DE112019006031T5

DE112019006031T5 - Kontaktlose energieversorungsvorrichtung

Info

Publication number: DE112019006031T5
Application number: DE112019006031.7T
Authority: DE
Inventors: Goro Nakao; Kenichi Tabata; Yusuke Kawai; Atsushi Nomura; Takahiro Takeyama; Masanobu Nakajo
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2019-10-16
Publication date: 2021-09-09
Also published as: WO2020116033A1; JP7131344B2; JP2020092472A; US20210408828A1; US11637451B2

Abstract

Eine Energiesendevorrichtung (2, 4-7) einer kontaklosen Energieversorgungsvorrichtung 1 umfasst eine Sendespule 14, die eingerichtet ist, eine Energie einer Energieempfangsvorrichtung 3 zuzuführen, eine Energieversorgungsschaltung (10, 71), die eine Mehrzahl von Schaltelementen (13-1 bis 13-4, 72-1 bis 72-2) umfasst, die zwischen einer Gleichstromenergieversorgung (11, 12) und der Sendespule 14 in einer Vollbrückenkonfiguration oder einer Halbbrückenkonfiguration angeschlossen sind, wobei die Energieversorgungsschaltung eingerichtet ist, die Mehrzahl von Schaltelementen mit einer Schaltfrequenz in einen Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, um von der Gleichstromversorgung zugeführte Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie mit der Schaltfrequenz umzuwandeln und die Wechselstrom-Energie der Sendespule zuzuführen, und eine Phasensteuerschaltung (16, 56, 66, 73), die mindestens eine Reihenschwingschaltung (16-1, 16-2) umfasst, die mit beiden Enden der Sendespule 14 angeschlossen ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Es wurden Forschungsarbeiten zu einer so genannten kontaktlosen Energieversorgungstechnologie (auch drahtlose Energieübertragung genannt) durchgeführt, bei der Energie ohne Metallkontakte oder Ähnliches über den Raum übertragen wird.
Als eine dieser kontaktlosen Energieversorgungstechnologien wird eine Technologie zum Erfassen von Phaseninformationen über einen Resonanzstrom, welcher durch eine nur in einer Sekundärspule (Energieempfänger) vorgesehene Resonanzschaltung fließt, zum Bestimmen einer Ansteuerfrequenz auf der Grundlage der Phaseninformationen und zum Ansteuern einer Primärspule (Energieüberträger) in der Weise vorgeschlagen, dass eine Stromphase eines durch die Primärspule fließenden Ansteuerstroms gegenüber einer Spannungsphase geringfügig verzögert ist (siehe z. B. Patentdokument 1). Außerdem wird bei dieser Technologie ein Q-Faktor auf der Grundlage der Streuinduktivität der Sekundärspule, der Kapazität eines Resonanzkondensators und des äquivalenten Lastwiderstands bestimmt, welcher gleich oder größer als ein Wert gesetzt wird, der sich aus Q = 2/k2 (k ist ein Kopplungskoeffizient) ergibt. Bei dieser Technologie wird die Wärmeentwicklung in der Primärspule unterdrückt und als Ansteuerfrequenz kann automatisch eine Frequenz gewählt werden, die einen aus Sicht der Primärspule optimalen Leistungsfaktor ergibt.
Stand der Technik Dokument
Patentdokument
Patentdokument 1: WO 2015/173850 A
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
DURCH DIE ERFINDUNG ZU LÖSENDE PROBLEME
Bei der oben beschriebenen Technologie tritt die Resonanz jedoch ausschließlich in der Resonanzschaltung des Energieempfängers auf, so dass sich der magnetische Fluss in der Nähe der Energieempfangsspule konzentriert. Daher kann, selbst wenn ein kleines Metallstück in der Nähe der Spule des Energieempfängers vorhanden ist, eine abnormale Wärmeentwicklung stattfinden und infolgedessen ein Brand entstehen. Weiterhin muss, um den Q-Faktor wie oben beschrieben zu erhöhen, die Energieempfangsspule größer dimensioniert werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, das Auftreten einer Abnormalität zu unterdrücken, selbst wenn Fremdkörper zwischen einer Sendespule einer energieübertragungsseitigen Vorrichtung und einer Empfangsspule einer einergieempfängerseitigen Vorrichtung vorhanden sind.
MITTEL ZUM LÖSEN DER AUFGABE
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Energieversorgungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Energiesendevorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung umfasst, an die die Energiesendevorrichtung Leistung auf kontaklose Weise überträgt. In der kontaklosen Energieversorgungsvorrichtung enthält die Energiesendevorrichtung eine Sendespule, die eingerichtet ist, der Energieempfangsvorrichtung Energie zuzuführen, eine Energieversorgungsschaltung, die eine Mehrzahl von Schaltelementen umfasst, die zwischen einer Gleichstrom-Energieversorgung und der Sendespule in einer Vollbrücken-Konfiguration oder einer Halbbrücken-Konfiguration verbunden sind, wobei die Energieversorgungsschaltung eingerichtet ist, die Mehrzahl von Schaltelementen mit einer Schaltfrequenz in einen Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, um von der Gleichstrom-Energieversorgung zugeführte Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie mit der Schaltfrequenz umzuwandeln und die Wechselstrom-Energie der Sendespule zuzuführen, und
einer Phasensteuerschaltung, die mindestens eine Reihenschwingschaltung umfasst, die mit beiden Enden der Sendespule verbunden ist.
Eine solche Struktur ermöglicht es dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, das Auftreten einer Abnormalität zu unterdrücken, selbst wenn sich Fremdkörper zwischen der Sendespule der Energiesendevorrichtung und der Empfangsspule der Energieempfangsvorrichtung befinden.
In dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung ist es bevorzugt, dass jede der mindestens einen Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung der Energiesendevorrichtung eine Spule, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, die in Reihe mit der Spule und parallel zueinander geschaltet sind, und ein Schaltelement, das in Reihe mit dem zweiten Kondensator geschaltet ist, umfasst, wobei das Schaltelement eingerichtet ist, den zweiten Kondensator mit der Spule zu verbinden, wenn es in den Ein-Zustand geschaltet wird, und den zweiten Kondensator von der Spule zu trennen, wenn es in den Aus-Zustand geschaltet wird. Vorzugsweise enthält die Energiesendevorrichtung ferner eine Stromerfassungsschaltung, die eingerichtet ist, einen gemessenen Wert einer Strommenge zu erhalten, die durch eines der Mehrzahl von Schaltelementen der Energieversorgungsschaltung fließt, und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, um den gemessenen Wert der Strommenge in einen vorbestimmten zulässigen Bereich zu bringen, wenn eines der Mehrzahl von Schaltelementen der Energieversorgungsschaltung ausgeschaltet ist.
Eine solche Struktur ermöglicht es dieser kontaklosen Energieversorgungsvorrichtung, den Betrag der Phasenverzögerung des durch jedes Schaltelement der Energieversorgungsschaltung fließenden Stroms relativ zur Phase der an das Schaltelement der Energieversorgungsschaltung angelegten Spannung einzustellen, um den Schaltverlust und den Leitungsverlust des Schaltelements der Energieversorgungsschaltung zu verringern.
Alternativ ist es in dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung bevorzugt, dass jede der mindestens einen Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung der Energiesendevorrichtung eine Spule, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, die in Reihe mit der Spule und parallel zueinander geschaltet sind, und ein Schaltelement, das in Reihe mit dem zweiten Kondensator geschaltet ist, umfasst, wobei das Schaltelement eingerichtet ist, den zweiten Kondensator mit der Spule zu verbinden, wenn es in den Ein-Zustand geschaltet wird, und den zweiten Kondensator von der Spule zu trennen, wenn es in den Aus-Zustand geschaltet wird. Vorzugsweise enthält die Energiesendevorrichtung ferner eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die Schaltfrequenz zu steuern, mit der die mehreren Schaltelemente der Energieversorgungsschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet werden, und das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, und zwar in Übereinstimmung mit der Schaltfrequenz des Wechselstroms, der von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule geliefert wird, während die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in einem konstanten Spannungsabgabevorgang ist.
Eine solche Struktur ermöglicht es dieser kontaklosen Energieversorgungsvorrichtung, selbst bei schwankender Schaltfrequenz des von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule gelieferten Wechselstroms den Betrag der Phasenverzögerung des durch jedes Schaltelement der Energieversorgungsschaltung fließenden Stroms relativ zur Phase der an das Schaltelement der Energieversorgungsschaltung angelegten Spannung einzustellen, um den Schaltverlust des Schaltelements der Energieversorgungsschaltung zu verringern.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Steuerschaltung der Energiesendevorrichtung das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand schaltet, um eine Resonanzfrequenz jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung höher als die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie zu stellen, die von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule geliefert wird.
Eine solche Struktur ermöglicht es dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, die Schaltverluste jedes Schaltelements der Energieversorgungsschaltung entsprechend der Schaltfrequenz des von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule gelieferten Wechselstroms zu reduzieren.
Alternativ ist es in dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung bevorzugt, dass jede der mindestens einen Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung der Energiesendevorrichtung ein Schaltelement umfasst, das eingerichtet ist, die Reihenschwingschaltung mit der Sendespule zu verbinden, wenn sie in den Ein-Zustand geschaltet wird, und die Reihenschwingschaltung von der Sendespule zu trennen, wenn sie in den Aus-Zustand geschaltet wird. Bevorzugt umfasst die Energiesendevorrichtung ferner eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die Schaltfrequenz zu steuern, mit der die Mehrzahl von Schaltelementen der Energieversorgungsschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, und das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung, in Übereinstimmung mit der Schaltfrequenz des Wechselstroms oder der Spannung, die von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule geliefert werden, in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, während die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in einem konstanten Spannungsabgabevorgang ist.
Eine solche Struktur ermöglicht es dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, die Schaltverluste jedes Schaltelements der Energieversorgungsschaltung zu reduzieren, auch wenn der Grad der Kopplung zwischen der Sende- und der Empfangsspule abnimmt.
In diesem Fall ist es bevorzugt, dass die Energieempfangsvorrichtung eine Resonanzschaltung mit einer Empfangsspule, die eingerichtet ist, die Energie über die Sendespule der Energiesendevorrichtung zu empfangen, und einem Resonanzkondensator, der eingerichtet ist, mit der Empfangsspule in Resonanz zu treten, eine Gleichrichterschaltung, die eingerichtet ist, die von der Resonanzschaltung ausgegebene Energie gleichzurichten, eine Spannungserfassungsschaltung, die eingerichtet ist, eine Ausgangsspannung der von der Gleichrichterschaltung ausgegebenen Leistung zu messen, um einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung zu erhalten, eine Bestimmungsschaltung, die eingerichtet ist, auf der Grundlage des gemessenen Werts der Ausgangsspannung zu bestimmen, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsversorgungsvorrichtung in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, und einen ersten Sender-Empfänger, der eingerichtet ist, an die Energiesendevorrichtung ein Signal zu senden, das Bestimmungsinformationen enthält, die anzeigen, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet. Bevorzugt enthält die Energiesendevorrichtung ferner einen zweiten Sender-Empfänger, der eingerichtet ist, das die Bestimmungsinformation enthaltende Signal zu empfangen, und die Steuerschaltung steuert, wenn die Bestimmungsinformation anzeigt, dass sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, die Schaltfrequenz, um zu verhindern, dass sich der gemessene Wert der Ausgangsspannung ändert, selbst wenn sich der Widerstand einer mit der Gleichrichterschaltung der Energieempfangsvorrichtung verbundenen Lastschaltung ändert.
Eine solche Struktur ermöglicht es dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, den konstanten Spannungsabgabevorgang fortzusetzen, selbst wenn sich der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule ändert, und die Phasensteuersschaltung in Übereinstimmung mit der Schaltfrequenz für den konstanten Spannungsabgabevorgang in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, so dass, selbst wenn sich der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule ändert, der Schaltverlust jedes Schaltelements der Energieversorgungsschaltung reduziert werden kann.
In dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung ist es weiterhin bevorzugt, dass die mindestens eine Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung der Energiesendevorrichtung an einem Ende mit einem Ende der Sendespule verbunden ist und das andere Ende mit dem anderen Ende der Sendespule verbunden ist.
Durch einen solchen Aufbau kann in der Phasensteuerschaltung nur eine Reihenschwingschaltung vorgesehen werden, so dass das Energiesendevorrichtung verkleinert wird.
Alternativ ist in dieser kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung bevorzugt, dass die mindestens eine Reihenschwingschaltung der Energiesendevorrichtung eine erste Reihenschwingschaltung umfasst, deren eines Ende mit einem Ende der Sendespule verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist, und eine zweite Reihenschwingschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der Sendespule verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist.
Eine solche Struktur vereinfacht das Umschalten jeder Reihenschwingschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand oder die Steuerung auf die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung.
Figurenliste

1 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Ergebnis der Simulation einer Wellenform eines durch eine Sendespule fließenden Stroms zeigt.
2B ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Ergebnis der Simulation der Wellenform des durch die Sendespule fließenden Stroms zeigt.
2C ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Ergebnis der Simulation der Wellenform des durch die Sendespule fließenden Stroms zeigt.
3 ist ein Diagramm eines Ergebnisses der Simulation, das ein Beispiel für die Verteilung der Magnetfeldstärke gemäß der Ausführungsform zeigt.
4 ist ein Diagramm eines Ergebnisses der Simulation, das ein Beispiel für die Verteilung der Magnetfeldstärke gemäß einem Vergleichsbeispiel zeigt.
5 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Energiesendevorrichtung nach einer weiteren Modifikation.
6 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Energiesendevorrichtung nach einer weiteren Modifikation.
7 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Energiesendevorrichtung nach einer weiteren Modifikation.
8 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer Energiesendevorrichtung nach einer weiteren Modifikation.

ART UND WEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
In der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Reihenschwingschaltung zwischen jedem Ende einer Energiesendespule (im Folgenden als Sendespule bezeichnet) einer energieübertragungsseitigen Vorrichtung (im Folgenden einfach als Energiesendevorrichtung bezeichnet) und der Masse geschaltet. Dadurch kann die kontaklose Energieversorgungsvorrichtung den Betrag der Phasenverzögerung eines Stroms, der durch jedes Schaltelement einer Energieversorgungsschaltung fließt, der die Sendespule mit Wechselstrom versorgt, relativ zu einer Phase einer an das Schaltelement der Energieversorgungsschaltung angelegten Spannung steuern, um die Schaltverluste der Energieversorgungsschaltung zu reduzieren, ohne einen Q-Faktor einer Resonanzschaltung einer energieempfängerseitigen Vorrichtung (im Folgenden einfach als Energieempfangsvorrichtung bezeichnet) zu erhöhen. Dies ermöglicht eine Reduzierung der Windungszahl einer Spule (im Folgenden als Empfangsspule bezeichnet), die in der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung enthalten ist. Daher reduziert die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung selbst dann, wenn Energie durch Resonanz der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung übertragen wird, der hauptsächlich mit dem der Sendespule zugeführten Wechselstrom in Resonanz ist, die Ablenkung des magnetischen Flusses zwischen der Sendespule und der Empfangsspule, um das Auftreten einer Abnormalität, wie z. B. einer abnormalen Wärmeerzeugung, zu verhindern, selbst wenn Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule vorhanden sind.
Darüber hinaus ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage, eine konstante Spannung abzugeben, indem sie eine Schaltfrequenz des Wechselstroms steuert, der von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule geliefert wird, und steuert, während dem konstanten Spannungsabgabevorgang, eine Spannung des Wechselstroms, der von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule geliefert wird, um eine Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereichs zu bringen. Es ist zu beachten, dass das Verhalten des konstanten Spannungsabgabevorgang einem Verhalten entspricht, bei dem die Ausgangsspannung der Resonanzschaltung auch dann annähernd konstant gehalten wird, wenn sich der Widerstand einer an der Energieempfangsvorrichtung angeschlossenen Lastschaltung ändert.
Ferner hat, wie in der folgenden Ausführungsform gezeigt, eine Struktur, bei der ein Kondensator in Reihe mit der Sendespule zwischen der Sendespule und der Reihenschwingschaltung geschaltet ist, keinen Einfluss auf die Steuerung des Betrags der Phasenverzögerung durch die Reihenschwingschaltung. Daher umfasst eine Struktur, bei der die Reihenschwingschaltung mit einem Ende der Sendespule verbunden ist, auch eine Struktur, bei der die Reihenschwingschaltung über einen Kondensator mit einem Ende der Sendespule verbunden ist.
1 ist eine schematische Konfigurationsansicht einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 1 dargestellt, umfasst die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 eine Energiesendevorrichtung 2 und eine Energieempfangsvorrichtung 3, an die die Energiesendevorrichtung 2 die Energie kontaktlos über den Raum überträgt. Die Energiesendevorrichtung 2 weist eine Energieversorgungsschaltung 10, eine Sendespule 14, einen Kondensator 15, eine Phasensteuerschaltung 16, eine Stromerfassungsschaltung 17, einen Sender-Empfänger 18 und eine Steuerschaltung 19 auf. Andererseits enthält die Energieempfangsvorrichtung 3 eine Resonanzschaltung 20 mit einer Empfangsspule 21 und einem Resonanzkondensator 22, eine Gleichrichtungs- und Glättungsschaltung 23, eine Lastschaltung 26, eine Spannungserfassungsschaltung 27, ein Schaltelement 28, eine Bestimmungsschaltung 29 und einen Sender-Empfänger 30.
Zuerst wird eine Beschreibung der Energiesendevorrichtung 2 gegeben.
Die Energieversorgungsschaltung 10 führt der Sendespule 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 Schaltelemente 13-1 bis 13-4 auf.
Die Energieversorgung 11 führt Energie mit einer vorbestimmten pulsierenden Spannung zu. Zu diesem Zweck ist die Energieversorgung 11 mit einer kommerziellen Wechselstrom-Energieversorgung verbunden und weist eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung auf, um Wechselstrom-Energie, welche durch die Wechselstrom-Energieversorgung zugeführt wird, gleichzurichten.
Die Blindleistungskompensationschaltung 12 wandelt eine Spannung der von der Energieversorgung 11 ausgegebenen Energie in Gleichstrom-Energie mit einer für die Steuerung der Steuerschaltung 19 geeigneten Spannung um und gibt die Gleichstrom-Energie aus. Dadurch kann die Blindleistungskompensationschaltung 12 eine Struktur aufweisen, die der Struktur einer der verschiedenen Blindleistungskompensationschaltungen ähnelt, die in der Lage sind, die Ausgangsspannung unter Steuerung der Steuerschaltung 19 einzustellen, wie z.B. die Struktur der Blindleistungskompensationschaltung der in dem japanischen Patent Nr. 6390808 offenbarten Energiesendevorrichtung. Es ist zu beachten, dass die Energieversorgung 11 und die Blindleistungskompensationschaltung 12 eine Gleichstrom-Energieversorgung bilden.
Für die vier Schaltelemente 13-1 bis 13-4 können zum Beispiel n-Kanal-MOSFETs verwendet werden. Gemäß der Ausführungsform bilden die vier Schaltelemente 13-1 bis 13-4 eine Vollbrückenschaltung, die zwischen der Energieversorgung 11 und der Blindleistungskompensationschaltung 12 sowie der Sendespule 14 in einer Vollbrückenkonfiguration angeschlossen ist. Das heißt, unter den vier Schaltelementen 13-1 bis 13-4 sind das Schaltelement 13-1 und das Schaltelement 13-2 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 in Reihe zwischen einem positiven Elektrodenanschluss und einem negativen Elektrodenanschluss der Energieversorgung 11 geschaltet. Zudem ist in der vorliegenden Ausführungsform das Schaltelement 13-1 mit der Seite der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden, während das Schaltelement 13-2 mit der Seite der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden ist. Das Schaltelement 13-1 hat einen Drain-Anschluss, der über die Blindleistungskompensationschaltung 12 mit dem positiven Elektrodenanschluss der Energieversorgung 11 verbunden ist, und ein Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 ist mit einem Drain-Anschluss des Schaltelements 13-2 verbunden. Zudem ist der Source-Anschluss des Schaltelements 13-2 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 und der Drain-Anschluss des Shaltelements 13-2 mit einem Ende der Sendespule 14 über den Kondensator 15 verbunden und der Source-Anschluss des Schaltelements 13-2 ist mit dem anderen Ende der Sendespule 14 über das Schaltelement 13-4 verbunden.
Ähnlich sind aus den vier Schaltelementen 13-1 bis 13-4 das Schaltelement 13-3 und das Schaltelement 13-4 mit dem Schaltelement 13-1 und dem Schaltelement 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 Schaltelement 13-3 mit der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden, während das Schaltelement 13-4 mit der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden ist. Das Schaltelement 13-3 hat einen Drain-Anschluss, der über die Blindleistungskompensationschaltung 12 mit dem positiven Elektrodenanschluss der Energieversorgung verbunden ist, und hat einen Source-Anschluss, der mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements 13-4 verbunden ist. Zudem ist der Source-Anschluss des Schaltelements 13-4 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Schaltelements 13-3 und der Drain-Anschluss des Schaltelements 13-4 mit dem anderen Ende der Sendespule 14 verbunden.
Zudem sind die jeweiligen Gate-Anschlüsse der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 mit der Steuerschaltung 19 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 Schaltelement in den Ein-Zustand gebracht wird, wenn eine Spannung angelegt wird, die das Schaltelement in den Ein-Zustand bringt. Die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 werden zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand bei einer einstellbaren Schaltfrequenz gemäß einem Steuersignal von der Steuerschaltung 19 umgeschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Paar aus dem Schaltelement 13-1 und dem Schaltelement 13-4 und ein Paar aus dem Schaltelement 13-2 und dem Schaltelement 13-3 abwechselnd in den Ein- und oder Aus-Zustand in einer derartigen Weise geschaltet, dass, während sich das Schaltelement 13-1 und das Schaltelement 13-4 in dem Ein-Zustand befinden, das Schaltelement 13-2 und das Schaltelement 13-3 in dem Aus-Zustand sind, wohingegen, während sich das Schaltelement 13-2 und das Schaltelement 13-3 in dem Ein-Zustand befinden, das Schaltelement 13-1 und das Schaltelement 13-4 in dem Aus-Zustand sind. 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 Schaltelemente umgewandelt und der Sendespule 14 zugeführt wird.
Die Sendespule 14 überträgt die Wechselstrom-Energie, welche von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, an die Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 durch den Raum.
Der Kondensator 15 ist in Reihe mit der Sendespule 14 geschaltet und sperrt einen durch die Sendespule 14 fließenden Gleichstrom. Gemäß der Ausführungsform ist der Kondensator 15 zwischen dem einen Ende der Sendespule 14 und dem Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 und dem Drain-Anschluss des Schaltelements 13-2 angeschlossen. Es ist beachten, dass die Kapazität des Kondensators 15 bevorzugt so ausgelegt ist, dass die Resonanzfrequenz der aus der Sendespule 14 und Kondensator 15 gebildeten Resonanzschaltung sich von einer Frequenz unterscheidet, die in einem Einstellbereich der Schaltfrequenz der von der Energieversorgungsschaltung 10 an die Sendespule 14 gelieferten Wechselstrom-Energie fällt, d.h. dass die aus der Sendespule 14 und dem Kondensator 15 gebildete Resonanzschaltung nicht mit der von der Energieversorgungsschaltung 10 an die Sendespule 14 gelieferten Wechselstrom-Energie mitschwingt. Außerdem muss der Kondensator 15 nicht vorgesehen sein.
Die Phasensteuerschaltung 16 umfasst neben der Sendespule 14 darüber hinaus zwei Serienschwingschaltungen 16-1, 16-2, die jeweils an einem Ende mit der Sendespule 14 (oder dem Kondensator 15) verbunden ist und an dem anderen Ende mit dem negativen Elektrodenanschluss der Energieversorgung 11 verbunden, also geerdet ist. Die Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 enthalten jeweils Spulen L1, L2, n (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2, und n ist gleich 3 in 1) Kondensatoren C1k, C2k (k = 1 bis n), die in Reihe mit den Spulen L1, L2 und parallel zueinander geschaltet sind, und Schaltelemente S1j, S2j (j = 1 bis n - 1) wie MOSFETs, die jeweils in Reihe mit einem entsprechenden der (n - 1) Kondensatoren unter den n Kondensatoren C1k, C2k geschaltet sind. Die Schaltelemente S1j, S2j werden unter der Steuerung der Steuerschaltung 19 in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet. Je größer dann die Anzahl der in den Ein-Zustand geschalteten Schaltelemente unter den Schaltelementen S1j, S2j ist, desto größer ist die Kapazität der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2, was zu einer Reduzierung der Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 führt. Dadurch wird der Betrag der Phasenverzögerung des durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 fließenden Stroms relativ zur Phase der an die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 angelegten Spannung in Abhängigkeit von der Anzahl der in den Ein-Zustand geschalteten Schaltelemente unter den Schaltelementen S1j, S2j gesteuert. Daher kann die Energiesendevorrichtung 2 auch dann, wenn sich der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 ändert und sich die Schaltfrequenz und die Spannung der der Sendespule 14 zugeführten Wechselstrom-Energie entsprechend ändern, einen sanften Schaltvorgang durch die Energieversorgungsschaltung 10 und die Sendespule 14 fortsetzen und den Schaltverlust der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 verringern. Da das eine Ende jeder der Reihenschwingschaltungen geerdet ist, wird eine Referenzspannung für die Schaltelemente jeder der Reihenschwingschaltungen konstant, wodurch die Steuerung an jeder der Reihenschwingschaltungen vereinfacht wird.
Ferner ist in den Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 die Induktivität der Spulen L1, L2 umso größer, je bevorzugter sie ist. Denn je größer die Induktivität der Spulen L1, L2 ist, desto kleiner ist der Strom, der durch die Reihenschwingschaltung 16-1, 16-2 fließt. So ist es z.B. vorteilhaft, dass die Induktivität der Spulen L1, L2 größer ist als ein Wert, der sich aus der Multiplikation eines Maximalwertes kmax eines angenommenen Grades der Kopplung mit der Selbstinduktivität L1 auf der Sendeseite ergibt, wenn die Sendespule 14 und die Empfangsspule 21 elektromagnetisch gekoppelt sind, um den durch die Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 fließenden Strom kleiner zu machen als eine Erregerstromkomponente des durch die Sendespule 14 fließenden Stromes, unabhängig von einer Last der mit der Resonanzschaltung 20 verbundenen Lastschaltung 26.
Die Stromerfassungsschaltung 17 misst die Strommenge, die durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 fließt. Die Stromerfassungsschaltung 17 kann z. B. eine beliebige der verschiedenen bekannten Stromerfassungsschaltungen sein, die einen Gleichstrom messen können. Gemäß der Ausführungsform ist die Stromerfassungsschaltung 17 zwischen dem Source-Anschluss des Schaltelements 13-2 und dem Source-Anschluss des Schaltelements 13-4 und dem negativen Elektrodenanschluss der Energieversorgung 11 angeschlossen. Die Stromerfassungsschaltung 17 misst die Strommenge, die durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließt, während die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in der Energiesendefunktion ist, und gibt an die Steuerschaltung 19 ein Signal aus, das die so gemessene Strommenge angibt.
Jedes Mal, wenn der Sender-Empfänger 18 ein Funksignal von dem Sender-Empfänger 30 der Energieempfangsvorrichtung 3 empfängt, extrahiert der Sender-Empfänger 18 aus dem Funksignal die Bestimmungsinformation, die angibt, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, und gibt die Bestimmungsinformation an die Steuerschaltung 19 aus. Daher enthält der Sender-Empfänger 18 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.
Die Steuerschaltung 19 umfasst bespielsweise eine nichtflüchtige Speicherschaltung und eine flüchtige Speicherschaltung, eine Betriebsschaltung, eine Schnittstellenschaltung zur Verwendung in Verbindung mit einer anderen Schaltung und eine Treiberschaltung zur Verwendung bei der Ausgabe des Steuersignals an jedes Schaltelement. Jedes mal, wenn die Steuerschaltung 19 die Bestimmungsinformation von dem Sender-Empfänger 18 erhält, steuert die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule 14 gemäß der Bestimmungsinformation von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird.
Zu diesem Zweck steuert die Steuerschaltung 19 in der vorliegenden Ausführungsform die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 in einer derartigen Weise, dass das Paar aus dem Schaltelement 13-1 und dem Schaltelement 13-4 und das Paar aus dem Schaltelement 13-2 und dem Schaltelement 13-3 abwechselnd in den Ein-Zustand geschaltet werden, und eine Dauer, für die das Paar aus dem Schaltelement 13-1 und dem Schaltelement 13-4 in dem Ein-Zustand ist, gleich einer Dauer ist, für die das Paar aus dem Schaltelement 13-2 und dem Schaltelement 13-3 innerhalb eines Zyklus Schaltfrequenz in dem Ein-Zustand ist. Es ist zu beachten, dass die Steuerschaltung 19 eine Totzeit haben kann, während der sowohl das Paar aus dem Schaltelement 13-1 und dem Schaltelement 13-4 als auch das Paar aus dem Schaltelement 13-2 und dem Schaltelement 13-3 im Aus-Zustand sind, wenn das Paar aus dem Schaltelement 13-1 und dem Schaltelement 13-4 und das Paar aus dem Schaltelement 13-2 und das Schaltelement 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 Schaltelement 13-1 und dem Schaltelement 13-4 als auch das Paar aus dem Schaltelement 13-2 und dem Schaltelement 13-3 gleichzeitig in den Ein-Zustand gebracht werden.
Ferner steuert die Steuerschaltung 19 in Übereinstimmung mit der Schaltfrequenz die Blindleistungskompensationschaltung 12, um die Energieversorgungsschaltung 10 zu veranlassen, die Wechselstrom-Energie mit einer Spannung auszugeben, die für den konstanten Spannungsabgabevorgang der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 erforderlich ist. Die Steuerschaltung 19 braucht z. B. nur die gleiche Steuerung durchzuführen wie die Steuerung der Blindleistungskompensationschaltung der in dem japanischen Patent Nr. 6390808 offenbarten Energiesendevorrichtung.
Ferner steuert die Steuerschaltung 19 die Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 der Phasensteuerschaltung 16 in Abhängigkeit von der durch die Stromerfassungsschaltung 17 erfassten Strommenge.
Es ist zu beachten, dass die Einzelheiten der Steuerung der Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 der Phasensteuerschaltung 16 und die Steuerung der Schaltfrequenz und der an die Sendespule 14 angelegten Spannung, die von der Steuerschaltung 19 durchgeführt werden, später beschrieben werden.
Im Folgenden wird eine Beschreibung der Energieempfangsvorrichtung 3 gegeben.
Die Resonanzschaltung 20 ist eine Resonanzschwingschaltung, in der die Empfangsspule 21 und der Resonanzkondensator 22 zueinander Reihe geschaltet sind. Die Empfangsspule 21 der Resonanzschaltung 20 ist an einem Ende über den Resonanzkondensator 22 mit einem Eingangsanschluss der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 verbunden. Außerdem ist das andere Ende der Empfangsspule 21 mit dem anderen Eingangsanschluss der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 verbunden.
Die Empfangsspule 21 empfängt Energie von der Sendespule 14 durch Resonieren mit dem Wechselstrom, welcher durch die Sendespule 14 der Energiesendevorrichtung 2 fließt. Anschließend gibt die Empfangsspule 21 die so empfangene Energie über den Resonanzkondensator 22 an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 ab. Es ist zu beachten, dass die Empfangsspule 21 und die Sendespule 14 der Energiesendevorrichtung 2 in der Windungszahl gleich oder unterschiedlich sein können.
Der Resonanzkondensator 22 ist an einem Ende mit dem einen Ende der Empfangsspule 21 und an dem anderen Ende mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 verbunden. Anschließend nimmt der Resonanzkondensator 22 Energie auf, indem er zusammen mit der Empfangsspule 21 mit dem durch die Sendespule 14 fließenden Strom in Resonanz tritt, und gibt die so empfangene Energie an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 ab.
Die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 ist ein Beispiel für eine Gleichrichterschaltung und enthält eine Vollweggleichrichterschaltung 24 mit vier brückengeschalteten Dioden und einem Glättungskondensator 25. Die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 gleichrichtet und glättet die Ausgangsenergie der Resonanzschaltung 20, um die Energie in Gleichstrom-Energie umzuwandeln. Anschließend gibt die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 die Gleichstrom-Energie an die Lastschaltung 26 aus.
Die Spannungserfassungsschaltung 27 erfasst eine Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23. Die Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 entspricht eins zu eins der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20; daher repräsentiert ein gemessener Wert der Ausgangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 indirekt einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20. Die Spannungserfassungsschaltung 27 kann zum Beispiel eine beliebige von verschiedenen bekannten Spannungserfassungsschaltungen sein, welche Gleichspannung erfassen können. Anschließend gibt die Spannungserfassungsschaltung 27 ein Spannungserfassungssignal, welches einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung repräsentiert, an die Bestimmungsschaltung 29 aus.
Das Schaltelement 28 ist z.B. ein MOSFET und wird zwischen der Gleichrichtungs-Glättungschaltung 23 und der Lastschaltung 26 geschaltet. Das Schaltelement 28 wird in den Aus-Zustand gebracht, um einen Stromfluss von der Gleichrichtungs-Glättungsschaltung 23 zu der Lastschaltung 26 zu unterbrechen (d.h. den Wechselstrom-Äquivalenzwiderstand Rac der Lastschaltung unendlich zu machen), während das Schaltelement 28 in den Ein-Zustand gebracht wird, um einen Stromfluss von der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 zu der Lastsschaltung 26 zu ermöglichen.
Die Bestimmungsschaltung 29 bestimmt auf der Grundlage des von der Spannungserfassungsschaltung 27 empfangenen gemessenen Werts der Ausgangsspannung, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang Zustand befindet und ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung in einen zulässigen Spannungsbereich fällt, der angelegt wird, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet. Anschließend teilt die Bestimmungsschaltung 29 dem Sender-Empfänger 30 das Bestimmungsergebnis mit. Daher enthält die Bestimmungsschaltung 29 z.B. eine Speicherschaltung, die den zulässigen Spannungsbereich speichert, eine Betriebsschaltung, die den gemessenen Wert der Ausgangsspannung mit dem zulässigen Spannungsbereich vergleicht, und eine Steuerschaltung, die das Schaltelement 28 in den Ein- oder Aus-Zustand schaltet.
Die Bestimmungsschaltung 29 schaltet ferner das Schaltelement 28 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand in einem vorbestimmten Zeitraum um, während gemessene Werte der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen. Dadurch ändert sich der Widerstandswert der gesamten Schaltung, einschließlich der Lastschaltung 26, die mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 verbunden ist, in dem vorbestimmten Zeitraum. Dies wiederum ermöglicht es der Bestimmungsschaltung 29 zu bestimmen, ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung annähernd konstant ist, während das Schaltelement 28 in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, um zu bestimmen, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet. Während also der gemessene Wert der Ausgangsspannung auch dann annähernd konstant ist, wenn das Schaltelement 28 in dem vorgegebenen Zeitraum in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, teilt die Bestimmungsschaltung 29 dem Sender-Empfänger 30 mit, dass sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet.
Weiterhin stoppt die Bestimmungsschaltung 29 das Schalten des Schaltelements 28 in den Ein- oder Aus-Zustand, wenn der gemessene Wert der Ausgangspannung anzeigt, dass sich die Energieversorgungsvorrichtung 1 für einen festen Zeitraum, der länger als der vorgegebene Zeitraum ist, in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, um das Schaltelement 28 im Ein-Zustand zu halten. Anschließend bestimmt die Bestimmungsschaltung 29, ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht, und benachrichtigt den Sender-Empfänger 30 über ein Ergebnis der Bestimmung.
Zu diesem Zeitpunkt meldet die Bestimmungsschaltung 29, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung für den festgelegten Zeitraum, der länger als der vorgegebene Zeitraum ist, innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, dem Sender-Empfänger 30 das Bestimmungsergebnis, das angibt, dass sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet und der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Es ist zu beachten ist, dass die Energieempfangsvorrichtung 3 gemäß einer Modifikation einen Widerstand enthalten kann, der parallel zu der Lastschaltung 26 an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 23 angeschlossen ist. In diesem Fall kann das Schaltelement 28 in Reihe mit dem Widerstand und parallel mit der Lastschaltung 26 vorgesehen werden. In diesem Fall hält die Bestimmungsschaltung 29 das Schaltelement 28 in dem Aus-Zustand, während der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt. Andererseits muss die Bestimmungsschaltung 29, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung aus dem zulässigen Spannungsbereich herausfällt, das Schaltelement 28 nur in dem vorgegebenen Zeitraum in den Ein- oder Aus-Zustand schalten, wie in der oben beschriebenen Ausführungsform. Gemäß dieser Modifikation wird die Lastschaltung 26 auch dann weiter mit Strom versorgt, wenn die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 außerhalb des konstanten Spannungsabgabevorgangs ist.
Des Weiteren kann gemäß einer weiteren Modifikation ein zweites Schaltelement, wie etwa ein MOSFET, parallel zu dem vorangehend beschriebenen Widerstand und in Reihe mit der Lastschaltung 26 angeordnet sein. In diesem Fall schaltet die Bestimmungsschaltung 29, während der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, das zweite Schaltelement ein und ermöglicht dadurch eine Energiezufuhr zu der Lastschaltung 26. Andererseits, wenn der gemessene Wert der Ausgangsspannung aus dem zulässigen Spannungsbereich herausfällt, kann die Bestimmungsschaltung 29 das zweite Schaltelement in den Aus Zustand schalten, um die Energieversorgung der Lastschaltung 26 zu unterbrechen. Dadurch wird verhindert, dass selbst dann, wenn die Spannung der empfangenen Energie übermäßig hoch wird, während die Schaltfrequenz durch die Energiesendevorrichtung 2 eingestellt wird, die übermäßig hohe Spannung an die Lastschaltung 26 angelegt wird.
Ferner erzeugt der Sender-Empfänger 30 in Übereinstimmung mit dem von der Bestimmungsschaltung 29 empfangenen Bestimmungsergebnis ein Funksignal, das die Bestimmungsinformation enthält, die angibt, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet und ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung in vorbestimmten Übertragungsintervallen innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, und sendet das Funksignal an den Sender-Empfänger 18 der Energiesendevorrichtung 2. Daher enthält der Sender-Empfänger 30 z.B. eine Sender-Empfänger-Schaltung, die ein Funksignal gemäß einem vorgegebenen Funkübertragungsstandard generiert, und eine Antenne, die das Funksignal ausgibt. Es ist zu beachten, dass der vorgegebene Funkübertragungsstandard zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke) sein kann, wie auch für den Sender-Empfänger 18.
Im Folgenden wird die Funktionsweise der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 ausführlich beschrieben.
Gemäß der Ausführungsform steuert die Steuerschaltung 19 der Energiesendevorrichtung 2 auf der Grundlage der vom Sender-Empfänger 18 empfangenen Bestimmungsinformation die Schaltfrequenz und die Spannung der von der Stromversorgungsschaltung 10 an die Sendespule 14 gelieferten Wechselstrom-Energie, um zu bewirken, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 den konstanten Spannungsabgabevorgang fortsetzt. Ferner schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1j, S2j der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 der Phasensteuerschaltung 16 auf der Grundlage des von der Stromerfassungsschaltung 17 erfassten Stroms in den Ein- oder Aus-Zustand, um den Betrag der Phasenverzögerung des durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 fließenden Stroms relativ zu der Phase der an die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 angelegten Spannung zu steuern, um so den Schaltverlust der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 zu verringern.
Zunächst wird die Steuerung der Schaltfrequenz und der Spannung der von der Energieversorgungsschaltung 10 an die Sendespule 14 gelieferten Wechselstrom-Energie beschrieben. Wie oben beschrieben, nutzt die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 gemäß der Ausführungsform keine Resonanz auf der Energiesendeseite, sondern hat die gleiche Struktur wie die Struktur eines so genannten primär seriellen, sekundär seriellen Kondensatortyps (SS-Typ). Daher ist die Ausgangsspannung der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 in der Frequenzcharakteristik ähnlich der Ausgangsspannung einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung vom SS-Typ.
Daher steuert die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz und Spannung der an die Sendespule 14 angelegten Wechselstrom-Energie wie unten beschrieben, um die Wirkung des konstanten Spannungsabgabevorgangs zu ermöglichen.
Nach Erhalt der Bestimmungsinformation, die anzeigt, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Bereichs von dem Sender-Empfänger 18 liegt, ändert die Steuerschaltung 19 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 Energiesendevorrichtung 2 der Energieempfangsvorrichtung 3 Energie zuführt, eine konstante Spannungsausgabe mit einem möglichen minimalen Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 erfolgt, bis zu einer oberen Grenzfrequenz, bei der eine konstante Spannungsausgabe mit einem möglichen maximalen Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 erfolgt.
Wenn die Schaltfrequenz verändert wird, kann die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz von der unteren Grenze auf die obere Grenze des vorbestimmten Frequenzbereichs erhöhen oder alternativ die Schaltfrequenz von der oberen Grenze auf die untere Grenze des vorbestimmten Frequenzbereichs verringern. Zu diesem Zeitpunkt ändert die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz vorzugsweise schrittweise, um die Schaltfrequenz für einen Zeitraum konstant zu halten, der länger ist als ein Zeitraum, in dem die Bestimmungsschaltung 29 der Energieempfangsvorrichtung 3 das Schaltelement 28 in den Ein- oder Aus-Zustand schaltet, damit die Bestimmungsschaltung 29 prüfen kann, ob die Ausgangsspannung annähernd konstant wird.
Wenn die Bestimmungsinformation, welche in dem Funksignal enthalten ist, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 18 empfangen wird, angibt, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, aber die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant bleibt, selbst wenn sich der Widerstand der Lastschaltung 26 ändert, hält die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz danach konstant. Als nächstes steuert die Steuerschaltung 19 die von der Blindleistungskompensationschaltung 12 ausgegebene Gleichspannung so, dass eine annähernd konstante Spannung an die Lastschaltung 26 ausgegeben wird, unabhängig von der Schaltfrequenz oder dem Grad der Kopplung bei der Schaltfrequenz. Dieser Vorgang veranlasst, dass die an die Sendespule 14 angelegte Spannung in einer derartigen Weise eingestellt wird, dass die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, d.h. annähernd konstante Spannung unabhängig von dem Grad der Kopplung ausgegeben wird. Anschließend, wenn die Bestimmungsinformation, welche in dem Funksignal enthalten ist, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 18 empfangen wird, angibt, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, hält die Steuerschaltung 19 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule 14 zugeführt wird, konstant.
Es ist zu beachten, dass die Steuerschaltung 19 die Blindleistungskompensationschaltung 12 so steuern kann, dass die Ausgangsspannung der Blindleistungskompensationschaltung 12 allmählich ansteigt, bis die Bestimmungsinformation, die in dem von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Sender-Empfänger 18 empfangenen Funksignal enthalten ist, anzeigt, dass der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt.
Im Folgenden wird die Steuerung der Phasensteuerschaltung 16 beschrieben. Um den Wirkungsgrad der Energieübertragung zu erhöhen, ist es ferner vorteilhaft, die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 der Energiesendevorrichtung 2 in einem sanften Schaltvorgang (induktiven Vorgang) zu halten. Damit die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 den sanften Schaltvorgang durchführen können, ist es vorteilhaft, dass der durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließende Strom relativ zu der an den Schaltelementen 13-1 bis 13-4 anliegenden Spannung phasenverschoben ist. Dies bewirkt, dass ein Strom vom Source-Anschluss zum Drain-Anschluss des Schaltelements 13-1 fließt, wenn das Schaltelement 13-1 und das Schaltelement 13-4 in den Ein-Zustand geschaltet werden, wodurch die Schaltelemente 13-1, 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 in den sanften Schaltvorgang gebracht werden.
Des Weiteren ist der Schaltverlust der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 umso geringer, je kleiner ein Spitzenwert des Stroms ist, der durch die Sendespule 14 fließt, wenn die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand geschaltet werden (d.h. wenn die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 ausgeschaltet sind).
Die 2A bis 2C sind Diagramme, die jeweils ein Beispiel für ein Ergebnis der Simulation der Wellenform des durch eines der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließenden Stroms zeigen, In jeder der 2A bis 2C stellt die horizontale Achse die Zeit und die vertikale Achse die Strommenge dar. In dieser Simulation wurden die Induktivität Lp der Sendespule 14 und die Induktivität Ls der Empfangsspule 21 auf 220 µH eingestellt. Weiterhin wurde die Kapazität des Kondensators 15 auf 440 nF und die Kapazität des Resonanzkondensators 22 auf 16,5 nF eingestellt. Weiterhin wurde der Widerstand Ro der Lastschaltung 26 auf 8Ω und der Grad der Kopplung k zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 auf 0,15 eingestellt. Weiterhin wurde die Schaltfrequenz der an die Sendespule 14 angelegten Wechselspannung auf 84,5 kHz und die Spannung der Wechselspannung auf 270 V eingestellt.
Die in 2A gezeigte Wellenform 201 ist eine als Vergleichsbeispiel dienende Wellenform eines Stroms, der durch eines der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließt, wenn die Phasensteuerschaltung 16 nicht angeschlossen ist. Ferner ist eine in 2B gezeigte Wellenform 202 eine Wellenform eines Stroms, der durch die Sendespule 14 fließt, wobei die Induktivität der Spule jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 auf 220 µH und die Kapazität des Kondensators der Reihenschwingschaltung auf 11 nF eingestellt ist (d. h. die Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltung ist auf 102 kHz eingestellt). Des Weiteren ist eine in 2C gezeigte Wellenform 203 eine Wellenform eines Stroms, der durch die Sendespule 14 fließt, wobei die Induktivität der Spule jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 auf 220 µH und die Kapazität des Kondensators der Reihenschwingschaltung auf 8 nF eingestellt ist (d. h. die Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltung ist auf 120 kHz eingestellt).
In den 2A bis 2C ist ein Zeitpunkt toff ein Zeitpunkt, zu dem ein Paar von Schaltelementen in den Ein-Zustand zu schalten ist, während gleichzeitig die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 ausgeschaltet werden. In dem in 2A gezeigten Vergleichsbeispiel beträgt der Strombetrag am Zeitpunkt toff 3,75A, und der Effektivwert des Stroms, der durch das betreffende Schaltelement der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließt, beträgt 1,65A. Ferner beträgt in dem in 2B gezeigten Beispiel die Stromstärke zum Zeitpunkt toff 0,95A und der Effektivwert des durch das betreffende Schaltelement fließenden Stroms beträgt 0,68A. In dem in 2C gezeigten Beispiel beträgt die Strommenge zum Zeitpunkt toff 2,6A und der Effektivwert des Stroms, der durch das betreffende Schaltelement fließt, beträgt 1,05A. Die Kurvenformen 201 bis 203 zeigen, dass die Bereitstellung des Phasensteuerschaltung 16 zu einer Verringerung des Stromspitzenwertes führt, wenn die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 ausgeschaltet werden. Außerdem wird der Effektivwert des Stroms, der durch das betreffende Schaltelement fließt, reduziert. Dies führt zu einer Reduzierung sowohl der Schaltverluste als auch der Leitungsverluste der einzelnen Schaltelemente. Ferner ist, wie in den Wellenformen 201 bis 203 gezeigt, die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 vorzugsweise höher als die Schaltfrequenz des der Sendespule 14 zugeführten Wechselstroms, und besonders bevorzugt kleiner als das Doppelte der Schaltfrequenz.
Dies ist auf folgende Gründe zurückzuführen. So ist die Strommenge, die durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließt, die Summe aus der Strommenge, die durch die Sendespule 14 fließt, und der Strommenge, die durch jede Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 fließt. Der durch die Sendespule 14 fließende Strom ist gegenüber der an den Schaltelementen 13-1 bis 13-4 anliegenden Spannung phasenverschoben. Andererseits, wenn die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 höher ist als die Schaltfrequenz der an die Sendespule 14 gelieferten Wechselspannung, ist der durch jede Reihenschwingschaltung fließende Strom in der Phase der an die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 angelegten Spannung voraus. Insbesondere dann, wenn die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung kleiner ist als das Doppelte der Schaltfrequenz des der Sendespule 14 zugeführten Wechselstroms, bewirken die Schaltelemente 13-1 bis 13-4, dass sich der durch die Sendespule 14 fließende Strom und der durch jede Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 fließende Strom gegenseitig aufheben, wodurch der Effektivwert des durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließenden Stroms ebenfalls reduziert wird.
Daher vergleicht die Steuerschaltung 19 den gemessenen Wert der Strommenge, die von der Stromerfassungsschaltung 17 zum Zeitpunkt toff erfasst wird, wenn ein beliebiges Paar von Schaltelementen in den Ein-Zustand zu schalten ist, während gleichzeitig die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 (z.B. die Schaltelemente 13-1 und 13-4) ausgeschaltet werden, mit dem vorbestimmten zulässigen Bereich. Dann schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1j, S2j der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 in den Ein- oder Aus-Zustand, wenn der gemessene Wert der Strommenge außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Es ist zu beachten, dass die untere Grenze des zulässigen Bereichs z. B. durch Addition eines vorgegebenen Offsets zu Null bestimmt werden kann. Dadurch ist der Strom, der durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließt, der an den Schaltelementen 13-1 bis 13-4 anliegenden Spannung phasenverschoben und verhindert so einen harten Schaltvorgang der Schaltelemente 13-1 bis 13-4. Wenn die Phasensteuerschaltung 16 nicht vorhanden ist, wird außerdem die obere Grenze des zulässigen Bereichs kleiner eingestellt als der gemessene Wert der Strommenge, die von der Stromerfassungsschaltung 17 zum Zeitpunkt toff erfasst wird.
Bezüglich des Umschaltens der Schaltelemente S1j, S2j in den Ein- oder Aus-Zustand braucht die Steuerschaltung 19 nur den gleichen Schaltvorgang an den beiden Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 durchzuführen. Im Folgenden wird beschrieben, wie das Schaltelement S1j der Reihenschwingschaltung 16-1 in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet werden kann.
Wenn sich beispielsweise alle Schaltelemente S1j im Aus-Zustand befinden, schaltet die Steuerschaltung 19 eines der Schaltelemente S1j in den Ein-Zustand, wenn der gemessene Wert der Strommenge außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Wenn sich alle Schaltelemente S1j im Ein-Zustand befinden, schaltet die Steuerschaltung 19 eines der Schaltelemente S1j in den Aus-Zustand, wenn der gemessene Wert der Strommenge außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Wenn sich eines der Schaltelemente S1j im Ein-Zustand und die anderen Schaltelemente im Aus-Zustand befinden, schaltet die Steuerschaltung 19 eines der Schaltelemente S1j, die sich im Aus-Zustand befinden, in den Ein-Zustand, wenn der gemessene Wert der Strommenge außerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Wenn der gemessene Wert der Strommenge auch bei einer Erhöhung der Anzahl der Schaltelemente, die sich im Ein-Zustand befinden, außerhalb des zulässigen Bereichs bleibt, schaltet die Steuerschaltung 19 das unmittelbar zuvor in den Ein-Zustand geschaltete Schaltelement zusammen mit den zuvor in den Ein-Zustand geschalteten Schaltelementen in den Aus-Zustand. Wenn mindestens zwei Schaltelemente S1j vorhanden sind, schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1j nacheinander in den Ein-Zustand, bis der gemessene Wert der Strommenge in den zulässigen Bereich fällt. Wenn der gemessene Wert der Strommenge auch dann außerhalb des zulässigen Bereichs bleibt, wenn sich alle Schaltelemente S1j im Ein-Zustand befinden, braucht die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1j nur nacheinander in den Aus-Zustand zu schalten, bis der gemessene Wert der Strommenge in den zulässigen Bereich fällt.
Ferner schaltet die Steuerschaltung 19 keines der Schaltelemente S1j ein oder aus, wenn der gemessene Wert der Strommenge zum Zeitpunkt toff innerhalb des vorgegebenen zulässigen Bereichs liegt.
Dies ermöglicht es der Steuerschaltung 19, die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 einzustellen, um den Betrag der Phasenverzögerung des durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließenden Stroms relativ zur Phase der an die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 angelegten Spannung einzustellen, um den Schaltverlust und den Leitungsverlust der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 zu verringern.
3 ist ein Diagramm eines Simulationsergebnisses, das ein Beispiel für eine Verteilung der Magnetfeldstärke gemäß der Ausführungsform zeigt. Die in 3 gezeigte Simulation wurde unter den gleichen Bedingungen durchgeführt wie die in 2B gezeigte Simulation. In der in dargestellten Verteilung der Magnetfeldstärke 300 gilt: Je dunkler der Bereich, desto stärker das Magnetfeld. Die Verteilung 300 zeigt, dass die Stärke des Magnetfeldes, das um die Sendespule 14 erzeugt wird, und die Stärke des Magnetfeldes, das um die Empfangsspule 21 erzeugt wird, ungefähr gleich groß sind.
Es ist zu beachten, dass in dieser Simulation, wenn ein Aluminiumstück mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Breite von 10 mm auf einer an die Empfangsspule 21 angrenzenden Oberfläche eines Kerns 14b vorhanden ist, auf den ein Wicklungsdraht 14a der Sendespule 14 gewickelt ist, ein Verlust von 99,9 mW auftritt. Andererseits tritt ein Verlust von 100,1 mW auf, wenn ein Aluminiumstück mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Breite von 10 mm auf einer an die Sendespule 14 angrenzenden Oberfläche eines Kerns 21 b vorhanden ist, auf den ein Wicklungsdraht 21a der Empfangsspule 21 gewickelt ist. Wie oben beschrieben, ist der durch die Fremdkörper verursachte Verlust in etwa gleich groß, unabhängig davon, ob sich Fremdkörper neben dem Überträger oder dem Empfänger befinden.
4 ist ein Diagramm eines Simulationsergebnisses, das ein Beispiel der Verteilung der Magnetfeldstärke gemäß dem Vergleichsbeispiel zeigt. Die in 4 gezeigte Simulation wurde unter den Bedingungen durchgeführt, bei denen die Phasensteuerschaltung 16 nicht vorgesehen ist, d. h. unter den gleichen Bedingungen wie bei der in 2A gezeigten Simulation. In der in dargestellten Verteilung der Magnetfeldstärke 400 gilt: Je dunkler der Bereich, desto stärker das Magnetfeld. Die Verteilung 400 zeigt, dass das um die Empfangsspule 21 erzeugte Magnetfeld stärker ist als das um die Sendespule 14 erzeugte Magnetfeld, und dass zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 ein Unterschied in der Stärke des Magnetfeldes besteht.
Wenn in dieser Simulation ein Aluminiumstück mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Breite von 10 mm auf der an die Empfangsspule 21 angrenzenden Oberfläche des Kerns 14b vorhanden ist, auf den der Wickeldraht 14a der Sendespule 14 gewickelt ist, tritt ein Verlust von 28 mW auf. Wenn dagegen ein Aluminiumstück mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Breite von 10 mm auf der an die Sendespule 14 angrenzenden Oberfläche des Kerns 21b vorhanden ist, auf den der Wickeldraht 21 a der Empfangsspule 21 gewickelt ist, tritt ein Verlust von 302 mW auf.
Wie oben beschrieben, tritt gemäß dem Vergleichsbeispiel bei Vorhandensein von Fremdkörpern in der Nähe der Empfangsspule 21, wo das erzeugte Magnetfeld stärker ist, ein großer Verlust auf, und infolgedessen nimmt die durch die Fremdkörper erzeugte Wärmemenge zu, wohingegen gemäß der Ausführungsform selbst bei Vorhandensein von Fremdkörpern zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 ein Verlust relativ gering ist und die Erzeugung von Wärme durch den Fremdkörper unterdrückt wird.
Wie oben beschrieben, enthält diese kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung die Reihenschwingschaltung, die mit beiden Enden der Sendespule der Energiesendevorrichtung verbunden ist. Die kontaklose Energieversorgungsvorrichtung stellt die Kapazität des Kondensators der Reihenschwingschaltung in Übereinstimmung mit dem Strom ein, der durch jedes Schaltelement der Energieversorgungsschaltung fließt, die die Wechselstrom-Energie an die Sendespule zu dem Zeitpunkt liefert, wenn das Schaltelement ausgeschaltet ist, um die Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltung zu steuern, um so den Betrag der Phasenverzögerung des durch jedes Schaltelement fließenden Stroms relativ zur Phase der an das Schaltelement angelegten Spannung in geeigneter Weise zu steuern. Dadurch kann die kontaklose Energieversorgungsvorrichtung die Schalt- und Leitungsverluste der einzelnen Schaltelemente der Energieversorgungsschaltung reduzieren, ohne den Q-Faktor der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung zu erhöhen. Dadurch kann die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nicht nur die Anzahl der Windungen der Empfangsspule der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung reduzieren, sondern auch eine für die Empfangsspule und den Resonanzkondensator erforderliche Stehspannung. Daher reduziert die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung selbst dann, wenn Strom durch Resonanz der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung übertragen wird, der hauptsächlich mit der der Sendespule zugeführten Wechselstrom-Energie in Resonanz ist, die Ablenkung des magnetischen Flusses zwischen der Sendespule und der Empfangsspule und verhindert das Auftreten von Abnormalitäten, wie z. B. abnormale Wärmeerzeugung, selbst wenn Fremdkörper zwischen der Sendespule und der Empfangsspule vorhanden sind. Da außerdem die Anzahl der Windungen der Empfangsspule der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung reduziert werden kann, kann die Empfangsspule verkleinert werden und die gesamte Energieempfangsvorrichtung kann entsprechend verkleinert werden. Da die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung die Schaltverluste der einzelnen Schaltelemente der Energieversorgungsschaltung auch dann verringern kann, wenn der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule gering ist, kann der Abstand zwischen der Energiesendevorrichtung und der Energieempfangsvorrichtung während der Energieübertragung, d. h. eine Energieübertragungsstrecke, vergrößert werden.
Gemäß der Modifikation kann jede Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 n (n ist eine ganze Zahl gleich oder größer als 2) Spulen, die parallel zueinander geschaltet sind, und ein Schaltelement, wie z. B. einen MOSFET, der in Reihe mit jeder der (n - 1) Spulen unter den n Spulen geschaltet ist, umfassen. Es ist zu beachten, dass in jeder Reihenschwingschaltung ein Kondensator mit jeder Spule in Reihe geschaltet werden kann, oder alternativ können n Kondensatoren jeweils mit einer anderen Spule in Reihe geschaltet werden. Auch in diesem Fall ändert sich die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung in einer Weise, die von der Anzahl der in den Ein-Zustand zu schaltenden Schaltelemente unter den Schaltelementen jeder Reihenschwingschaltung abhängt. Dadurch wird in Abhängigkeit von der Anzahl der in den Ein-Zustand zu schaltenden Schaltelemente unter den Schaltelementen jeder Reihenschwingschaltung der Betrag der Phasenverzögerung des durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 fließenden Stroms relativ zur Phase der an die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 angelegten Spannung gesteuert. Daher braucht die Steuerschaltung 19 nur das Schalten des Schaltelements jeder Reihenschwingschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand zu steuern, und zwar in Abhängigkeit von der Strommenge, die durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 fließt, wie bei der oben beschriebenen Ausführungsform.
Wie oben beschrieben, ist die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 vorzugsweise höher als die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Sendespule 14 zugeführt wird. Daher kann gemäß der Modifikation die Steuerschaltung 19 der Energiesendevorrichtung 2 auf der Grundlage der Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 während dem konstanten Spannungsabgabevorgang zugeführt wird, bestimmen, welches der Schaltelemente S1j, S2j jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 in den Ein-Zustand geschaltet wird, um die Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltung höher als die Schaltfrequenz zu machen. In diesem Fall ist es erforderlich, dass die Steuerschaltung 19 im Voraus eine Referenztabelle speichert, die die Schaltfrequenz der der Sendespule 14 zugeführten Wechselstrom-Energie und die Paare der in den Ein-Zustand zu schaltenden Schaltelemente unter den Schaltelementen S1j, S2j jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 darstellt. Weiterhin ist es erforderlich, dass die Steuerschaltung 19 die Referenztabelle konsultiert, um ein Paar von Schaltelementen, die in den Ein-Zustand zu schalten sind, unter den Schaltelementen S1j, S2j jeder Reihenschwingschaltung zu bestimmen, wobei das Paar von Schaltelementen der Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie zugeordnet ist, welche Sendespule 14 zugeführt wird, und jedes der Schaltelemente, die das so bestimmte Paar bilden, in den Ein-Zustand zu schalten.
Gemäß dieser Modifikation kann die Steuerschaltung 19 der Energiesendevorrichtung 2 die Resonanzfrequenz jeder Reihenschwingschaltung einstellen, um den Betrag der Phasenverzögerung des durch jedes Schaltelement der Energieversorgungsschaltung fließenden Stroms relativ zur Phase der an das Schaltelement der Energieversorgungsschaltung angelegten Spannung in geeigneter Weise zu steuern. Dadurch kann die Steuerschaltung 19 die Schalt- und Leitungsverluste der einzelnen Schaltelemente der Energieversorgungsschaltung reduzieren. Außerdem kann durch diese Modifikation die Stromerkennungsschaltung 17 überflüssig werden.
Wenn der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 höher wird, wird außerdem der Betrag der Phasenverzögerung des durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 fließenden Stroms relativ zur Phase der an die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 angelegten Spannung zu einem Betrag einer Phasenverzögerung, welche den Schaltverlust der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 auch ohne die Phasensteuerschaltung kleiner macht. Daher kann gemäß einer weiteren Modifikation jede Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung entsprechend dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet werden.
5 ist ein schematisches Strukturdiagramm einer Energiesendevorrichtung 4 gemäß dieser Modifikation. In 5 ist der Sender-Empfänger 18 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Energiesendevorrichtung 4 gemäß dieser Modifikation unterscheidet sich von der in 1 gezeigten Energiesendevorrichtung 2 dadurch, dass jede der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 der Phasensteuerschaltung 16 der Energiesendevorrichtung 4 einen Kondensator und ein Schaltelement enthält, die Energiesendevorrichtung 4 nicht mit der Stromerfassungsschaltung 17 versehen ist und wie die Steuerschaltung 19 die Phasensteuerschaltung 16 steuert. Daher wird im Folgenden eine Beschreibung dieser Unterschiede gegeben. Für die anderen Komponenten der Energiesendevorrichtung 4 wird auf die Beschreibung der entsprechenden Komponenten gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform verwiesen.
Gemäß dieser Modifikation schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1, S2 der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 in den Aus-Zustand, wenn der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 gleich oder größer als ein vorbestimmter Wert wird, um die Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 von der Sendespule 14 zu isolieren, um so zu verhindern, dass die Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 den Betrag der Phasenverzögerung beeinflussen. Andererseits schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1, S2 der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 in den Ein-Zustand, wenn der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 kleiner als der vorbestimmte Wert wird, um den Betrag der Phasenverzögerung einzustellen, um so den Schaltverlust der Schaltelemente 13-1 bis 13-4 der Energieversorgungsschaltung 10 zu reduzieren.
Je höher der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 ist, desto höher ist die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, und desto niedriger ist die Spannung der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird. Daher schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1, S2 der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 in den Aus-Zustand, wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, gleich oder größer als ein Frequenzschwellenwert wird, der dem vorbestimmten Wert des Grades der Kopplung entspricht. Andererseits schaltet die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1, S2 der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 in den Ein-Zustand, wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, kleiner als der Frequenzschwellenwert wird.
Alternativ kann die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1, S2 der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 in den Aus-Zustand schalten, wenn die Spannung der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, gleich oder kleiner als ein Spannungsschwellenwert wird, der dem vorbestimmten Wert des Grades der Kopplung entspricht, andererseits kann die Steuerschaltung 19 die Schaltelemente S1, S2 der Reihenschwingschaltungen 16-1, 16-2 in den Ein-Zustand schalten, wenn die Spannung der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, größer als der Spannungsschwellenwert wird. Es ist zu beachten, dass die Steuerschaltung 19 die Spannung der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, z. B. auf der Grundlage eines Steuerparameters der Blindleistungskompensationschaltung der Energieversorgungsschaltung 10 (z. B. ein Tastverhältnis des Ein-/Ausschaltens des Schaltelements der Blindleistungskompensationschaltung) schätzen kann.
Durch diese Modifikation wird der Aufbau der Phasensteuerschaltung vereinfacht, so dass die Energiesendevorrichtung verkleinert wird. Außerdem kann die Steuerung der Phasensteuerschaltung unter der Kontrolle der Steuerschaltung der Energiesendevorrichtung vereinfacht werden. Darüber hinaus ermöglicht diese Modifikation der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, auch bei Änderung des Grades der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule, insbesondere bei Verringerung des Grades der Kopplung, die Schaltverluste jedes Schaltelements der Energieversorgungsschaltung zu reduzieren.
Gemäß einer weiteren Modifikation kann die Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung parallel zu der Sendespule 14 geschaltet werden.
6 ist ein Strukturdiagramm einer Energiesendevorrichtung 5 nach einer weiteren Modifikation. In 6 ist der Sender-Empfänger 18 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Energiesendevorrichtung 5 gemäß dieser Modifikation unterscheidet sich von der in 5 gezeigten Energiesendevorrichtung 4 durch den Aufbau einer Phasensteuerschaltung 56. Daher werden im Folgenden die Phasensteuerschaltung 56 und die mit der Phasensteuerschaltung 56 verbundenen Komponenten beschrieben. Für die anderen Komponenten der Energiesendevorrichtung 5 wird auf die Beschreibung der entsprechenden Komponenten gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform oder Modifikation verwiesen.
Die Phasensteuerschaltung 56 umfasst eine Reihenschwingschaltung, und die Reihenschwingschaltung ist mit einem Ende über den Kondensator 15 mit dem einen Ende der Sendespule 14 und mit dem anderen Ende mit dem anderen Ende der Sendespule 14 verbunden. Weiterhin enthält das Schaltelement S1, das in Reihe mit der Reihenschwingschaltung geschaltet ist, einen n-Kanal-MOSFET. Nach dieser Modifikation schwankt ein Potential über der Reihenschwingschaltung. Damit das Schaltelement S1 der Reihenschwingschaltung wie in der in 4 gezeigten Modifikation in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet werden kann, enthält die Phasensteuerschaltung 56 daher eine Konstantspannungsquelle, deren negative Elektrode geerdet ist, eine Diode D, die durch die Konstantspannungsquelle vorgespannt ist, und einen Kondensator C, dessen eines Ende mit dem anderen Ende der Reihenschwingschaltung und dem anderen Ende der Sendespule 14 verbunden ist und dessen anderes Ende mit einem Kathodenanschluss der Diode D verbunden ist. Dadurch wird eine Spannung an einem Gate-Anschluss des MOSFETs des Schaltelements S1 der Phasensteuerschaltung 56 um mindestens einen bestimmten Betrag höher als eine Spannung an einem Source-Anschluss, was es der Steuerschaltung 19 ermöglicht, das Schaltelement S1 in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, wie in der in 4 dargestellten Modifikation. Es ist zu beachten, dass gemäß dieser Modifikation eine Stromerfassungsschaltung, die die durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließende Strommenge misst, wie in der Energiesendevorrichtung 2 vorgesehen sein kann. In diesem Fall kann die Steuerschaltung 19 das Schaltelement S1 in den Ein-Zustand schalten, wenn der gemessene Wert der durch die Schaltelemente 13-1 bis 13-4 fließenden Strommenge zu dem Zeitpunkt, zu dem irgendeines der Schaltelemente der Energieversorgungsschaltung ausgeschaltet wird, gleich oder größer als der vorbestimmte Schwellenwert wird, und das Schaltelement S1 in den Aus-Zustand schalten, wenn der gemessene Wert der Strommenge kleiner als der vorbestimmte Schwellenwert wird.
Gemäß dieser Modifikation ist nur eine Reihenschwingschaltung in der Phasensteuerschaltung vorgesehen, so dass die Energiesendevorrichtung weiter verkleinert wird.
Es ist zu beachten, dass in der Energiesendevorrichtung 5, wenn das Schaltelement S1 der Phasensteuerschaltung 56 in den Aus-Zustand geschaltet wird, aufgrund einer gegenelektromotorischen Kraft, die in einer Spule der Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 56 erzeugt wird, ein unbeabsichtigter Strom durch die Sendespule 14 fließen kann. Daher kann gemäß einer weiteren Modifikation weiterhin eine Bypass-Schaltung vorgesehen sein, wobei die Bypass-Schaltung einen Bypass für den Strom liefert, der aufgrund der gegenelektromotorischen Kraft fließt, die in der Spule der Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 56 erzeugt wird. Um die an das Schaltelement S1 angelegte Spannung zu reduzieren, während sich das Schaltelement S1 im ausgeschalteten Zustand befindet, kann außerdem ein parallel zum Schaltelement S1 geschalteter Kondensator vorgesehen sein.
7 ist ein Strukturdiagramm einer Energiesendevorrichtung 6 nach einer weiteren Modifikation. In 7 ist der Sender-Empfänger 18 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Energiesendevorrichtung 6 gemäß dieser Modifikation unterscheidet sich von der in 6 dargestellten Energiesendevorrichtung 5 dadurch, dass eine Phasensteuerschaltung 66 eine Bypass-Schaltung 67 enthält. Daher werden im Folgenden die Phasensteuerschaltung 66 und die mit der Phasensteuerschaltung 66 verbundenen Komponenten beschrieben. Für die anderen Komponenten der Energiesendevorrichtung 6 wird auf die Beschreibung der entsprechenden Komponenten gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform oder Modifikationen verwiesen.
Gemäß dieser Modifikation enthält die Phasensteuerschaltung 66 die Bypass-Schaltung 67, die zwischen einem Ende eines Kondensators, mit dem die Spule der Reihenschwingschaltung nicht verbunden ist, und dem Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 der Energieversorgungsschaltung 10 angeschlossen ist. Die Bypass-Schaltung 67 umfasst eine Diode, deren Anodenanschluss mit dem Kondensator der Reihenschwingschaltung verbunden ist, einen Kondensator, der zwischen der Diode und dem Source-Anschluss des Schaltelements 13-1 angeschlossen ist, und einen Widerstand, der parallel zum Kondensator geschaltet ist.
Wenn das Schaltelement S1 des Phasensteuerkreises 66 vom Ein-Zustand in den Aus-Zustand geschaltet wird, fließt ein durch eine gegenelektromotorische Kraft in der Spule der Reihenschwingschaltung des Phasensteuerkreises 66 erzeugter Strom über die Diode der Bypass-Schaltung 67 zum Kondensator der Bypass-Schaltung 67. Weiterhin ist das Schaltelement S1 in Bezug auf den durch die gegenelektromotorische Kraft erzeugten Strom in Sperrrichtung vorgespannt, wodurch verhindert wird, dass der Strom durch das Schaltelement S1 fließt. Dadurch wird verhindert, dass der durch die gegenelektromotorische Kraft erzeugte Strom zur Sendespule 14 fließt. Es ist zu beachten, dass die im Kondensator der Bypass-Schaltung 67 gespeicherte elektrische Ladung durch den parallel zum Kondensator geschalteten Widerstand verbraucht wird.
Gemäß dieser Modifikation wird durch die in der Spule der Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung erzeugte gegenelektromotorische Kraft verhindert, dass ein unbeabsichtigter Strom durch die Sendespule fließt.
Gemäß einer weiteren Modifikation kann die Energieversorgungsschaltung Gleichstrom-Energie, die von der Blindleistungskompensationschaltung ausgegeben wird, in Wechselstrom-Energie umwandeln, indem eine Halbbrückenschaltung verwendet wird, die eine Vielzahl von Schaltelementen enthält, die in einer Halbbrückenkonfiguration verbunden sind.
8 ist ein Strukturdiagramm einer Energiesendevorrichtung 7 nach einer weiteren Modifikation. In 8 ist der Sender-Empfänger 18 der Einfachheit halber nicht dargestellt. Die Energiesendevorrichtung 7 gemäß dieser Modifikation unterscheidet sich von der in 6 gezeigten Energiesendevorrichtung 5 dadurch, dass eine Energieversorgungsschaltung 71 zwei als Halbbrückenschaltung dienende Schaltelemente 72-1, 72-2 und im Aufbau eine Phasensteuerschaltung 73 enthält. Im Folgenden werden daher die Energieversorgungsschaltung 71, die Phasensteuerschaltung 73 und die mit der Energieversorgungsschaltung 71 und der Phasensteuerschaltung 73 verbundenen Komponenten beschrieben. Für die anderen Komponenten der Energiesendevorrichtung 7 wird auf die Beschreibung der entsprechenden Komponenten in den oben beschriebenen Ausführungsformen oder Modifikationen verwiesen.
Es ist zu beachten, dass gemäß dieser Modifikation jedes der Schaltelemente 72-1, 72-2 auch z.B. ein n-Kanal-MOSFET sein kann. Das Schaltelement 72-1 und das Schaltelement 72-2 sind über die Blindleistungskompensationschaltung 12 in Reihe zwischen dem positiven Elektrodenanschluss und dem negativen Elektrodenanschluss der Stromversorgung 11 geschaltet. Zudem ist das Schaltelement 72-1 mit der positiven Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden, während das Schaltelement 72-2 mit der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 verbunden ist. Das Schaltelement 72-1 hat einen Drain-Anschluss, der über die Blindleistungskompensationschaltung 12 mit dem positiven Elektrodenanschluss der Energieversorgung verbunden ist, und hat eine Source Anschluss, der mit dem Drain-Anschluss des Schaltelements 72-2 verbunden ist. Zudem ist der Source-Anschluss des Schaltelements 72-2 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energieversorgung 11 über die Blindleistungskompensationschaltung 12 verbunden. Ferner sind der Source-Anschluss des Schaltelements 72-1 und der Drain-Anschluss des Schaltelements 72-2 über den Kondensator 15 mit dem einen Ende der Sendespule 14 verbunden, und der Source-Anschluss des Schaltelements 72-2 ist mit dem anderen Ende der Sendespule 14 verbunden. Außerdem hat jedes der Schaltelemente einen Gate-Anschluss, der mit der Steuerschaltung 19 verbunden ist.
Gemäß dieser Modifikation muss die Steuerschaltung 19 nur das Schaltelement 72-1 und das Schaltelement 72-2 abwechselnd in den Ein- oder Aus-Zustand schalten. Das heißt, wenn das Schaltelement 72-1 in den Ein-Zustand und das Schaltelement 72-2 in den Aus-Zustand geschaltet wird, fließt ein Strom von der Energieversorgung 11 durch die Blindleistungskompensationschaltung 12 und das Schaltelement 72-1 lädt nicht nur den Kondensator 15 auf, sondern fließt auch durch die Sendespule 14. Andererseits wird, wenn das Schaltelement 72-1 in den Aus-Zustand und das Schaltelement 72-2 in den Ein-Zustand geschaltet wird, der Kondensator 15 entladen, um einen Stromfluss vom Kondensator 15 durch die Sendespule 14 zu bewirken. Daher muss die Steuerschaltung 19 gemäß dieser Modifikation nur eine Schaltfrequenz steuern, mit der das Schaltelement 72-1 und das Schaltelement 72-2 in Übereinstimmung mit der von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangenen Bestimmungsinformation in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet werden.
Weiterhin ist gemäß dieser Modifikation eine Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 73 parallel zu der Sendespule 14 geschaltet. Insbesondere hat die Reihenschwingschaltung ein Ende, das zwischen dem Source-Anschluss des Schaltelements 72-1 und dem Drain-Anschluss des Schaltelements 72-2 sowie dem Kondensator 15 angeschlossen ist, und das andere Ende ist mit einem Anschluss der Sendespule 14 auf einer dem Kondensator 15 gegenüberliegenden Seite und dem negativen Elektrodenanschluss der Energieversorgung 11 verbunden. Das heißt, nach dieser Modifikation ist die Reihenschwingschaltung an dem anderen Ende geerdet. Ferner enthält die Phasensteuerschaltung 73 eine Diode, deren Anodenanschluss zwischen dem Kondensator der Reihenschwingschaltung und dem anderen Ende der Sendespule 14 angeschlossen ist und deren Kathodenanschluss mit dem positiven Elektrodenanschluss der Energieversorgung 11 verbunden ist. Dadurch wird der Strom, der aufgrund der gegenelektromotorischen Kraft fließt, die in der Spule der Reihenschwingschaltung erzeugt wird, wenn die Reihenschwingschaltung ausgeschaltet ist, dazu verwendet, den Kondensator 15 über die Diode und das Schaltelement 72-1 zu laden, wodurch verhindert wird, dass ein unbeabsichtigter Strom durch die Sendespule fließt. Dies wiederum ermöglicht es der Steuerschaltung 19, das Schaltelement der Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 73 in ähnlicher Weise in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten wie das Schaltelement jeder Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung 16 der Energiesendevorrichtung 2.
Es ist zu beachten, dass gemäß der Ausführungsform oder jeder der oben beschriebenen Modifikationen ein Ende der Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung, das mit dem Kondensator 15 verbunden ist, zwischen dem Kondensator 15 und der Sendespule 14 angeschlossen sein kann.
Ferner kann gemäß der Ausführungsform oder jeder der oben beschriebenen Modifikationen unter der Annahme, dass der Grad der Kopplung zwischen der Sendespule und der Empfangsspule annähernd konstant ist, zum Beispiel, wenn die Energiesendevorrichtung und die Energieempfangsvorrichtung so installiert sind, dass eine Positionsbeziehung zwischen der Energiesendevorrichtung und der Energieempfangsvorrichtung stabil beibehalten wird, die Steuerschaltung der Energiesendevorrichtung die Schaltfrequenz der von der Energieversorgungsschaltung an die Sendespule gelieferten Wechselspannung konstant halten. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, dass die Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung der Energiesendevorrichtung ein Schaltelement enthält. Das heißt, die Steuerschaltung der Energiesendevorrichtung muss die Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung nicht in den Ein- oder Aus-Zustand schalten oder die Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltung steuern. Weiterhin müssen die Induktivität der Spule und die Kapazität des Kondensators der Reihenschwingschaltung nur noch so eingestellt werden, dass die Resonanzfrequenz der Reihenschwingschaltung höher ist als die Schaltfrequenz. Dadurch können der Sender-Empfänger 18 der Energiesendevorrichtung und die Spannungserfassungsschaltung 27, das Schaltelement 28, die Bestimmungsschaltung 29 und der Sender-Empfänger 30 der Energieempfangsvorrichtung entfallen. Dadurch ist es möglicherweise nicht mehr erforderlich, dass die Energieversorgungsschaltung der Energiesendevorrichtung eine Blindleistungskompensationschaltung enthält. Darüber hinaus kann die Energieversorgungsschaltung der Energiesendevorrichtung einen Glättungskondensator enthalten, der die Ausgangsspannung von der Vollwellengleichrichterschaltung der Energieversorgung 11 anstelle der Blindleistungskompensationschaltung glättet, und ferner kann die Energieversorgungsschaltung der Energiesendevorrichtung einen DC-DC-Wandler enthalten, so dass die an die Sendespule 14 angelegte Spannung zu einer Spannung wird, die auf den Spezifikationen der Lastschaltung 26 und dem Grad der Kopplung zwischen der Sendespule 14 und der Empfangsspule 21 basiert.
Ferner können gemäß der Ausführungsform oder jeder der oben beschriebenen Modifikationen die Empfangsspule und der Resonanzkondensator in der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung parallel geschaltet sein. Wie oben beschrieben, muss, wenn die Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung eine LC-Parallelschwingschaltung ist, der Widerstand der Lastschaltung höher sein, um den Q-Faktor zu erhöhen. Bei der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform oder jeder der oben beschriebenen Modifikationen ist es jedoch selbst dann, wenn die Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung eine LC-Parallelschwingschaltung ist, nicht notwendig, den Q-Faktor zu erhöhen, so dass selbst bei Anschluss einer Lastschaltung mit niedrigem Widerstand der Schaltverlust der Energieversorgungsschaltung der Energiesendevorrichtung reduziert werden kann.
Wie oben beschrieben, kann der Fachmann verschiedene Modifikationen entsprechend den Ausführungsformen im Rahmen der vorliegenden Erfindung vornehmen.
Bezugszeichenliste

1: kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung
2, 4- 7: Energiesendevorrichtung
10, 71: Energieversorgungsschaltung
11: Energieversorgung
12: Blindleistungskompensationschaltung
13-1 bis 13-4, 72-1 bis 72-2: Schaltelement
14: Sendespule
15: Kondensator
16, 56, 66, 73: Phasensteuerschaltung
16-1, 16-2: Reihenschwingschaltung
67: Bypass-Schaltung
17: Stromerfassungsschaltung
18: Sender-Empfänger
19: Steuerschaltung
3: Energieempfangsvorrichtung
20: Resonanzschaltung
21: Empfangsspule
22: Resonanzkondensator
23: Gleichrichter- und Glättungsschaltung
24: Vollwellen-Gleichrichterschaltung
25: Glättungskondensator
26: Lastschaltung
27: Spannungserfassungsschaltung
28: Schaltelement
29: Bestimmungsschaltung
30: Sender-Empfänger

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2015/173850 A [0004]
JP 6390808 [0031, 0043]

Claims

Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, umfassend: eine Energiesendevorrichtung; und eine Energieempfangsvorrichtung, an welche die Energiesendevorrichtung Energie auf kontaktlose Weise überträgt, wobei die Energiesendevorrichtung umfasst: eine Sendespule, die eingerichtet ist, der Energieempfangsvorrichtung Energie zuzuführen; eine Energieversorgungsschaltung, die eine Mehrzahl von Schaltelementen umfasst, die zwischen einer Gleichstromenergieversorgung und der Sendespule in einer Vollbrückenkonfiguration oder einer Halbbrückenkonfiguration geschaltet sind, wobei die Energieversorgungsschaltung eingerichtet ist, die Mehrzahl von Schaltelementen mit einer Schaltfrequenz in einen Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, um von der Gleichstromenergieversorgung gelieferte Gleichstrom-Energie in Wechselstrom-Energie mit der Schaltfrequenz umzuwandeln und die Wechselstrom-Energie der Sendespule zuzuführen, und eine Phasensteuerschaltung mit mindestens einer Reihenschwingschaltung, die mit beiden Enden der Sendespule verbunden ist.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der mindestens einen Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung eine Spule, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, die in Reihe mit der Spule und parallel zueinander geschaltet sind, und ein Schaltelement umfasst, das in Reihe mit dem zweiten Kondensator geschaltet ist, wobei das Schaltelement eingerichtet ist, den zweiten Kondensator mit der Spule zu verbinden, wenn es in den Ein-Zustand geschaltet wird, und den zweiten Kondensator von der Spule zu trennen, wenn es in den Aus-Zustand geschaltet wird, und die Energieempfangsvorrichtung ferner umfasst; eine Stromerfassungsschaltung, die eingerichtet ist, einen gemessenen Wert einer durch die Mehrzahl von Schaltelementen fließenden Strommenge zu erhalten, und eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, um den gemessenen Wert der Strommenge in einen vorbestimmten zulässigen Bereich zu bringen, wenn eines der mehreren Schaltelemente der Energieversorgungsschaltung ausgeschaltet ist.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der mindestens einen Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung eine Spule, einen ersten Kondensator und einen zweiten Kondensator, die in Reihe mit der Spule und parallel zueinander geschaltet sind, und ein Schaltelement umfasst, das in Reihe mit dem zweiten Kondensator geschaltet ist, wobei das Schaltelement eingerichtet ist, den zweiten Kondensator mit der Spule zu verbinden, wenn es in den Ein-Zustand geschaltet wird, und den zweiten Kondensator von der Spule trennt, wenn es in den Aus-Zustand geschaltet wird, und die Energiesendevorrichtung ferner eine Steuerschaltung umfasst, die eingerichtet ist, die Schaltfrequenz zu steuern, mit der die Mehrzahl von Schaltelementen der Energieversorgungsschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, und das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung, in Übereinstimmung mit der Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in einem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerschaltung das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand schaltet, um eine Resonanzfrequenz jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung höher als die Schaltfrequenz zu stellen.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede der mindestens einen Reihenschwingschaltung der Phasensteuerschaltung ein Schaltelement umfasst, das eingerichtet ist, die Reihenschwingschaltung mit der Sendespule zu verbinden, wenn sie in den Ein-Zustand geschaltet wird, und die Reihenschwingschaltung von der Sendespule zu trennen, wenn sie in den Aus-Zustand geschaltet wird, und die Energiesendevorrichtung ferner umfasst; eine Steuerschaltung, die eingerichtet ist, die Schaltfrequenz zu steuern, mit der die Mehrzahl von Schaltelementen der Energieversorgungsschaltung in den Ein- oder Aus-Zustand geschaltet wird, und das Schaltelement jeder der mindestens einen Reihenschwingschaltung, in Übereinstimmung mit der Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, die der Sendespule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, in den Ein- oder Aus-Zustand zu schalten, während sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Energieempfangsvorrichtung umfasst; eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule umfasst, die eingerichtet ist, Energie von der Energiesendevorrichtung zu empfangen, und einen Resonanzkondensator, der eingerichtet ist, mit der Empfangsspule in Resonanz zu sein; eine Gleichrichterschaltung, die eingerichtet ist, eine Ausgabeleistung des Resonanzkreises gleichzurichten, eine Spannungserfassungsschaltung, die eingerichtet ist, eine Ausgangsspannung der Ausgabeleistung von der Gleichrichterschaltung zu messen, um einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung zu erhalten; eine Bestimmungsschaltung, die eingerichtet ist, auf der Grundlage des gemessenen Wertes der Ausgangsspannung zu bestimmen, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, und einen ersten Sender-Empfänger, der eingerichtet ist, ein Signal an die Energiesendevorrichtung zu senden, das eine Bestimmungsinformation enthält, die angibt, ob sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, die Energiesendevorrichtung ferner einen zweiten Sender-Empfänger umfasst, der eingerichtet ist, das Signal zu empfangen, das die Bestimmungsinformation enthält, und die Steuerschaltung, wenn die Bestimmungsinformation anzeigt, dass sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nicht in dem konstanten Spannungsabgabevorgang befindet, die Schaltfrequenz steuert, um zu verhindern, dass sich der gemessene Wert der Ausgabespannung nicht verändert, selbst wenn ein sich Widerstand einer Lastschaltung, welche mit der Gleichrichterschaltung der Energieempfangsvorrichtung verbunden ist, verändert.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Reihenschwingschaltung mit einem Ende an ein Ende der Sendespule und mit einem anderen Ende an ein anderes Ende der Sendespule angeschlossen ist.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine Reihenschwingschaltung eine erste Reihenschwingschaltung umfasst, deren eines Ende mit einem Ende der Sendespule verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist, und eine zweite Reihenschwingschaltung, deren eines Ende mit einem anderen Ende der Sendespule verbunden ist und deren anderes Ende geerdet ist.