abnimmt, indem keine Resonanzschaltung in der Leistungsübertragungsvorrichtung enthalten ist. Ferner überwacht diese kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung der Leistungsempfangsvorrichtung, steuert die Umschaltfrequenz derart, dass die Ausgangsspannung niedriger ist als die Obergrenzspannung, und gestattet der Stromversorgungsschaltung und der Übertragungsspule der Leistungsübertragungsvorrichtung, mit dem Sanftschaltungsbetrieb fortzufahren. Ferner steuert diese kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung die Umschaltfrequenz derart, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung näher an die Ausgangsspannung kommt, wenn die Resonanzschaltung der Leistungsempfangsvorrichtung mitschwingt, und gestattet so der Leistungsübertragungsvorrichtung, mit dem Betrieb bei einer Umschaltfrequenz fortzufahren, die dicht an der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung der Leistungsempfangsvorrichtung liegt. Diese kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung unterdrückt somit eine Abnahme der Energieübertragungseffizienz selbst dann, wenn sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule dynamisch verändert.
Gemäß einer Variation kann Spannungserfassungsschaltung 27 die Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen von Glättungskondensator 25 messen. In einem solchen Fall kann einer der Anschlüsse von Spannungserfassungsschaltung 27 mit einem Punkt zwischen einem Ende von Glättungskondensator 25 und einem Ende von Lastschaltung 26 angeschlossen sein, während der andere der Anschlüsse von Spannungserfassungsschaltung 27 mit einem Punkt zwischen dem anderen Ende von Glättungskondensator 25 und dem anderen Ende von Lastschaltung 26 verbunden sein kann. Wenn Spannungserfassungsschaltung 27 ferner ein Schaltkreis ist, der Wechselspannung messen kann, kann Spannungserfassungsschaltung 27 direkt die Ausgangsspannung zwischen beiden Ausgangsanschlüssen von Resonanzschaltung 20 messen.
Gemäß einer anderen Variation kann Steuerschaltung 16 ferner die Umschaltfrequenz um eine größere Menge verändern, wenn der Absolutwert der Differenz zwischen dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung und der Referenzspannung größer ist. Dies erlaubt Steuerschaltung 16, die Ausgangsspannung in kurzer Zeit dicht an die Referenzspannung zu bringen.
In Leistungsübertragungsvorrichtung 2 kann ferner Stromversorgungsschaltung, die Übertragungsspule 13 mit Wechselspannung versorgt, eine Schaltanordnung aufweisen, die sich von derjenigen in der oben beschriebenen Ausführungsform unterscheidet, solange es sich um einen Schaltkreis handelt, der variabel die Umschaltfrequenz anpassen kann.
5A bis 5C zeigen jeweils Schaltkreisdiagramme von Stromversorgungsschaltungen gemäß Variationen. Stromversorgungsschaltung 110, gezeigt in 5A, umfasst Wechselstromquelle 111, die eine Umschaltfrequenz anpasst unter der Steuerung von Steuerschaltung 16. Die Wechselspannung von Wechselstromquelle 111 wird direkt an Übertragungsspule 13 geliefert. In dieser Variation kann Steuerschaltung 16 deshalb direkt die Umschaltfrequenz von Wechselstromquelle 111 steuern gemäß der Ausgangsspannung von Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3.
Die in 5B gezeigte Stromversorgungsschaltung 120 umfasst eine Gleichstromquelle 11, zwei Schaltelemente 12-1 und 12-2, und einen Kondensator 121 zum Blockieren von Gleichstrom, der in Reihe verbunden ist mit einer Übertragungsspule 13. Die Schaltelemente können auch in dieser Variation beispielsweise n-Kanal-MOSFETs sein.
In dieser Variation sind Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-2 in Reihe verbunden zwischen dem positiven Elektrodenanschluss und dem negativen Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11. Schaltelement 12-1 ist verbunden auf der positiven Elektrodenseite von Gleichstromquelle 11, während Schaltelement 12-2 verbunden ist auf der negativen Elektrodenseite von Gleichstromquelle 11. Der Drain-Anschluss von Schaltelement 12-1 ist verbunden mit dem positiven Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11, und der Source-Anschluss von Schaltelement 12-1 ist verbunden mit dem Drain-Anschluss von Schaltelement 12-2. Der Source-Anschluss von Schaltelement 12-2 ist verbunden mit dem negativen Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11. Ferner sind der Source-Anschluss von Schaltelement 12-1 und der Drain-Anschluss von Schaltelement 12-2 mit einem Ende von Übertragungsspule 13 verbunden, und der Source-Anschluss von Schaltelement 12-2 ist verbunden mit dem anderen Ende von Übertragungsspule 13 mittels eines Kondensators 121. Die Gate-Anschlüsse der Schaltelemente sind mit dem Gate-Treiber 15 verbunden.
In dieser Variation kann Gate-Treiber 15 Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-2 im Wechsel an- und ausschalten im Einklang mit einem Steuersignal von Steuerschaltung 16. Mit anderen Worten, wenn Schaltelement 12-1 angeschaltet wird und Schaltelement 12-2 ausgeschaltet wird, fließt ein Strom von Gleichstromquelle 11 durch Schaltelement 12-1 zu Übertragungsspule 13 und Kondensator 121 wird geladen. Wenn andererseits Schaltelement 12-1 ausgeschaltet wird und Schaltelement 12-2 angeschaltet wird, entlädt sich Kondensator 121 und ein Strom fließt von Kondensator 121 durch Übertragungsspule 13 und Schaltelement 12-2. In dieser Variation kann Steuerschaltung 16 deshalb die Umschaltfrequenz steuern, bei der Schaltelement 12-1 und Schaltelement 12-2 an- und ausgeschaltet werden, mittels des Gate-Treibers 15 im Einklang mit der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3.
Die in 5C gezeigte Stromversorgungsschaltung 130 umfasst eine Gleichstromquelle 11, zwei Schaltelemente 12-1 und 12-2, und einen Kondensator 121, die in Reihe verbunden sind mit Übertragungsspule 13, in ähnlicher Weise wie bei Stromversorgungsschaltung 120. Allerdings ist in Stromversorgungsschaltung 130, anders als bei Stromversorgungsschaltung 120, ein Ende von Übertragungsspule 13 direkt verbunden mit dem positiven Elektrodenanschluss von Gleichstromquelle 11, wobei das andere Ende von Übertragungsspule 13 mittels des Kondensators 121 mit dem Source-Anschluss von Schaltelement 12-1 und dem Drain-Anschluss von Schaltelement 12-2 verbunden ist.
Auch in dieser Variation kann der Gate-Treiber 15 das Schaltelement 12-1 und das Schaltelement 12-2 im Wechsel an- und ausschalten gemäß eines Steuersignals von Steuerschaltung 16.
Für die in 5B gezeigte Stromversorgungsschaltung 120 und die in 5C gezeigte Stromversorgungsschaltung 130 wird die Kapazität von Kondensator 121 bevorzugt derart eingestellt, dass die Resonanzfrequenz von Übertragungsspule 13 und Kondensator 121 kleiner ist als die Resonanzfrequenz von Resonanzschaltung 20 von Leistungsempfangsvorrichtung 3 und die Minimalfrequenz fmin des Frequenzbereichs, in dem die Umschaltfrequenz angepasst wird, um zu verhindern, dass Übertragungsspule 13 und Kondensator 121 als Resonanzschaltung in dem Frequenzbereich betrieben werden, in dem die Umschaltfrequenz angepasst wird. Diese unterdrückt einen Rückgang der Leistungsübertragungseffizienz aufgrund einer Zunahme des Stroms, der durch Übertragungsspule 13 fließt.
Ähnlich wie bei Stromversorgungsschaltung 120 und Stromversorgungsschaltung 130 kann ferner ein Kondensator zum Blockieren von Gleichstrom, der in Reihe verbunden ist mit Übertragungsspule 13, auch in der oben beschriebenen Ausführungsform vorgesehen sein. Doch auch in diesem Fall wird die Kapazität des Kondensators bevorzugt derart eingestellt, dass die Resonanzfrequenz von Übertragungsspule 13 und dem Kondensator kleiner ist als die Resonanzfrequenz von Resonanzschaltung 20 der Leistungsempfangsvorrichtung 3 und die Minimalfrequenz fmin des Frequenzbereiches, in dem die Umschaltfrequenz angepasst wird, um zu verhindern, dass Übertragungsspule 13 und der Kondensator als Resonanzschaltung betrieben werden in dem Frequenzbereich, in dem die Umschaltfrequenz angepasst wird.
Wenn es ferner möglich ist, Empfänger 14 von Leistungsübertragungsvorrichtung 2 und Sender 28 von Leistungsempfangsvorrichtung 3 per Draht zu verbinden, können sowohl Empfänger 14 als auch Sender 28 eine Kommunikationsschaltung umfassen, die fähig ist, durch einen Draht ein Signal zu kommunizieren, das Informationen enthält, die einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung enthalten.
Wie oben beschrieben kann ein Fachmann verschiedene Änderungen vornehmen, die zu den Ausführungen passen, ohne vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1: Kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung
2: Leistungsübertragungsvorrichtung
10, 110, 120, 130: Stromversorgungsschaltung
11: Gleichstromquelle
12-1: bis 12-4 Schaltelement
13: Übertragungsspule
14: Empfänger
15: Gate-Treiber
18: Steuerschaltung
3: Leistungsempfangsvorrichtung
20: Resonanzschaltung
21: Empfangsspule
22: Kondensator
23: Gleichricht- und Glättungsschaltung
24: Vollwellengleichrichtschaltung
25: Glättungskondensator
26: Lastschaltung
27: Spannungserfassungsschaltung
28: Sender
111: Wechselstromquelle
121: Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Tohi et al., „Maximum Efficiency of Contactless Power Transfer System using k and Q“, The Institute of Electrical Engineers of Japan Technical Meeting Document, SPC, Semiconductor Power Converter Technical Meeting, 2011 [0005]
Fujita et al., „Contactless Power Transfer Systems using Series and Parallel Resonant Capacitors“, IEEJ Transactions D (IEEJ Transactions on Industry Applications), 2007, 127 (2), pp 174-180 [0005]
ISO/IEC 15693 [0035]

Claims

Kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung enthaltend eine Leistungsübertragungsvorrichtung und eine Leistungsempfangsvorrichtung, an die elektrische Leistung kontaktlos übertragen wird von der Leistungsübertragungsvorrichtung, wobei Leistungsempfangsvorrichtung umfasst: eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule umfasst, die elektrische Leistung empfängt von der Leistungsübertragungsvorrichtung, und einen Resonanzkondensator, der parallel mit der Empfangsspule verbunden ist, wobei die Resonanzschaltung bei einer ersten Frequenz mitschwingt; eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung der Resonanzschaltung misst und einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung erhält; und einen Sender, der ein Signal an die Leistungsübertragungsvorrichtung überträgt, das Informationen enthält, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigen, wobei die Leistungsübertragungsvorrichtung umfasst: eine Übertragungsspule, die die Leistungsempfangsvorrichtung mit elektrischer Leistung versorgt; eine Stromversorgungsschaltung, die die Übertragungsspule mit einer Wechselspannung versorgt, die eine anpassbare Umschaltfrequenz aufweist; einen Empfänger, der die Informationen empfängt, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung anzeigen; und eine Steuerschaltung, die die Umschaltfrequenz derart im Einklang mit dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung steuert, dass sie der Übertragungsspule und der Stromversorgungsschaltung gestattet, im Sanftschaltungsbetrieb fortzufahren.
Kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung die Umschaltfrequenz steuert in einem Frequenzbereich, der die erste Frequenz bei einem erwarteten Kopplungskoeffizienten zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule umfasst.
Kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Frequenzbereich derart gewählt ist, dass eine Minimalfrequenz des gleich der ersten Frequenz ist bei einem Minimalwert des erwarteten Kopplungskoeffizienten, und wobei die Steuerschaltung die Umschaltfrequenz auf eine Maximalfrequenz des Frequenzbereichs einstellt, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung eine erste Spannung übersteigt.
Kontaktlose Stromversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung die Umschaltfrequenz derart steuert, dass eine Differenz zwischen dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung verringert wird in einem Fall, in dem die Resonanzschaltung mitschwingt.