DE112019000704T5

DE112019000704T5 - Berührungslose energieversorgungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112019000704T5
Application number: DE112019000704.1T
Authority: DE
Inventors: Atsushi Nomura; Goro Nakao; Yusuke Kawai; Toshiyuki Zaitsu
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2019-01-11
Publication date: 2020-11-12
Also published as: CN111566898A; JP2019140736A; JP7003708B2; US20210066966A1; WO2019155820A1; US11171516B2

Abstract

Eine Energieempfangsvorrichtung 3 einer berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung 1 schließt eine Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurz, die so vorgesehen ist, dass sie elektromagnetisch mit einer Empfangsspule 21 gekoppelt ist, und meldet einer Energieübertragungsvorrichtung 2 eine Anomalie der Ausgangsspannung, wenn ein gemessener Wert der Ausgangsspannung gleich oder größer als eine obere Grenzschwelle wird, wobei der gemessene Wert der Ausgangsspannung durch Gleichrichten von Energie erhalten wird, die über eine Resonanzschaltung 20 empfangen wird, der eine Empfangsspule 21, die so konfiguriert ist, dass sie Energie von einer Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 empfängt, und einen Resonanzkondensator 22 enthält, der parallel zur Empfangsspule 21 geschaltet ist. Nach Erhalt der Meldung der Ausgangsspannungsanomalie ändert die Energieübertragungsvorrichtung 2 mindestens eine der an die Übertragungsspule 14 angelegten Spannung und Schaltfrequenz der Wechselstromenergie.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine berührungslose Energieversorgungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Es wurden Forschungsarbeiten zu einer so genannten berührungslosen Energieversorgung (auch drahtlose Energieversorgung genannt) durchgeführt, bei der Energie ohne Metallkontakte oder Ähnliches über den Raum übertragen wird.
In einer Energieversorgungsvorrichtung, die die berührungslose Energieversorgungstechnologie verwendet (im Folgenden einfach als berührungslose Energieversorgungsvorrichtung bezeichnet), ändert sich bei einer Änderung der Positionsbeziehung zwischen einer primärseitigen (energiesenderseitigen) Spule und einer sekundärseitigen (energieempfängerseitigen) Spule ein Kopplungsgrad zwischen den beiden Spulen entsprechend. Infolgedessen ändert sich auch die Ausgangsspannung von einem energieempfängerseitigen Gerät zu einer Lastschaltung. In einigen Fällen kann die Ausgangsspannung an die Lastschaltung übermäßig ansteigen, wodurch das Gerät auf der Energieempfängerseite, die Lastschaltung oder ähnliches ausfallen kann. Daher wurde eine Technik vorgeschlagen, die verhindert, dass eine Ausgangsspannung übermäßig ansteigt (siehe z.B. Patentdokumente 1 und 2).
Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 einen Vorschlag für ein Verfahren zur Unterdrückung von Resonanzwirkung mit einer Resonanzunterdrückungsschaltung, die auf einer Energieempfängerseite vorgesehen ist, wobei die Resonanzunterdrückungsschaltung eine Steuerspule enthält, die magnetisch mit einer Energieempfängerresonanzspule gekoppelt ist, indem die Steuerspule unter Überwachung einer Ausgangsspannung in einen kurzgeschlossenen oder offenen Zustand geschaltet wird. Ferner wird in Patentdokument 2 ein Vorschlag für eine Konfiguration offenbart, bei der in einer Energieempfängervorrichtung mit einer Energieempfängerantenne und einer Gleichrichterschaltung eines berührungslosen Energieübertragungssystems die Energieempfängerantenne eine Energieempfängerspule, eine Resonanzspule, die elektromagnetisch mit der Energieempfängerspule gekoppelt ist, eine Einstellspule, die elektromagnetisch mit der Resonanzspule gekoppelt ist, und eine Einheit enthält, die so konfiguriert ist, dass sie Impedanzen der Einstellspule schaltet.
DOKUMENTE ZUM STAND DER TECHNIK
PATENTDOKUMENTE

Patentdokument 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer 2015-65724
Patentdokument 2: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit Veröffentlichungsnummer 2012-139033

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
DIE DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE AUFGABE
Bei der in Patentdokument 1 offengelegten Technik und der in Patentdokument 2 offengelegten Technik wird jedoch, wenn sich der Kopplungsgrad zwischen einer energiersenderseitigen Spule und einer energieempfängerseitigen Spule nicht ändert, die Unterdrückung der Resonanz zwischen der energiesenderseitigen Spule und der energieempfängerseitigen Spule als Reaktion auf eine Erhöhung der Ausgangsspannung und die Beendigung der Unterdrückung der Resonanz als Reaktion auf eine Verringerung der Ausgangsspannung wiederholt. Dies führt dazu, dass ein energieempfängerseitiges Gerät weiterhin Energie sendet, auch wenn eine Periode, in der die Energieübertragung unterbrochen ist, intermittierend auftritt. Darüber hinaus wird der Leistungsfaktor aufgrund eines Kurzschlusses in einer Spule reduziert, die so vorgesehen ist, dass sie elektromagnetisch mit der Spule auf der Seite des Energieempfängers gekoppelt ist. Dies wiederum macht den Wirkungsgrad der Energieübertragung niedrig und die mit der Energieübertragung einhergehenden Energieverluste größer.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine berührungslose Energieversorgungsvorrichtung bereitzustellen, die so konfiguriert ist, dass sie Energieverluste unterdrückt und gleichzeitig einen übermäßigen Anstieg der Ausgangsspannung einer Vorrichtung auf der Seite des Energieempfängers unterdrückt.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird vorausgesetzt, dass es sich um eine berührungslose Energieversorgungsvorrichtung handelt, die eine Energieübertragungsvorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung umfasst, an die die Energieübertragungsvorrichtung berührungslos Energie überträgt. In dieser berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung umfasst die Energieübertragungsvorrichtung eine Übertragungsspule, die so konfiguriert ist, dass sie der Energieempfangsvorrichtung Energie zuführt, eine Energieversorgungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie der Übertragungsspule Wechselstromenergie zuführt und mindestens eine Schaltfrequenz und/oder Spannung der der Übertragungsspule zugeführten Wechselstromenergie einstellt, einen ersten Sender-Empfänger, der so konfiguriert ist, dass er ein Ausgangsspannungsanomalitätssignal von der Energieempfangsvorrichtung empfängt, und eine Steuerschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie, wenn der erste Sender-Empfänger das Ausgangsspannungsanomalitätssignal empfängt, mindestens eine Schaltfrequenz und/oder Spannung der von der Energieversorgungsschaltung der Übertragungsspule zugeführten Wechselstromenergie ändert. Ferner enthält die Energieempfangsvorrichtung eine Resonanzschaltung mit einer Empfangsspule, die so konfiguriert ist, dass sie die Energie von der Energieübertragungsvorrichtung empfängt, und einem Resonanzkondensator, der parallel zur Empfangsspule geschaltet ist, eine Gleichrichterschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die über die Resonanzschaltung empfangene Energie gleichrichtet, eine Resonanz-Unterdrückungsspule, die so angeordnet ist, dass sie elektromagnetisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist, einen Schaltkreis, der mit der Resonanz-Unterdrückungsspule verbunden ist, wobei der Schaltkreis so konfiguriert ist, dass er die Resonanz-Unterdrückungsspule in einen kurzgeschlossenen oder offenen Zustand schaltet, eine Spannungserfassungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Ausgangsspannung der von der Gleichrichterschaltung ausgegebenen Energie misst, um einen Messwert der Ausgangsspannung zu erhalten, einen zweiten Sender-Empfänger, der so konfiguriert ist, dass er mit dem ersten Sender-Empfänger kommuniziert, und eine Bestimmungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie den Schaltkreis steuert, um die Resonanz-Unterdrückungsspule kurzzuschließen und den zweiten Sender-Empfänger zu veranlassen, das Ausgangsspannungsanomaliesignal zu übertragen, wenn der Messwert der Ausgangsspannung gleich oder größer als eine vorbestimmte obere Grenzschwelle wird.
Mit einer solchen Konfiguration kann die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung Energieverluste unterdrücken und gleichzeitig einen übermäßigen Anstieg der Ausgangsspannung einer Vorrichtung auf der Seite des Energieempfängers unterdrücken.
In dieser berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung steuert die Bestimmungsschaltung der Energieempfangsvorrichtung den Schaltkreis zum Öffnen der Resonanz-Unterdrückungsspule, wenn die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung beginnt, die Schaltfrequenz und/oder die Spannung der Wechselstromenergie zu ändern.
Dadurch kann die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung nach einer Schaltfrequenz und -spannung suchen, bei der die Übertragungsspule die Energie effizient übertragen kann, während verhindert wird, dass die Energieempfangsvorrichtung oder eine an die Energieempfangsvorrichtung angeschlossener Lastschaltung aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der Ausgangsspannung ausfällt.
Ferner umfasst die Energieempfangsvorrichtung vorzugsweise eine Spule, die zwischen der Resonanzschaltung und der Gleichrichterschaltung geschaltet ist. In einer solchen Konfiguration steuert die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung die Schaltfrequenz der von der an die Übertragungsspule gelieferten Wechselstromenergie, wenn der erste Sender-Empfänger das Ausgangsspannungsanomaliesignal empfängt, um zu verhindern, dass sich der Messwert der Ausgangsspannung als Reaktion auf eine Widerstandsänderung einer Lastschaltung ändert, die mit der Gleichrichterschaltung der Energieempfangsvorrichtung verbunden ist.
Auf diese Weise kann die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung durch Steuerung der Schaltfrequenz auch dann wieder eine konstante Ausgangsspannung abgeben, wenn die Ausgangsspannung vorübergehend ansteigt.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht einer berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist ein Diagramm, das ein Beispiel für einen Schaltkreis zeigt.
2B ist ein Diagramm, das ein Beispiel für den Schaltkreis zeigt.
2C ist ein Diagramm, das ein Beispiel für den Schaltkreis zeigt.
2D ist ein Diagramm, das ein Beispiel für den Schaltkreis zeigt.
3 ist ein Ersatzschaltbild der berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung, das zeigt, wann eine Resonanz-Unterdrückungsspule geöffnet wird.
4 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht.
5 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung zeigt, wenn die Spannung, welche an eine Übertragungsspule angelegt ist, gemäß einem Kopplungskoeffizienten in der in 4 veranschaulichten Simulation verändert wird.
6 ist ein Schaltbild einer Energieversorgungsschaltung gemäß einer Abwandlung.
7 ist ein Strukturdiagramm einer Energieempfangsvorrichtung nach einer weiteren Modifikation.
8 ist ein Strukturdiagramm einer Energieempfangsvorrichtung nach einer weiteren Modifikation.

ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine Berührungslose Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Bei dieser berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung enthält eine empfängerseitige Vorrichtung eine Empfangsspule zum Empfang von Energie und eine Spule zur Unterdrückung von Resonanz (im Folgenden einfach als Resonanz-Unterdrückungsspule bezeichnet), die so vorgesehen ist, dass sie elektromagnetisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist. Wenn dann eine Ausgangsspannung von der energieempfängerseitigen Vorrichtung gleich oder größer als ein vorbestimmter Schwellenwert wird, schließt die energieempfängerseitige Vorrichtung die Resonanz-Unterdrückungsspule kurz, um einen Resonanzzustand einer Resonanzschaltung einschließlich der Empfangsspule zu ändern, und benachrichtigt eine energiesenderseitige Vorrichtung über die Tatsache, dass die Ausgangsspannung gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert wird. Nach Erhalt der Benachrichtigung steuert das energiesenderseitige Gerät eine Frequenz und Spannung der Wechselstromenergie, die an eine energiesenderseitige Übertragungsspule angelegt wird, um die Ausgangsspannung des energieempfängerseitigen Geräts auf eine vorbestimmte Spannung einzustellen. Das heißt, die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung steuert die Frequenz und Spannung der Wechselstromenergie, die an die Übertragungsspule auf der Energiesenderseite angelegt wird, so dass der konstante Spannungsabgabevorgang erhalten bleibt. Des Weiteren hält das energieempfängerseitige Gerät die Resonanz-Unterdrückungsspule im kurzgeschlossenen Zustand, bis die Frequenz und Spannung der an die Übertragungsspule angelegten Wechselstromenergie gestartet werden. Dementsprechend unterdrückt die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung einen übermäßigen Anstieg der Ausgangsspannung des energieempfängerseitigen Geräts und ermöglicht eine kontinuierliche Energieübertragung bei gleichzeitiger Unterdrückung von Energieverlusten.
1 ist eine schematische Ansicht einer berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, umfasst die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 eine Energieübertragungsvorrichtung 2 und eine Energieempfangsvorrichtung 3, an die die Energieübertragungsvorrichtung 2 die Energie berührungslos über den Raum überträgt. Die Energieübertragungsvorrichtung 2 weist eine Energieversorgungsschaltung 10, eine Übertragungsspule 14, einen Sender-Empfänger 15, Halbbrücken-Treiber (Gate-Treiber) 16-1 und 16-2 und eine Steuerschaltung 17 auf. Andererseits enthält die Energieempfangsvorrichtung 3 eine Resonanzschaltung 20 mit einer Empfangsspule 21 und einem Resonanzkondensator 22, eine Spule 23, eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, ein Schaltelement 29, eine Bestimmungsschaltung 30, eine Resonanz-Unterdrückungsspule 31, einen Schaltkreis 32 und einen Sender-Empfänger 33.
Zuerst wird eine Beschreibung der Energieübertragungsvorrichtung 2 gegeben.
Die Energieversorgungsschaltung 10 führt der Übertragungsspule 14 Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und einer einstellbaren Spannung zu. Zu diesem Zweck weist die Energieversorgungsschaltung 10 eine Energieversorgung 11, eine Blindleistungskompensationschaltung 12 und vier Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 auf.
Die Energieversorgung 11 führt Energie mit einer vorbestimmten pulsierenden Spannung zu. Zu diesem Zweck ist die Energiequelle 11 mit einer kommerziellen Wechselstrom-Energiequelle verbunden und weist eine Vollweggleichrichterschaltung auf, um Wechselstrom-Energie, welche durch die Wechselstrom-Energiequelle zugeführt wird, gleichzurichten.
Die Blindleistungskompensationschaltung 12 wandelt eine Spannung der von der Energieversorgung 11 ausgegebenen Energie in eine für die Steuerung von der Steuerschaltung 17 geeignete Spannung um und gibt die umgewandelte Spannung aus. Daher enthält die Blindleistungskompensationschaltung 12 beispielsweise eine Spule L und eine Diode D, die in dieser Reihenfolge von einem positiven Elektrodenanschluß der Energieversorgung 11 in Reihe geschaltet sind, ein Umschaltelement SW, das ein n-Kanal-MOSFET ist, das einen Drain-Anschluss, der zwischen der Spule L und der Diode D geschaltet ist, und einen Source-Anschluss, der mit einem negativen Elektrodenanschluß der Energieversorgung 11 verbunden ist, umfasst, und einen Glättungskondensator C, der parallel zum Umschaltelement SW geschaltet ist, wobei die Diode D zwischen das Umschaltelement SW und den Glättungskondensator C eingefügt ist. Ferner hat das Umschaltelement SW einen Gate-Anschluss, der mit dem Gate-Treiber 16-1 verbunden ist. Des Weiteren weist die Blindleistungskompensationschaltung 12 zwei Widerstände R1 und R2 auf, die zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände R1 und R2 sind zwischen der Diode D und dem Glättungskondensator C zu dem Glättungskondensator C parallel angeschlossen. Eine Spannung zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand R2 wird durch die Steuerschaltung 17 als Messung, welche eine Spannungsausgabe von der Diode D repräsentiert, gemessen.
Die Blindleistungskompensationsschaltung 12 führt einen Blindleistungskompensationsvorgang durch, indem diese gemäß einem durch die Steuerschaltung 17 bestimmten Tastverhältnis den Gate-Treiber 16-1 zum Umschalten des Umschaltelements SW zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand veranlasst, und derart, dass eine Stromausgabe von der Diode D in seiner Wellenform mit der Spannung, welche von der Energieversorgung 11 zugeführt wird, übereinstimmt. Je höher das Tastverhältnis, in welchem das Umschaltelement SW im eingeschalteten Zustand ist, desto höher wird die von der Diode D ausgegebene Spannung.
Die von der Diode D ausgegebene Spannung wird durch den Glättungskondensator C geglättet und der Übertragungsspule 14 über die vier Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 zugeführt.
Man beachte, dass die Blindleistungskompensationschaltung 12 nicht auf die vorangehend beschriebene Konfiguration beschränkt ist und eine andere Konfiguration aufweisen kann, welche in der Lage ist, eine Ausgangsspannung einzustellen, die durch die Steuerschaltung 17 gesteuert wird.
Für die vier Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 können zum Beispiel n-Kanal-MOSFETs verwendet werden. Aus den vier Umschaltelementen 13-1 bis 13-4 sind das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 in Reihe geschaltet. Zudem ist in der vorliegenden Ausführungsform das Umschaltelement 13-1 mit der Seite der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden, während das Umschaltelement 13-2 mit der Seite der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden ist. Das Umschaltelement 13-1 umfasst einen Drain-Anschluss, der mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden ist, und einen Source-Anschluss, der mit dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 verbunden ist. Zudem ist der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit einem Ende der Übertragungsspule 14 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 ist mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 über das Umschaltelement 13-4 verbunden.
Ähnlich sind aus den vier Umschaltelementen 13-1 bis 13-4 das Umschaltelement 13-3 und das Umschaltelement 13-4 mit dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-2 parallel geschaltet und zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 in Reihe geschaltet. Zudem ist das Umschaltelement 13-3 mit der Seite der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden, während das Umschaltelement 13-4 mit der Seite der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden ist. Das Umschaltelement 13-3 umfasst einen Drain-Anschluss, der mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden ist, und einen Source-Anschluss, der mit dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-4 verbunden ist. Zudem ist der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-4 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-3 und der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-4 mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 verbunden.
Zudem sind die Gate-Anschlüsse der Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 mit der Steuerschaltung 17 über den Gate-Treiber 16-2 verbunden. Darüber hinaus können die jeweiligen Gate-Anschlüsse der Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 über Widerstände mit ihren jeweiligen Source-Anschlüssen verbunden sein, um sicherzustellen, dass jedes Umschaltelement in den EIN-Zustand gebracht wird, wenn eine Spannung angelegt wird, die das Umschaltelement in den EIN-Zustand bringt. Die Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 werden zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand bei einer einstellbaren Schaltfrequenz gemäß einem Steuersignal von der Steuerschaltung 17 umgeschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 und ein Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 abwechselnd zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand in einer derartigen Weise umgeschaltet, dass das Umschaltelement 13-2 und das Umschaltelement 13-3 ausgeschaltet werden, während das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 eingeschaltet werden und, umgekehrt, dass das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 ausgeschaltet werden, während das Umschaltelement 13-2 und das Umschaltelement 13-3 eingeschaltet werden. Diese Konfiguration veranlasst, dass eine Gleichstrom-Energie, welche von der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 zugeführt wird, in eine Wechselstrom-Energie mit der Schaltfrequenz der Umschaltelemente umgewandelt und der Übertragungsspule 14 zugeführt wird.
Die Übertragungsspule 14 überträgt die Wechselstrom-Energie, welche von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, an die Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 durch Raum. Jedes Mal, wenn der Sender-Empfänger 15 ein Funksignal vom Sender-Empfänger 33 der Energieempfangsvorrichtung 3 empfängt, extrahiert der Sender-Empfänger 15 aus dem Funksignal Informationen über das Auftreten abnormaler Spannungen, die anzeigen, dass die Ausgangsspannung von der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 der Energieempfangsvorrichtung 3 übermäßig angestiegen ist, oder Bestimmungsinformationen, die anzeigen, ob die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen konstanten Spannungsabgabevorgang durchführt, und gibt diese Informationen an die Steuerschaltung 17 aus. Daher enthält der Sender-Empfänger 15 z.B. eine Antenne, die das Funksignal gemäß einem vorgegebenen Funkübertragungsstandard empfängt, und eine Sender-Empfänger-Schaltung, die das Funksignal demoduliert. Man beachte, dass der vorbestimmte Drahtloskommunikationsstandard zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke) sein kann.
Der Gate-Treiber 16-1 erhält von der Steuerschaltung 17 ein Steuersignal, um das Umschaltelement SW der Blindleistungskompensationschaltung 12 in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten und eine an den Gate-Anschluss des Umschaltelements SW anzulegende Spannung entsprechend dem Steuersignal zu ändern. D.h. bei Empfang eines Steuersignals, um das Umschaltelement SW in den Ein-Zustand zu bringen, legt der Gate-Treiber 16-1 an den Gate-Anschluss des Umschaltelements SW eine relativ hohe Spannung an, die das Umschaltelement SW in den Ein-Zustand bringt. Auf der anderen Seite legt der Gate-Treiber 16-1 bei Empfang eines Steuersignals, um das Umschaltelement SW in den Aus-Zustand zu bringen, an den Gate-Anschluss des Umschaltelements SW eine relativ niedrige Spannung an, die das Umschaltelement SW in den Aus-Zustand bringt. Diese Konfiguration veranlasst den Gate-Treiber 16-1, das Umschaltelement SW der Blindleistungskompensationschaltung 12 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand zu Zeiten umzuschalten, die durch die Steuerschaltung 17 vorgegeben werden.
Der Gate-Treiber 16-2 erhält von der Steuerschaltung 17 ein Steuersignal, um jedes der Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, und verändert eine an das entsprechende Umschaltelement 13-1 bis 13-4 anzulegende Spannung entsprechend dem Steuersignal. Mit anderen Worten legt der Gate-Treiber 16-2 bei Empfang eines Steuersignals zum Einschalten des Umschaltelements 13-1 und des Umschaltelements 13-4 eine derart relativ hohe Spannung an den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-4 an, dass das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 eingeschaltet werden. Dieser Vorgang veranlasst, dass Strom von der Energieversorgung 11 durch das Umschaltelement 13-1, die Übertragungsspule 14 und das Umschaltelement 13-4 fließt. Andererseits legt der Gate-Treiber 17-2 bei Empfang eines Steuersignals zum Schalten des Umschaltelements 13-1 und des Umschaltelements 13-4 in den Aus-Zustand eine derart relativ niedrige Spannung an den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-4 an, dass das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 in den Aus-Zustand geschaltet werden und verhindert wird, dass Strom von der Energieversorgung 11 durch das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 fließt. Ähnlich steuert der Gate-Treiber 16-2 eine Spannung, welche an die Gate-Anschlüsse des Umschaltelements 13-2 und des Umschaltelements 13-3 angelegt wird. Daher beginnt Strom, wenn das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 in den Aus-Zustand geschaltet sind und das Umschaltelement 13-2 und das Umschaltelement 13-3 in den Ein-Zustand geschaltet sind, von der Energieversorgung 11 durch das Umschaltelement 13-3, die Übertragungsspule 14 und das Umschaltelement 13-2 zu fließen.
Die Steuerschaltung 17 weist zum Beispiel eine nichtflüchtige Speicherschaltung und eine flüchtige Speicherschaltung, eine arithmetische Rechenoperationsschaltung und eine Schnittstellenschaltung zur Verbindung mit anderen Schaltungen auf. Sobald die Steuerschaltung 17 die Informationen eines Eintritts abnormaler Spannung von dem Sender-Empfänger 15 empfängt, beginnt die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, zu steuern. In der Folge, jedes Mal wenn die Steuerschaltung 17 die Bestimmungsinformationen von dem Sender-Empfänger 15 empfängt, steuert die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 gemäß den Bestimmungsinformationen von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird.
Zu diesem Zweck steuert die Steuerschaltung 17 in der vorliegenden Ausführungsform die Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 in einer derartigen Weise, dass das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 und das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 abwechselnd in den Ein-Zustand geschaltet werden und dass eine Dauer, für die das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 in dem Ein-Zustand ist, und eine Dauer, für die das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 in dem Ein-Zustand ist, binnen eines Zeitraums entsprechend der Schaltfrequenz zueinander gleich sind. Man beachte, dass die Steuerschaltung 17 eine Totzeit haben kann, während der sowohl das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 als auch das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 im Aus-Zustand sind, wenn das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 und das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und das Umschaltelement 13-3 in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet werden, um zu verhindern, dass die Energieversorgung 11 dadurch kurzgeschlossen wird, dass sowohl das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 als auch das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 gleichzeitig in den Ein-Zustand gebracht werden.
Ferner verweist die Steuerschaltung 17 auf eine Referenztabelle, die eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz und einem Tastverhältnis zeigt, bei dem das Umschaltelement SW der Blindleistungskompensationschaltung 12 so gesteuert wird, dass es in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, wobei das Tastverhältnis einer Spannung entspricht, die an die Übertragungsspule 14 angelegt wird, um eine konstante Spannungsausgabe mit der Schaltfrequenz zu ermöglichen, um das Tastverhältnis entsprechend der Schaltfrequenz auszuwählen. Die Steuerschaltung 17 bestimmt Zeiten, zu denen das Umschaltelement SW zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand umgeschaltet wird, auf der Grundlage des Tastverhältnisses und einer Veränderung der Ausgangsspannung von der Diode D der Blindleistungskompensationschaltung 12 und gibt Steuersignale, welche die Zeiten repräsentieren, an den Gate-Treiber 16-1 aus.
Des Weiteren wird, wenn der Sender-Empfänger 15 nicht in der Lage ist, ein drahtloses Signal von der Energieempfangsvorrichtung 3 zu empfangen, beurteilt, dass die Energieempfangsvorrichtung 3 nicht an einer Position vorhanden ist, an der es der Energieempfangsvorrichtung 3 möglich ist, eine Energiezufuhr von der Energieübertragungsvorrichtung 2 zu empfangen, d.h., dass sich die Energieübertragungsvorrichtung 2 in einem Bereitschaftszustand befindet. Daher kann in einem solchen Fall die Steuerschaltung 17 das Tastverhältnis, mit dem das Umschaltelement SW gesteuert wird, um in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet zu werden, auf einen zulässigen Mindestzyklus einstellen. Dementsprechend wird die an die Übertragungsspule 14 angelegte Spannung, während sich die Energieübertragungsvorrichtung 2 im Bereitschaftszustand befindet, ebenfalls zu einer zulässigen Mindestspannung, wodurch Energieverluste unterdrückt werden.
Zu beachten ist, dass die Steuerung der Steuerschaltung 17 über die Schaltfrequenz und die an die Übertragungsspule 14 angelegte Spannung später ausführlich beschrieben wird.
Im Folgenden wird eine Beschreibung der Energieempfangsvorrichtung 3 gegeben.
Die Resonanzschaltung 20 ist eine LC-Resonanzschaltung, welche die Empfangsspule 21 und den Resonanzkondensator 22 umfasst, die zueinander parallel geschaltet sind. Ein Ende der Empfangsspule 21, welche in der Resonanzschaltung 20 enthalten ist, ist mit einem Ende des Resonanzkondensators 22 verbunden und über die Spule 23 mit einem Eingangsanschluss der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden. Zudem ist das andere Ende der Empfangsspule 21 mit dem anderen Ende des Resonanzkondensators 22 verbunden und mit dem anderen Eingangsanschluss der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden.
Die Empfangsspule 21 empfängt Energie von der Übertragungsspule 14 durch Mitschwingen mit dem Wechselstrom, welcher durch die Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 fließt. Die Empfangsspule 21 gibt die empfangene Energie an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 über d den Resonanzkondensator 22 und die Spule 23 aus. Zu beachten ist, dass die Empfangsspule 21 und die Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 in der Windungszahl gleich oder unterschiedlich sein können.
Der Resonanzkondensator 22 ist, an einem Ende, mit einem Ende der Empfangsspule 21 und mit der Spule 23 verbunden und an dem anderen Ende mit dem anderen Ende der Empfangsspule 21 und der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden. Der Resonanzkondensator 22 gibt die Energie, welche durch die Empfangsspule 21 empfangen wird, an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 über die Spule 23 aus.
Die Spule 23 ist zwischen die Resonanzschaltung 20 und die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 geschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Spule 23 an einem Ende mit der Empfangsspule 21 und dem Resonanzkondensator 22 der Resonanzschaltung 20 in einer derartigen Weise, dass sie mit der Empfangsspule 21 in Reihe ist, und an dem anderen Ende mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden. Die Spule 23 gibt die Energie, welche von der Resonanzschaltung 20 empfangen wird, an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 aus. Zu beachten ist, dass die Spule 23, die wie oben beschrieben bereitgestellt wird, die harmonischen Komponenten der empfangenen Energie reduziert.
Die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 ist ein Beispiel für eine Gleichrichterschaltung und enthält eine Vollweggleichrichterschaltung 25 mit vier brückengeschalteten Dioden und einem Glättungskondensator 26. Der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 erhält über die Spule 23 Strom, der vom Resonanzkreis 20 aufgenommen wird, und wandelt den Strom in Gleichstrom um, indem er den Strom gleichrichtet und glättet. Anschließend gibt die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 die Gleichstrom-Energie an die Lastschaltung 27 aus.
Die Spannungserfassungsschaltung 28 erfasst eine Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 in vorbestimmten Zeitintervallen. Die Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 entspricht eins zu eins der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20; daher repräsentiert ein gemessener Wert der Ausgangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 indirekt einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20. Für die Spannungserfassungsschaltung 28 kann zum Beispiel eine beliebige von verschiedenen bekannten Spannungserfassungsschaltungen, welche Gleichspannung erfassen können, verwendet werden. Dann gibt die Spannungserfassungsschaltung 28 ein Spannungserfassungssignal, welches einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung repräsentiert, an die Bestimmungsschaltung 30 aus.
Das Umschaltelement 29 ist z.B. ein MOSFET und wird zwischen der Gleichrichter- und Glättungschaltung 24 und die Lastschaltung 27 geschaltet. Das Umschaltelement 29 wird in den Aus-Zustand gebracht, um einen Stromfluss von der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 zum Laststromkreis 27 zu unterbrechen, während das Schaltelement 29 in den Ein-Zustand gebracht wird, um einen Stromfluss von der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 zum Laststromkreis 27 zu ermöglichen.
Die Bestimmungsschaltung 30 bestimmt, ob der gemessene Wert der von der Spannungserkennungsschaltung 28 empfangenen Ausgangsspannung gleich oder größer als eine vorgegebene obere Grenzschwelle ist. Wenn der gemessene Wert gleich oder größer als die obere Grenzschwelle ist, steuert die Bestimmungsschaltung 30 den Schaltkreis 32 so, dass die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen wird, und teilt dem Sender-Empfänger 33 mit, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung gleich oder größer als die obere Grenzschwelle ist, d.h. dass die Ausgangsspannung übermäßig zugenommen hat. Dementsprechend ändert die Bestimmungsschaltung 30 eine Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20, sobald der gemessene Wert der Ausgangsspannung die obere Grenzschwelle erreicht, um die zwischen der Energieübertragungsvorrichtung 2 und der Energieempfangsvorrichtung 3 übertragene Energie zu reduzieren, wodurch die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 verringert werden kann. Zu beachten ist, dass die obere Grenzschwelle ein oberer Grenzwert einer Spannung sein kann, bis zu dem weder die Lastschaltung 27 noch die Energieempfangsvorrichtung 3 ausfällt, oder ein Wert, der durch Subtraktion eines vorbestimmten Offset-Wertes vom oberen Grenzwert erhalten wird.
Darüber hinaus bestimmt die Bestimmungsschaltung 30, ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs liegt, wenn der konstante Spannungsabgabevorgang aktiv ist, während die Schaltfrequenz und die Spannung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Wechselstromenergie gesteuert werden. Dann teilt die Bestimmungsschaltung 30 dem Sender-Empfänger 33 das Bestimmungsergebnis mit. Zu beachten ist, dass die obere Grenze des zulässigen Spannungsbereichs vorzugsweise gleich oder kleiner als die oben beschriebene obere Grenzschwelle ist.
Daher enthält die Bestimmungsschaltung 30 z.B. eine Speicherschaltung, die den zulässigen Spannungsbereich speichert, eine Betriebsschaltung, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung jeweils mit der oberen Grenzschwelle und dem zulässigen Spannungsbereich vergleicht, und eine Steuerschaltung, die das Umschaltelement 29 und den Schaltkreis 32 in den Ein- oder Aus-Zustand schaltet. Zu beachten ist, dass die Bestimmungsschaltung 30 einen Schaltkreis, der dem Schaltkreis ähnlich ist, der verwendet wird, um die in dem Patentdokument 1 offengelegte Steuerspule in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, als ein Schaltkreis enthalten kann, der den Schaltkreis 32 in den Ein- oder Aus-Zustand in Übereinstimmung mit dem Ergebnis des von der Bestimmungsschaltung 30 durchgeführten Vergleichs zwischen dem gemessenen Wert der Ausgangsspannung und der oberen Grenzschwelle schaltet. In diesem Fall kann die Spannung, die den Schaltkreis 32 in den Ein-Zustand bringt, niedriger eingestellt werden als die Spannung, die den Schaltkreis 32 in den Aus-Zustand bringt.
Die Bestimmungsschaltung 30 schaltet ferner das Umschaltelement 29 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand in einem vorbestimmten Zeitraum um, während gemessene Werte der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen. Dieser Vorgang führt dazu, dass sich der Widerstandswert der gesamten Schaltung, welche die Lastschaltung 27 aufweist, die mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden ist, in dem vorbestimmten Zeitraum verändert. Dies wiederum ermöglicht es der Bestimmungsschaltung 30 zu bestimmen, ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung annähernd konstant ist, während das Umschaltelement 29 in den Ein- oder Ausschaltzustand geschaltet wird, um zu bestimmen, ob sich die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet. Während also der gemessene Wert der Ausgangsspannung auch dann annähernd konstant ist, wenn das Umschaltelement 29 in der vorgegebenen Zeitspanne in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, teilt die Bestimmungsschaltung 30 dem Sender-Empfänger 33 mit, dass sich die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet.
Weiterhin stoppt die Bestimmungsschaltung 30 das Umschalten des Umschaltelements 29 in den Ein- oder Ausschaltzustand für eine feste Zeitspanne, die länger als die vorgegebene Zeitspanne ist, wenn sich die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, um das Umschaltelement 29 im eingeschalteten Zustand zu halten. Die Bestimmungsschaltung 30 bestimmt, ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht, und benachrichtigt den Sender-Empfänger 33 über ein Ergebnis der Bestimmung.
Zu diesem Zeitpunkt meldet die Bestimmungsschaltung 30, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung für die festgelegte Zeitspanne, die länger als die vorgegebene Zeitspanne ist, innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, dem Sender-Empfänger 33 das Bestimmungsergebnis, das angibt, dass sich die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet und der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Zu beachten ist, dass die Bestimmungsschaltung 30 gemäß einer Modifikation einen Widerstand enthalten kann, der in Bezug auf die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 parallel zu der Lastschaltung 27 geschaltet ist. In diesem Fall kann das Umschaltelement 29 in einer derartigen Weise angeordnet sein, dass es mit dem Widerstand in Reihe und mit der Lastschaltung 27 parallel ist. In diesem Falle hält die Bestimmungsschaltung 30 das Umschaltelement 29 in dem Aus-Zustand, während der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt. Andererseits, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung aus dem zulässigen Spannungsbereich herausfällt, kann die Bestimmungsschaltung 30 das Umschaltelement 29 in der vorgegebenen Zeitspanne in den Ein- oder Ausschaltzustand schalten, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform. Gemäß dieser Modifikation wird der Laststromkreis 27 auch dann weiter mit Energie versorgt, wenn die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 außerhalb des konstanten Spannungsabgabevorgangs ist.
Des Weiteren kann gemäß einer weiteren Modifikation ein zweites Umschaltelement, wie etwa ein MOSFET, parallel zu dem vorangehend beschriebenen Widerstand und in Reihe mit der Lastschaltung 27 angeordnet sein. In diesem Fall schaltet die Bestimmungsschaltung 30, während der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, das zweite Umschaltelement ein und ermöglicht dadurch eine Energiezufuhr zu der Lastschaltung 27. Andererseits, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung aus dem zulässigen Spannungsbereich herausfällt, kann die Bestimmungsschaltung 30 das zweite Umschaltelement in den Aus Zustand schalten, um die Energieversorgung der Lastschaltung 27 zu unterbrechen. Dadurch wird verhindert, dass selbst dann, wenn die Spannung der empfangenen Energie übermäßig hoch wird, während die Schaltfrequenz durch die Energieübertragungsvorrichtung 2 eingestellt wird, die übermäßig hohe Spannung an die Lastschaltung 27 angelegt wird.
Die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 ist so vorgesehen, dass sie elektromagnetisch mit der Empfangsspule 21 der Resonanzschaltung 20 gekoppelt ist. Beispielsweise sind die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 und die Empfangsspule 21 um denselben Kern gewickelt. Außerdem sind beide Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 jeweils mit dem Schaltkreis 32 verbunden. Wenn die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 durch den Schaltkreis 32 kurzgeschlossen wird, wird die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 elektromagnetisch mit der Empfangsspule 21 gekoppelt, wodurch sich die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 ändert. Daher wird selbst bei einer übermäßigen Erhöhung der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen, um die von der Energieübertragungsvorrichtung 2 an die Energieempfangsvorrichtung 3 übertragene Energie zu reduzieren, und die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 wird entsprechend verringert. Zu beachten ist, dass die Empfangsspule 21 und die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 in der Windungszahl gleich oder unterschiedlich sein können.
Wenn andererseits der Schaltkreis 32 beide Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 öffnet, wird die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 daran gehindert, in die Resonanz zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 einbezogen zu werden, und beeinflusst die Energieübertragung der Energieübertragungsvorrichtung 2 zum der Energieempfangsvorrichtung 3 nicht entsprechend.
Der Schaltkreis 32 ist mit beiden Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 verbunden und schaltet die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 entsprechend einem Steuersignal von der Bestimmungsschaltung 30 in einen kurzgeschlossenen oder offenen Zustand. Das heißt, der Schaltkreis 32 hält die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 im kurzgeschlossenen Zustand, während er das Steuersignal, das den Ein-Zustand anzeigt, von der Bestimmungsschaltung 30 empfängt. Andererseits hält der Schaltkreis 32 die beiden Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 im geöffneten Zustand, während er das Steuersignal, das den Aus-Zustand anzeigt, von der Bestimmungsschaltung 30 empfängt.
Die 2A bis 2C sind Darstellungen, die jeweils ein Beispiel für den Schaltkreis 32 zeigen. In dem in 2A gezeigten Beispiel enthält der Schaltkreis 32 ein Relais. Wenn die Bestimmungsschaltung 30 das Relais in den Ein-Zustand bringt, wird die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen. Andererseits werden, wenn die Bestimmungsschaltung 30 das Relais in den Aus-Zustand bringt, die beiden Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 geöffnet.
In dem in 2B gezeigten Beispiel enthält der Schaltkreis 32 zwei n-Kanal-MOSFETs, die zwischen den beiden Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 in Reihe geschaltet sind. Die beiden MOSFETs sind so angeordnet, dass ihre jeweiligen Source-Anschlüsse miteinander verbunden sind und ihre jeweiligen Drain-Anschlüsse jeweils mit einem entsprechenden Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 verbunden sind. Die beiden MOSFETs haben ihre jeweiligen Gate-Anschlüsse mit der Bestimmungsschaltung 30 verbunden. Wenn die Bestimmungsschaltung 30 an die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs eine relativ hohe Spannung anlegt, die dem Steuersignal entspricht, das den Ein-Zustand anzeigt, wird es einem Strom ermöglicht, zwischen Source und Drain jedes der MOSFETs zu fließen, wodurch die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen wird. Andererseits, wenn die Bestimmungsschaltung 30 an die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs eine relativ niedrige Spannung anlegt, die dem Steuersignal entspricht, das den Aus-Zustand anzeigt, fließt kein Strom zwischen Source und Drain jedes der MOSFETs, und außerdem sind die Body-Dioden der beiden MOSFETs einander gegenüberliegend, wodurch verhindert wird, dass ein Strom durch die Body-Dioden fließt. Daher werden die beiden Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 geöffnet.
In dem in 2C gezeigten Beispiel enthält der Schaltkreis 32 analog zu dem in 2B gezeigten Beispiel zwei n-Kanal-MOSFETs, die zwischen den beiden Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 in Reihe geschaltet sind. Jedoch sind in dem in 2C gezeigten Beispiel die beiden MOSFETs so angeordnet, dass ihre jeweiligen Drain-Anschlüsse miteinander verbunden sind und ihre jeweiligen Source-Anschlüsse jeweils mit einem entsprechenden Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 verbunden sind. Auch in diesem Beispiel wird, wenn die Bestimmungsschaltung 30 an die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs eine relativ hohe Spannung anlegt, die dem Steuersignal entspricht, das den eingeschalteten Zustand anzeigt, die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen. Wenn andererseits die Bestimmungsschaltung 30 an die Gate-Anschlüsse der beiden MOSFETs eine relativ niedrige Spannung anlegt, die dem den Aus-Zustand anzeigenden Steuersignal entspricht, werden beide Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 geöffnet.
In dem in 2D gezeigten Beispiel enthält der Schaltkreis 32 einen n-Kanal-MOSFET und eine Diode, die zwischen den beiden Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 in Reihe geschaltet sind. Der MOSFET hat einen Drain-Anschluss, der mit einem Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 verbunden ist, und einen Source-Anschluss, der mit einem Anodenanschluss der Diode verbunden ist. Das MOSFET hat einen mit der Bestimmungsschaltung 30 verbundenen Gate-Anschluss. Die Diode hat einen Kathodenanschluss, der mit dem anderen Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 verbunden ist. Auch in diesem Beispiel wird, wenn die Bestimmungsschaltung 30 an den Gate-Anschluss des MOSFETs eine Spannung anlegt, die dem Steuersignal entspricht, das den eingeschalteten Zustand anzeigt, die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen. Wenn andererseits die Bestimmungsschaltung 30 an en Gate-Anschluss des MOSFETs eine Spannung anlegt, die dem den Aus-Zustand anzeigenden Steuersignal entspricht, werden beide Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 geöffnet. In diesem Beispiel wird selbst dann, wenn der MOSFET in den Ein-Zustand gebracht wird, ein von der Diode zum MOSFET fließender Strom unterbrochen; daher beeinflusst während einer Hälfte jeder Periode eines Wechselstroms, der durch die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 fließt, die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 nicht die Resonanz der Resonanzschaltung 20. Aber auch in diesem Fall wird die von der Energieübertragungsvorrichtung 2 an die Energieempfangsvorrichtung 3 übertragene Energie reduziert, so dass die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 reduziert wird.
Nach Erhalt einer Benachrichtigung von der Bestimmungsschaltung 30, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung gleich oder größer als der obere Grenzwertschwellenwert wird, erzeugt der Sender-Empfänger 33 ein Funksignal, das die Information über das Auftreten der anormalen Spannung enthält, die den Inhalt der Benachrichtigung darstellt, und sendet das Funksignal an den Sender-Empfänger 15 der Energieübertragungsvorrichtung 2. Ferner erzeugt der Sender-Empfänger 33 in Übereinstimmung mit dem von der Bestimmungsschaltung 30 empfangenen Bestimmungsergebnis ein Funksignal, das die Bestimmungsinformation enthält, die angibt, ob sich die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet und ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung in vorbestimmten Sendeintervallen innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, bis der konstante Spannungsabgabevorgang wieder aufgenommen wird, nachdem der gemessene Wert der Ausgangsspannung gleich oder größer als die obere Grenzschwelle geworden ist, und sendet das Funksignal an den Sender-Empfänger 15 der Energieübertragungsvorrichtung 2. Daher enthält der Sender-Empfänger 33 z.B. Eine Sender-Empfänger-Schaltung, die ein Funksignal gemäß einem vorgegebenen Funkübertragungsstandard generiert, und eine Antenne, die das Funksignal ausgibt. Zu beachten ist, dass der in dem Sender-Empfänger 15 vorgegebene Funkübertragungsstandard zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke) sein kann.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung 1 ausführlich beschrieben.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel beginnt die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 nach Erhalt der Information über das Auftreten einer anormalen Spannung vom Sender-Empfänger 15 mit der Einstellung der Schaltfrequenz und der Spannung der Wechselstromversorgung, die der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, damit die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 den konstanten Spannungsabgabevorgang annehmen kann. Dann stellt die Steuerschaltung 17 auf der Grundlage der vom Sender-Empfänger 15 empfangenen Bestimmungsinformationen die Schaltfrequenz und Spannung der von der Stromversorgungsschaltung 10 an die Übertragungsspule 14 gelieferten Wechselstromenergie ein, bis die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 den konstanten Spannungsabgabevorgang wieder aufnimmt.
Hier verwendet die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung entsprechend der Ausführungsform keine Resonanz auf der Energieübertragerseite. Daher ähnelt die Ausgangsspannung der berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung 1 in ihrer Frequenzcharakteristik einer Ausgangsspannung eines sogenannten SPL kontaktlosen Stromversorgungsgerätes, das mit einer Drossel versehen ist, die in Reihe mit einer Spule einer Resonanzschaltung auf einer Energieempfängerseite geschaltet ist, wenn die Kapazität eines Kondensators, der in Reihe mit einer Übertragungsspule geschaltet ist, erhöht und die Resonanzfrequenz einer Resonanzschaltung auf einer Energiesenderseite gesenkt wird.
3 ist ein Ersatzschaltbild der berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung 1, wenn die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 geöffnet wird. In dieser Ersatzschaltung 100 sind die Übertragungsspule 14 auf der Energiesenderseite und die Empfangsspule 21 der Resonanzschaltung 20 auf der Energieempfängerseite zu einem n:1-Idealtransformator gekoppelt. Lr und Lm bezeichnen eine Streuinduktivität bzw. Erregerinduktivität der Übertragungsspule 14 auf der Energiesenderseite. Man beachte, dass wenn eine Induktivität Lp der Übertragungsspule 14 gleich (Lm + Lr) ist und, wenn angenommen wird, dass ein Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 mit k bezeichnet ist, Lr = (1 - k)Lp und Lm = kLp gelten. Ferner bezeichnet Ri einen Wicklungswiderstandswert auf der Energiesenderseite und Ris einen Wicklungswiderstandswert auf der Energieempfängerseite. Cp ist eine Kapazität eines Resonanzkondensators 22, welcher mit der Empfangsspule 21 in der Resonanzschaltung 20 auf der Energieempfangsseite parallel geschaltet ist. Lop bezeichnet eine Induktivität der Spule 23, welche mit der Empfangsspule 21 in Reihe geschaltet ist. Rac bezeichnet einen Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 und ist als Rac = (8/π²) * Ro ausgedrückt.
4 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der berührungslosen Energieversorgungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. In 4 stellt die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Ausgangsspannung dar. Man beachte, dass bei der Simulation angenommen wird, dass Lp = 174 µH, Cp = 20 nF, Lop = 3 Lp, Ri = Ris = 0,3 Ω, n = 1, Vin = 200 V, und Ro = 200 Ω (Rac ≈ 162,1 Ω) sind. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 401 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert ein Graph 402 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10 * Rac) festgelegt ist. Zudem repräsentiert ein Graph 403 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 404 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 405 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 406 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist.
Wie in 4 dargestellt, liegt für jeden Kopplungsgrad eine Kombination aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung vor, bei der die Ausgangsspannung auch dann annähernd konstant wird (d. h. zu einem konstanten Spannungsausgang wird), wenn sich der Wechselstrom-Äquivalenzwiderstandswert der Lastschaltung 27 unter der Bedingung ändert, dass der Kopplungsgrad k keine Änderung aufweist (drei Punkte 411 bis 413 in 4 dargestellt). Daher geht klar hervor, dass, selbst wenn eine Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz, mit der die Übertragungsspule 14 nicht mitschwingt, an die Übertragungsspule 14 angelegt wird, es möglich ist, die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 dazu zu bringen, einen konstanten Spannungsabgabevorgang angesichts einer Veränderung des Widerstandswerts der Lastschaltung 27 durchzuführen. Wie aus den Punkten 411 bis 413 hervorgeht, obwohl sich die Ausgangsspannungen, die gegen Schwankungen des Widerstandswerts des Lastkreises 27 konstant werden, zwar in Abhängigkeit vom Grad der Kopplung voneinander unterscheiden, werden durch die Anpassung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Spannung diese Unterschiede beseitigt und eine annähernd konstante Ausgangsspannung unabhängig vom Grad der Kopplung ermöglicht.
5 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für ein Simulationsergebnis von Frequenzgängen der Ausgangsspannung zeigt, wenn die Spannung, welche an eine Übertragungsspule 14 angelegt ist, gemäß einem Kopplungskoeffizienten in der in 4 veranschaulichten Simulation verändert wird. In 5 stellt die horizontale Achse die Frequenz und die vertikale Achse die Ausgangsspannung dar. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 501 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die an die Übertragungsspule angelegte Spannung Vin ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 502 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die an die Übertragungsspule angelegte Spannung Vin ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 503 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die an die Übertragungsspule angelegte Spannung (0,47 * Vin) ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 504 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die an die Übertragungsspule angelegte Spannung (0,47* Vin) ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 505 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die an die Übertragungsspule angelegte Spannung (0,19* Vin) ist. Des Weiteren repräsentiert ein Graph 506 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die an die Übertragungsspule angelegte Spannung (0,19* Vin) ist.
Wie in 4 gezeigt, umfasst eine Kombination aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung, bei der die Ausgangsspannung auch dann annähernd konstant wird (d.h. ein konstanter Spannungsausgang wird), wenn sich der Wechselstrom-Äquivalenzwiderstandswert der Lastschaltung 27 unter der Bedingung ändert, dass der Kopplungsgrad k keine Änderung aufweist, drei Punkte 511 bis 513, die den in 4 gezeigten Punkten 411 bis 413 entsprechen. Die Ausgangsspannungen der jeweiligen Punkte 511 bis 513 sind im Wesentlichen gleich zueinander.
Wie oben beschrieben, kann die Ausgangsspannung annähernd konstant gehalten werden, indem die Schaltfrequenz und Spannung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Wechselstromenergie unabhängig von einer Änderung des Kopplungsgrades oder des Widerstandswertes und der Lastschaltung 27 entsprechend angepasst werden.
Daher steuert die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz und Spannung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Wechselstromenergie wie unten beschrieben, um die Wirkung des konstanten Spannungsabgabevorgangs zu ermöglichen.
Nach Erhalt der Informationen eines Eintritts abnormaler Spannung von dem Sender-Empfänger 15 reduziert die Steuerschaltung 17 die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 zugeführt wird. Dadurch wird selbst bei geöffneter Resonanz-Unterdrückungsspule 31 die Ausgangsspannung aus der Resonanzschaltung 20 zu Seiten der Energieempfangsvorrichtung 3 auf die obere Grenzschwelle oder weniger reduziert. Anschließend, wenn Bestimmungsinformationen, welche in dem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 15 empfangen wird, angegeben, dass die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen konstanten Spannungsabgabevorgang nicht durchführt, verändert die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs. Der vorbestimmte Frequenzbereich kann z.B. ein Frequenzbereich von einer unteren Grenzfrequenz sein, bei der, wenn die Energieübertragungsvorrichtung 2 der Energieempfangsvorrichtung 3 Energie zuführt, eine konstante Spannungsausgabe mit einem möglichen minimalen Kopplungsgrad zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 erfolgt, bis zu einer oberen Grenzfrequenz, bei der eine konstante Spannungsausgabe mit einem möglichen maximalen Kopplungsgrad zwischen der Senderspule 14 und der Empfängerspule 21 erfolgt.
Wenn die Schaltfrequenz verändert wird, kann die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz sukzessive von der unteren Grenze auf die obere Grenze des vorbestimmten Frequenzbereichs erhöhen oder, umgekehrt, die Schaltfrequenz sukzessive von der oberen Grenze auf die untere Grenze des vorbestimmten Frequenzbereichs verringern. Zu diesem Zeitpunkt ändert die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz vorzugsweise schrittweise, um die gleiche Schaltfrequenz für eine längere Zeitdauer aufrechtzuerhalten als eine Zeitdauer, in der die Bestimmungsschaltung 30 der Energieempfangsvorrichtung 3 das Umschaltelement 29 in den Ein- oder Aus-Zustand schaltet, damit die Bestimmungsschaltung 30 prüfen kann, ob die Ausgangsspannung annähernd konstant wird.
Wenn die Bestimmungsinformationen, welche in dem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 15 empfangen wird, angeben, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, aber die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant bleibt, selbst wenn sich der Widerstandswert der Lastschaltung 28 verändert, d.h. der konstante Spannungsabgabevorgang durchgeführt wird, hält die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz danach konstant. Dann verweist die Steuerschaltung 17 auf eine Referenztabelle, die eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz und einem Tastverhältnis zeigt, bei dem das Umschaltelement SW der Blindleistungskompensationschaltung 12 so gesteuert wird, dass es in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, um die Spannungsausgabe unabhängig vom Kopplungskoeffizienten bei dieser Schaltfrequenz konstant zu machen, um das Tastverhältnis zu bestimmen. Anschließend steuert die Steuerschaltung 17 den Gate-Treiber 16-1 in einer derartigen Weise, dass das Umschaltelement SW der Blindleistungskompensationschaltung 12 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand gemäß dem Tastverhältnis umgeschaltet wird. Dieser Vorgang veranlasst, dass die an die Übertragungsspule 14 angelegte Spannung in einer derartigen Weise eingestellt wird, dass die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, d.h. eine konstante Spannung unabhängig von dem Kopplungskoeffizienten ausgegeben wird. Anschließend, wenn die Bestimmungsinformationen, welche in einem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 15 empfangen wird, angegeben, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, hält die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, konstant.
Man beachte, dass die Steuerschaltung 17, anstatt ein Tastverhältnis bezugnehmend auf die vorangehend beschriebene Referenztabelle zu bestimmen, das Tastverhältnis graduell verändern kann, bis die Bestimmungsinformationen, welche in dem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 15 empfangen wird, angeben, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Zudem wird bevorzugt, dass, um die Energieübertragungseffizienz zu verbessern, die Energieversorgungsschaltung 10 und die Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 mit einem weichen Schaltvorgang (induktiven Vorgang) zu arbeiten. Damit die Energieversorgungsschaltung 10 und die Übertragungsspule 14 mit einem weichen Schaltvorgang arbeiten, wird bevorzugt, dass die Phase von Strom, welcher durch die Übertragungsspule 14 fließt, bezüglich der Phase einer daran angelegten Spannung verzögert ist. Diese Konfiguration ermöglicht zum Beispiel, dass Strom von dem Source-Anschluss zu dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-1 fließt, wenn das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 eingeschaltet sind, und die Energieversorgungsschaltung 10 und die Übertragungsspule 14 dadurch mit einem weichen Schaltvorgang arbeiten, wodurch das Auftreten eines Schaltverlusts unterdrückt wird.
Wie oben beschrieben, schließt diese berührungslose Energieversorgungsvorrichtung, wenn die Ausgangsspannung aus der Resonanzschaltung des Energieempfangsvorrichtung gleich oder größer als die obere Grenzschwelle wird, die Resonanz-Unterdrückungsspule kurz, die elektromagnetisch mit der Empfangsspule der Resonanzschaltung gekoppelt werden kann, um die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung so zu ändern, dass die zu übertragende Energie reduziert wird, und teilt der Energieübertragungsvorrichtung mit, dass die Ausgangsspannung gleich oder größer als der obere Grenzwert wird, um die Schaltfrequenz und die Spannung der an die Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung angelegten Wechselstromenergie so zu ändern, dass der konstante Spannungsabgabevorgang ermöglicht wird. Daher verhindert diese berührungslose Energieversorgungsvorrichtung den Ausfall der Energieempfangsvorrichtung oder des Lastkreises aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der Ausgangsspannung aus der Resonanzschaltung und ermöglicht eine kontinuierliche Energieübertragung bei gleichzeitiger Unterdrückung von Energieverlusten.
Gemäß der Modifikation kann in einer Energieübertragungsvorrichtung 2 eine Stromversorgungsschaltung, die eine Übertragungsspule 14 mit Wechselstrom versorgt, eine andere Schaltungsstruktur haben als die Schaltungsstruktur gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform, vorausgesetzt, die Energieversorgungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie eine Schaltfrequenz und eine an die Übertragungsspule 14 angelegte Spannung variabel einstellt.
6 ist ein Schaltbild einer Energieversorgungsschaltung gemäß einer Abwandlung.
Eine Energieversorgungsschaltung 110, die in 6 veranschaulicht ist, weist eine Energieversorgung 11, eine Blindleistungskompensationschaltung 12, zwei Umschaltelemente 13-1 und 13-2 und einen mit einer Übertragungsspule 14 in Reihe geschalteten Kondensator 131 zum Sperren eines Gleichstroms auf. Zu beachten ist, dass auch nach dieser Modifikation jedes der Umschaltelemente z.B. ein n-Kanal-MOSFET sein kann. Weiterhin kann z.B. die Blindleistungskompensationschaltung 12 nach der oben beschriebenen Ausführungsform mit der Blindleistungskompensationschaltung 12 identisch sein.
Gemäß dieser Abwandlung sind das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 in Reihe geschaltet. Zudem ist das Umschaltelement 13-1 mit der Seite der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden, während das Umschaltelement 13-2 mit der Seite der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden ist. Das Umschaltelement 13-1 umfasst einen Drain-Anschluss, der mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden ist, und einen Source-Anschluss, der mit dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 verbunden ist. Zudem ist der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit einem Ende der Übertragungsspule 14 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 ist mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 über den Kondensator 131 verbunden. Zudem ist jeweils ein Gate-Anschluss der Umschaltelemente mit einem Gate-Treiber 16-2 verbunden.
In dieser Abwandlung kann der Gate-Treiber 16-2 das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand gemäß einem Steuersignal von einer Steuerschaltung abwechselnd umschalten. Mit anderen Worten fließt, wenn das Umschaltelement 13-1 in den Ein-Zustand geschaltet ist und das Umschaltelement 13-2 in den Aus-Zustand geschaltet ist, ein Strom von der Energieversorgung 11 zu der Übertragungsspule 14 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 und das Umschaltelement 13-1, um den Kondensator 131 zu laden. Andererseits wird, wenn das Umschaltelement 13-1 in den Aus-Zustand geschaltet ist und das Umschaltelement 13-2 in den Ein-Zustand geschaltet ist, der Kondensator 131 entladen und Strom fließt von dem Kondensator 131 über die Übertragungsspule 14 und das Umschaltelement 13-2. In dieser Abwandlung kann die Steuerschaltung daher die Schaltfrequenz, mit der das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand über den Gate-Treiber 16-2 umgeschaltet werden, in Abhängigkeit von Bestimmungsinformationen, die von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen werden, steuern.
Weiterhin kann nach der oben beschriebenen Ausführungsform, wie in der Energieversorgungsschaltung 110, ein Kondensator zur Unterbrechung eines Gleichstromes in Reihe mit der Übertragungsspule 14 vorgesehen werden. Um jedoch auch in diesem Fall zu verhindern, dass die Übertragungsspule 14 und der Kondensator in dem Frequenzbereich, in dem die Schaltfrequenz eingestellt wird, als Resonanzschaltung wirken, sollte die Kapazität des Kondensators vorzugsweise so eingestellt werden, dass die Resonanzfrequenz der Übertragungsspule 14 und des Kondensators niedriger ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 und als die untere Grenzfrequenz des Frequenzbereichs, in dem die Schaltfrequenz eingestellt wird. Dadurch wird verhindert, dass die Resonanz auf der Senderseite zur Energieübertragung genutzt wird, so dass selbst bei geringem Kopplungsgrad zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eine Verminderung des Wirkungsgrades der Energieübertragung unterdrückt wird. Außerdem wird selbst dann, wenn die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen wird, um die Resonanz der Resonanzschaltung 20 zu unterdrücken, die Resonanz auf der Senderseite nicht genutzt, so dass die Eingangsimpedanz relativ groß wird und der durch die Übertragungsspule 14 fließende Strom entsprechend klein wird. Als Ergebnis wird der Energieverlust unterdrückt.
Ferner kann gemäß der oben beschriebenen Ausführung oder Modifikation ein Kondensator zur Unterbrechung eines Gleichstroms zwischen der Empfangsspule 21 und der Spule 23 vorgesehen werden.
7 ist ein Strukturdiagramm einer Energieempfangsvorrichtung 4 nach einer weiteren Modifikation. Die Energieempfangsvorrichtung 4 enthält eine Resonanzschaltung 20 mit einer Empfangsspule 21 und einem Resonanzkondensator 22, eine Spule 23, einen Gleichrichter- und Glättungskreis 24, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, ein Umschaltelement 29, eine Bestimmungsschaltung 30, eine Resonanz-Unterdrückungsspule 31, einen Schaltkreis 32, einen Sender-Empfänger 33, eine Ausgabespule 34 und einen Kondensator 35. Die Energieempfangsvorrichtung 4 nach dieser Modifikation unterscheidet sich von der Energieempfangsvorrichtung 3 nach der oben beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Energieempfangsvorrichtung 4 die Ausgabespule 34 und den Kondensator 35 umfasst, und durch die Verbindungsbeziehung zwischen der Resonanzschaltung 20 und dem Gleichrichter- und Glättungskreis 24. Daher werden im Folgenden die vorangehend beschriebenen Unterschiede und der damit zusammenhängende Sachverhalt erläutert.
Gemäß dieser Modifikation wird die Resonanzschaltung 20 getrennt von dem Gleichrichter- und Glättungskreis 24 bereitgestellt. Ersatzweise ist die Ausgabespule 34 so vorgesehen, dass sie elektromagnetisch mit der Empfangsspule 21 der Resonanzschaltung 20 gekoppelt ist. Der Kondensator 35 zur Unterbrechung eines Gleichstroms ist in Reihe mit der Ausgabespule 34 zwischen der Ausgabespule 34 und der Spule 23 geschaltet. Die Ausgabespule 34 ist über den Kondensator 35 und die Spule 23 an den Gleichrichter- und Glättungskreis 24 angeschlossen. Zu beachten ist, dass die Empfangsspule 21 und die Ausgabespule 34 in der Windungszahl gleich oder unterschiedlich sein können.
Auch nach dieser Modifikation schwingt bei der Übertragung von Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 zur Energieempfangsvorrichtung 3 der durch die Übertragungsspule 14 und die Resonanzschaltung 20 fließende Strom mit. Nach dieser Modifikation wird die so übertragene Energie jedoch der Ausgabespule 34 entnommen, die über die Resonanzschaltung 20 elektromagnetisch an die Empfangsspule 21 gekoppelt ist.
Auch nach dieser Modifikation muss die Bestimmungsschaltung 30 wie in der oben beschriebenen Ausführung nur dann den Schaltkreis 32 steuern, um die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzzuschließen, wenn der Messwert der von der Spannungserfassungsschaltung 28 gemessenen Ausgangsspannung gleich oder größer als die obere Grenzschwelle wird, und der Energieübertragungsvorrichtung 2 über den Sender-Empfänger 33 die Information über das Auftreten einer anormalen Spannung mitteilen. Demgemäß verhindert die Energieempfangsvorrichtung 4 nach dieser Modifikation den Ausfall der Energieempfangsvorrichtung oder des Lastkreises aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der Ausgangsspannung aus der Resonanzschaltung und ermöglicht eine kontinuierliche Energieübertragung bei gleichzeitiger Unterdrückung von Energieverlusten. Zu beachten ist, dass auch nach dieser Modifikation bei Erhalt der Information über das Auftreten einer anormalen Spannung die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung nur die Schaltfrequenz und Spannung der an die Übertragungsspule angelegten Wechselspannung zu steuern braucht, damit die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung den konstanten Spannungsabgabevorgang wieder aufnehmen kann, wie in der oben beschriebenen Ausführung.
8 ist ein Strukturdiagramm einer Energieempfangsvorrichtung 5 nach einer weiteren Modifikation. Die Energieempfangsvorrichtung 5 gemäß dieser Modifikation enthält eine Resonanzschaltung 20 mit einer Empfangsspule 21 und einem Resonanzkondensator 22, eine Spule 23, eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, ein Umschaltelement 29, eine Bestimmungsschaltung 30, eine Resonanz-Unterdrückungsspule 31, einen Schaltkreis 32 und einen Sender-Empfänger 33. Die Energieempfangsvorrichtung 5 gemäß dieser Modifikation unterscheidet sich von der Energieempfangsvorrichtung 3 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform dadurch, dass die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 anstatt der Resonanzschaltung 20 mit dem Gleichrichter- und Glättungskreis 24 verbunden ist. Daher werden im Folgenden die vorangehend beschriebenen Unterschiede und der damit zusammenhängende Sachverhalt erläutert.
Gemäß dieser Modifikation wird die Resonanzschaltung 20 getrennt von dem Gleichrichter- und Glättungskreis 24 bereitgestellt. Im Gegenzug wird die zur elektromagnetischen Kopplung mit der Empfangsspule 21 der Resonanzschaltung 20 vorgesehene Resonanz-Unterdrückungsspule 31 über die Spule 23 mit dem Gleichrichtungs- und Glättungskreis 24 verbunden. Der Schaltkreis 32 ist mit einem Ende zwischen einem Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 und der Spule 23 angeschlossen und mit dem anderen Ende an das andere Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 angeschlossen. Zu beachten ist, dass die Empfangsspule 21 und die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 in der Windungszahl gleich oder unterschiedlich sein können.
Auch nach dieser Modifikation schwingen bei der Übertragung von Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 zur Energieempfangsvorrichtung 3 die Übertragungsspule 14 und die Resonanzschaltung 20 mit. Nach dieser Modifikation wird die so übertragene Energie jedoch der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 entnommen, die über die Resonanzschaltung 20 elektromagnetisch an die Empfangsspule 21 gekoppelt ist.
Auch nach dieser Modifikation muss die Bestimmungsschaltung 30 wie in der oben beschriebenen Ausführung nur dann den Schaltkreis 32 steuern, um die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzzuschließen, wenn der Messwert der von der Spannungserfassungsschaltung 28 gemessenen Ausgangsspannung gleich oder größer als die obere Grenzschwelle wird, und der Energieübertragungsvorrichtung 2 über den Sender-Empfänger 33 die Information über das Auftreten einer anormalen Spannung mitteilen. Demgemäß verhindert die Energieempfangsvorrichtung 5 nach dieser Modifikation den Ausfall der Energieempfangsvorrichtung oder des Lastkreises aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der Ausgangsspannung aus der Resonanzschaltung und ermöglicht eine kontinuierliche Energieübertragung bei gleichzeitiger Unterdrückung von Energieverlusten. Zu beachten ist, dass auch nach dieser Modifikation bei Erhalt der Information über das Auftreten einer anormalen Spannung die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung nur die Schaltfrequenz und Spannung der an die Übertragungsspule angelegten Wechselspannung zu steuern braucht, damit die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung den konstanten Spannungsabgabevorgang wieder aufnehmen kann, wie in der oben beschriebenen Ausführung.
Zu beachten ist, dass in der Energieempfangsvorrichtung 5 ein Kondensator zur Unterbrechung eines Gleichstroms zwischen dem einen Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 und dem einen Ende des Schaltkreis 32 vorgesehen sein kann. Alternativ kann der Kondensator zur Unterbrechung eines Gleichstroms zwischen der Spule 23 und dem einen Ende des Schaltkreis 32, der mit dem einen Ende der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 verbunden ist, vorgesehen werden. Auch in diesem Fall kann die Bestimmungsschaltung 30 die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 20 ändern, indem sie den Schaltkreis 32 so steuert, dass die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen wird, so dass es möglich ist, die übertragene Energie sofort zu reduzieren, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung gleich oder größer als die obere Grenzschwelle wird, um einen Ausfall der Energieempfangsvorrichtung oder des Lastkreises zu verhindern.
Nach einer weiteren Modifikation kann die Bestimmungsschaltung 30 eine Zeitgeberschaltung enthalten. In diesem Fall kann die Bestimmungsschaltung 30 die Zeitschaltung veranlassen, eine verstrichene Zeit ab dem Zeitpunkt zu zählen, zu dem die Resonanz-Unterdrückungsspule 31 kurzgeschlossen wird, und den Schaltkreis 32 so zu steuern, dass beide Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 geöffnet werden und das Umschaltelement 29 zu dem Zeitpunkt in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, zu dem eine vorbestimmte Zeitspanne verstrichen ist, die für die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 erforderlich ist, um die Spannung der an die Übertragungsspule 4 angelegten Wechselstromenergie zu reduzieren. Alternativ können der Sender-Empfänger 15 der Energieübertragungsvorrichtung 2 und der Sender-Empfänger 33 der Energieempfangsvorrichtung 3 für eine bidirektionale Kommunikation konfiguriert werden. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 dem Sender-Empfänger 33 der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 15 mitteilen, dass die Steuerschaltung 17 die Spannung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Wechselstromenergie reduziert hat. Dann, nach Empfang der Mitteilung über den Sender-Empfänger 33, dass die Spannung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Wechselstromenergie reduziert wurde, kann die Bestimmungsschaltung 30 der Energieempfangsvorrichtung 3 den Schaltkreis 32 so steuern, dass beide Enden der Resonanz-Unterdrückungsspule 31 geöffnet werden und das Umschaltelement 29 in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird.
Ebenfalls gemäß dieser Modifikation verhindert die berührungslose Energieversorgungsvorrichtung den Ausfall der Energieempfangsvorrichtung oder des Lastkreises aufgrund eines übermäßigen Anstiegs der Ausgangsspannung aus der Resonanzschaltung und ermöglicht eine kontinuierliche Energieübertragung bei gleichzeitiger Unterdrückung von Energieverlusten.
Nach einer weiteren Modifikation kann die zwischen der Resonanzschaltung 20 und dem Gleichrichter- und Glättungskreis 24 geschaltete Spule 23 und das Schaltelement 29 weggelassen werden. In diesem Fall braucht die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 nach Empfang der Information über das Auftreten einer anormalen Spannung über den Sender-Empfänger 15 nur die Spannung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Wechselstromenergie so zu reduzieren, dass die Ausgangsspannung aus der Resonanzschaltung 20 kleiner als die obere Grenzschwelle wird. Außerdem kann in diesem Fall der Energieversorgungsschaltung der Energieübertragungsvorrichtung 2 aus verschiedenen Schaltkreisen bestehen, die so konfiguriert sind, dass sie die Spannung der an die Übertragungsspule 14 angelegten Wechselstromenergie einstellen.
Wenn der Sender-Empfänger 15 der Energieübertragungsvorrichtung 2 und der Sender-Empfänger 33 der Energieempfangsvorrichtung 3 drahtgebunden verbunden werden können, brauchen der Sender-Empfänger 15 und der Sender-Empfänger 33 jeweils nur einen Kommunikationsschaltkreis zu enthalten, der so konfiguriert ist, dass er eine drahtgebundene Kommunikation durchführt, über die ein Signal mit der Bestimmungsinformation oder dergleichen übermittelt wird.
Wie oben beschrieben, kann der Fachmann verschiedene Modifikationen entsprechend den Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vornehmen.
Bezugszeichenliste

1: Berührungslose Energieversorgungsvorrichtung
2: Energieübertragungsvorrichtung
10, 110: Energieversorgungsschaltung
11: Energieversorgung
12: Blindleistungskompensationschaltung
13-1 bis 13-4: Umschaltelement
14: Übertragungsspule
15: Sender-Empfänger
16-1, 16-2: Gate-Treiber
17: Steuerschaltung
3, 4, 5: Energieempfangsvorrichtung
20: Resonanzschaltung
21: Empfangsspule
22: Kondensator
23: Spule
24: Gleichrichter- und Glättungsschaltung
25: Vollweggleichrichterschaltung
26: Glättungskondensator
27: Lastschaltung
28: Spannungserfassungsschaltung
29: Umschaltelement
30: Bestimmungsschaltung
31: Resonanz-Unterdrückungsspule
32: Schaltkreis
33: Sender-Empfänger
34: Ausgabespule
35: Kondensator
131: Kondensator

Claims

Berührungslose Energieversorgungsvorrichtung, umfassend: eine Energieübertragungsvorrichtung; und eine Energieempfangsvorrichtung, zu welcher die Energieübertragungsvorrichtung Energie kontaktlos überträgt, wobei wobei die Energieübertragungsvorrichtung umfasst: eine Übertragungsspule, die konfiguriert ist, der Energieempfangsvorrichtung Energie zu zu führen; eine Energieversorgungsschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die Übertragungsspule mit Wechselstrom versorgt und eine Schaltfrequenz und/oder Spannung des der Übertragungsspule zugeführten Wechselstroms einstellt, einen ersten Sender-Empfänger, der konfiguriert ist, ein Ausgangsspannungsanomaliesignal von der Empfangseinrichtung zu empfangen, und eine Steuerschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie, wenn der erste Sender-Empfänger das Ausgangsspannungsanomaliesignal empfängt, die Schaltfrequenz und/oder die Spannung der von der Energieversorgungsschaltung an die Übertragungsspule gelieferten Wechselstromenergie ändert, und wobei die Energieempfangsvorrichtung umfasst: eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule, welche zum Empfang von Energie von der Energieübertragungsvorrichtung konfiguriert ist, und einen Resonanzkondensator, der mit der Empfangsspule parallel geschaltet ist, aufweist; eine Gleichrichterschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie die über die Resonanzschaltung empfangene Energie gleichrichtet, eine Resonanz-Unterdrückungsspule, die so angeordnet ist, dass sie elektromagnetisch mit der Empfangsspule gekoppelt ist, einen Schaltkreis, der mit der Resonanz-Unterdrückungsspule verbunden ist, wobei der Schaltkreis so konfiguriert ist, dass er die Resonanz-Unterdrückungsspule in einen kurzgeschlossenen oder offenen Zustand schaltet, eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung einer von der Gleichrichterschaltung ausgegebenen Energie misst, um einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung zu erhalten; einem zweiten Sender-Empfänger, der zur Kommunikation mit dem ersten Sender-Empfänger konfiguriert ist, und eine Bestimmungsschaltung, die konfiguriert ist, um den Schaltkreis derart zu steuern, dass er die Resonanz-Unterdrückungsspule kurzschließt und den zweiten Sender-Empfänger veranlasst, das Ausgangsspannungsanomaliesignal zu übertragen, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung gleich oder größer als eine vorbestimmte obere Grenzschwelle wird.
Berührungslose Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bestimmungsschaltung der Energieempfangsvorrichtung den Schaltkreis zum Öffnen der Resonanz-Unterdrückungsspule steuert, wenn die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung beginnt, die Schaltfrequenz und/oder die Spannung der Wechselstromenergie zu ändern.
Berührungslose Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Energieempfangsvorrichtung ferner eine Spule umfasst, die zwischen der Resonanzschaltung und der Gleichrichterschaltung geschaltet ist, und die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung die Schaltfrequenz der von der Stromversorgungsschaltung an die Übertragungsspule gelieferten Wechselstromenergie steuert, wenn der erste Sender-Empfänger das Ausgangsspannungsanomaliesignal empfängt, um zu verhindern, dass sich der Messwert der Ausgangsspannung als Reaktion auf eine Widerstandsänderung einer Lastschaltung ändert, die mit der Gleichrichterschaltung der Energieempfangsvorrichtung verbunden ist.