DE112019008002T5 - Energie-empfangseinrichtung und drahtloses energie-übertragungssystem - Google Patents

Energie-empfangseinrichtung und drahtloses energie-übertragungssystem Download PDF

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Hidehito YOSHIDA
Tomokazu Sakashita
Takuya Nakanishi
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

Eine Energie-Empfangseinrichtung (10) eines drahtlosen Energie-Übertragungssystems (1) empfängt Energie von einer Energie-Übertragungsschaltung (11), die mit einer Energiequelle (5) verbunden ist und eine Energieübertragungsspule (111) aufweist. Die Energie-Empfangseinrichtung (10) weist Folgendes auf: eine Energie-Empfangsschaltung (12), einen Stromrichter (13a), ein LC-Filter (14) sowie Schalter (135a, 136b), die von einer Steuerungseinrichtung (17) auf der Basis der Spannung (V2) gesteuert werden, die von einer Spannungs-Detektionseinrichtung (16) zum Detektieren der Ausgangsspannung der Energie-Empfangsschaltung (12) detektiert wird, so dass die Leitung zwischen der Energie-Empfangsschaltung (12) und dem Stromrichter (13a) während eines Nicht-Energieübertragungszeitraums unterbrochen ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energie-Empfangseinrichtung und ein drahtloses Energie-Übertragungssystem.
  • Stand der Technik
  • Bei der drahtlosen Energie-Übertragungs-Technologie wird Energie durch Magnetfeldkopplung zwischen zwei Spulen übertragen, die voneinander beabstandet sind. Es gibt verschiedene Verfahren zum Einstellen der übertragenen Energie bei der drahtlosen Übertragungs-Technologie, von denen viele durch Steuern eines Stromrichters auf der Energie-Sendeseite durchgeführt werden. In vielen Fällen sind die Lasten, auf welche die drahtlose Energie-Übertragungs-Technologie angewendet wird, Energiespeicherelemente, wie z. B. Batterien, und daher ist es wünschenswert, dass eine Energiesteuerung bzw. Leistungssteuerung an einem Stromrichter auf der Lastseite (Energie-Empfangsseite) durchgeführt wird, um die übertragene Energie gemäß dem Ladezustand eines solchen Energiespeicherelements einzustellen bzw. vorzugeben. Aus den obigen Gründen wurden verschiedene Verfahren als ein Verfahren zum Steuern der übertragenen Energie bzw. Leistung vorgeschlagen, und zwar nur durch einen Stromrichter auf der Energie-Empfangsseite (siehe beispielsweise Patentdokument 1).
  • In einer Energie-Empfangseinrichtung, die in dem Patentdokument 1 offenbart ist, sind zwei Stromrichter mit einer Spule zum Empfangen von AC-Energie von einer Energie-Sendeseite verbunden, der erste Stromrichter auf der Spulenseite richtet die AC-Spannung in eine DC-Spannung gleich, und der zweite Stromrichter, der mit dem ersten Stromrichter verbunden ist, wandelt die gleichgerichtete DC-Spannung in eine gewünschte DC-Spannung oder AC-Spannung um. Dann wird die Übertragungseffizienz bzw. der Übertragungs-Wirkungsgrad von der Übertragungsseite mittels des einen Stromrichters gesteuert, und die empfangene Energie bzw. Leistung wird mittels des anderen Stromrichters gesteuert. Demzufolge werden sowohl die Steuerung für den Übertragungs-Wirkungsgrad, als auch die Leistungssteuerung für die übertragene Leistung dadurch erzielt, dass nur die Stromrichter auf der Energie-Empfangsseite verwendet werden.
  • Literaturverzeichnis
  • Patentdokument
  • Patentdokument 1: Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP 2017 - 93 094 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit der Erfindung zu lösende Probleme
  • Das in dem Patentdokument 1 offenbarte Steuerungsverfahren weist einen Kurzschlussmodus auf, in welchem die Energie-Empfangsspule durch den Betrieb des ersten Stromrichters kurzgeschlossen wird, so dass keine Energie an eine Stufe zugeführt wird, die auf den ersten Stromrichter folgt. Daher ist dies ein Verfahren, das auf eine Resonator-Konfiguration angewendet werden kann, bei der die Ausgabe aus einer Spule als eine Stromquelle wirkt. In dem Fall, in dem ein Resonator so konfiguriert wird, dass er als eine Spannungsquelle wirkt, tritt jedoch ein Überstrom auf, was zu einer Wärmeerzeugung und einem Versagen der Schaltelemente führt. Um das in dem Patentdokument 1 beschriebene Verfahren anzunehmen, ist es daher nötig, eine spezifische Resonator-Konfiguration zu verwenden.
  • Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um das obige Problem zu lösen. Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Energie-Empfangseinrichtung anzugeben, bei der Energie von einer Energie-Empfangsspule unterbrochen werden kann, indem eine Schaltung geöffnet wird und demzufolge eine Leistungssteuerung von einem Stromrichter auf der Energie-Empfangsseite erzielt werden kann.
  • Lösung der Probleme
  • Eine Energie-Empfangseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Energie-Empfangseinrichtung eines drahtlosen Energie-Übertragungssystems und weist Folgendes auf: eine Energie-Empfangsschaltung, die eine Energie-Empfangsspule aufweist und AC-Energie empfängt, die von einer Energie-Übertragungsschaltung übertragen wird; einen Stromrichter zum Umwandeln von AC-Energie, die von der Energie-Empfangsschaltung empfangen wird, in DC-Energie; eine Spannungs-Detektionseinrichtung zum Detektieren der Ausgangsspannung der Energie-Empfangsschaltung; zumindest einen Schalter zum Durchführen eines Schaltvorgangs zwischen einem leitenden Zustand und einem geöffneten Zustand einer Schaltung zwischen der Energie-Empfangsschaltung und dem Stromrichter; und eine Steuerungseinrichtung zum Steuern des Schalters auf der Basis der Spannung, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung detektiert wird.
  • Wirkung der Erfindung
  • Bei der Energie-Empfangseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann die von der Energie-Empfangsspule kommende Energie durch Öffnen der Schaltung unterbrochen werden. Dadurch wird es ermöglicht, eine Leistungssteuerung unter Verwendung eines Stromrichters auf der Energie-Empfangsseite durchzuführen, und zwar in einer Resonator-Konfiguration, die als Spannungsquelle wirkt.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel für ein drahtloses Energie-Übertragungssystem gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
    • 2 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 zeigt.
    • 3A veranschaulicht den Betrieb der in 2 gezeigten Energie-Empfangseinrichtung.
    • 3B veranschaulicht den Betrieb der in 2 gezeigten Energie-Empfangseinrichtung.
    • 4A veranschaulicht den Betrieb der in 2 gezeigten Energie-Empfangseinrichtung.
    • 4B veranschaulicht den Betrieb der in 2 gezeigten Energie-Empfangseinrichtung.
    • 5A zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1, und sie veranschaulicht ein grundlegendes Steuerungsverfahren zur Leistungssteuerung.
    • 5B zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1, und sie veranschaulicht ein grundlegendes Steuerungsverfahren zur Leistungssteuerung.
    • 5C zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1, und sie veranschaulicht ein grundlegendes Steuerungsverfahren zur Leistungssteuerung.
    • 6A zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 6B zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines weiteren Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 6C zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1, und sie veranschaulicht ein Beispiel noch eines weiteren Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 7 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 zeigt.
    • 8 zeigt den Strompfad während eines Nicht-Energieübertragungszeitraums in der in 7 gezeigten Konfiguration.
    • 9A zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 9B zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 9C zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 10 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 zeigt.
    • 11A zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3, und sie veranschaulicht ein Treibersignalmuster I, das bei der Induktivitäts-Stromsteuerung verwendet wird.
    • 11B zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3, und sie veranschaulicht ein Treibersignalmuster II, das bei der Induktivitäts-Stromsteuerung verwendet wird.
    • 11C zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3, und sie veranschaulicht ein Treibersignalmuster III, das bei der Induktivitäts-Stromsteuerung verwendet wird.
    • 11D zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3, und sie veranschaulicht ein Treibersignalmuster IV, das bei der Induktivitäts-Stromsteuerung verwendet wird.
    • 12A ist ein Ablaufdiagramm zum Durchführen einer Leistungssteuerung mittels Induktivitäts-Stromsteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3.
    • 12B ist ein Ablaufdiagramm zum Durchführen einer Leistungssteuerung mittels Induktivitäts-Stromsteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3.
    • 12C ist ein Ablaufdiagramm zum Durchführen einer Leistungssteuerung mittels Induktivitäts-Stromsteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3.
    • 12D ist ein Ablaufdiagramm zum Durchführen einer Leistungssteuerung mittels Induktivitäts-Stromsteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3.
    • 12E ist ein Ablaufdiagramm zum Durchführen einer Leistungssteuerung mittels Induktivitäts-Stromsteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3.
    • 13 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4 zeigt.
    • 14A zeigt schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 14B zeigt schematisch weitere Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 14C zeigt schematisch noch weitere Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4, und sie veranschaulicht ein Beispiel eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung.
    • 15 ist ein Hardware-Konfigurationsdiagramm einer Steuerungseinrichtung.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
  • In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen die gleichen oder entsprechende Komponenten.
  • Ausführungsform 1
  • Nachfolgend wird ein drahtloses Energie-Übertragungssystem gemäß Ausführungsform 1 beschrieben.
  • 1 zeigt eine schematische Konfiguration des drahtlosen Energie-Übertragungssystems gemäß Ausführungsform 1. In 1 weist das drahtlose Energie-Übertragungssystem 1 Folgendes auf: eine Energie-Übertragungsschaltung 11 zum Übertragen von Energie, die von einer AC-Energieversorgung 5 zugeführt wird, die eine Hauptenergieversorgung ist, und eine Energie-Empfangseinrichtung 10, die Energie von der Energie-Übertragungsschaltung 11 empfängt und Energie an eine Last 15 zuführt. Die Energie-Empfangseinrichtung 10 weist eine Energie-Empfangsschaltung 12, einen Stromrichter 13 und ein LC-Filter 14 auf.
  • Energie, die von der AC-Energieversorgung 5 zugeführt wird, wird auf kontaktlose Weise zwischen der Energie-Übertragungsschaltung 11 und der Energie-Empfangsschaltung 12 übertragen. Der Stromrichter 13 dient als ein Stromrichter, der AC-Leistung, die von der Energie-Empfangsschaltung 12 empfangen wird, in DC-Leistung umwandelt und die empfangene Leistung auf die vorgegebene Leistung einstellt. Das LC-Filter 14 dämpft eine AC-Komponente, die in der Ausgangsleistung vom Stromrichter 13 enthalten ist. Die Energie, die aus dem LC-Filter 14 ausgegeben wird, wird beispielsweise aufgenommen oder in der Last 15 gespeichert.
  • Die Energie-Übertragungsschaltung 11 ist eine Schaltung, die zumindest eine Spule aufweist, und in 1 besteht sie aus einer Energieübertragungsspule 111 und einem Kondensator 112 auf der Energieübertragungsseite gebildet, die in Reihe geschaltet sind. Der Kondensator 112 auf der Energieübertragungsseite ist nicht essentiell für die drahtlose Energieübertragung, aber wenn der Kondensator 112 auf der Energieübertragungsseite nicht vorhanden ist, wird der Energieübertragungs-Wirkungsgrad zwischen den Energieübertragungs- und -empfangsspulen signifikant verringert. Daher ist es wünschenswert, den Kondensator 112 auf der Energieübertragungsseite zu verwenden, so dass der Leistungsfaktor verbessert wird.
  • Die Energie-Empfangsschaltung 12 ist eine Schaltung, die zumindest eine Spule aufweist, und in 1 ist sie aus einer Energie-Empfangsspule 121 und einem Kondensator 122 auf der Energieempfangsseite gebildet, die parallel geschaltet sind. Der Kondensator 122 auf der Energieempfangsseite ist für die drahtlose Energieübertragung nicht essentiell, aber wenn der Kondensator 122 auf der Energieempfangsseite nicht vorhanden ist, wird der Energieübertragungs-Wirkungsgrad zwischen den Energieübertragungs- und -empfangsspulen signifikant verringert. Daher ist es wünschenswert, den Kondensator 122 auf der Energieempfangsseite zu verwenden, so dass der Leistungsfaktor verbessert wird.
  • In Abhängigkeit von den Konfigurationen der Energie-Übertragungsschaltung 11 und der Energie-Empfangsschaltung 12, die oben beschrieben sind, wirkt die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 12 als eine Spannungsquelle oder eine Stromquelle. In den Konfigurationen der Energie-Übertragungsschaltung 11 und der Energie-Empfangsschaltung 12, die in 1 gezeigt sind, ist die Energieversorgung eine Spannungsquelle, und der Resonator hat keine Immittanz-Umwandlungs-Eigenschaft. Daher dient die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 12 als eine Spannungsquelle.
  • Die Konfigurationen der Energie-Übertragungsschaltung 11 und der Energie-Empfangsschaltung 12, die in 1 gezeigt sind, sind bloß ein Beispiel, und deren Konfigurationen sind darauf nicht beschränkt. Die vorliegende Ausführungsform ist jedoch auf eine Konfiguration gerichtet, bei der die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 12 als eine Spannungsquelle wirkt.
  • 2 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration einer Energie-Empfangseinrichtung 10 gemäß Ausführungsform 1 zeigt. In der vorliegenden Ausführungsform wird ein Beispiel beschrieben, bei dem eine Gleichrichterschaltung 13a als der Stromrichter 13 verwendet wird. Die Gleichrichterschaltung 13a weist vier Dioden 131, 132, 133, 134 und zwei Halbleiterschalter 135a, 136a auf. Die Diode 132 und der Halbleiterschalter 135a sind in Reihe geschaltet, und die Diode 134 und der Halbleiterschalter 136a sind in Reihe geschaltet. Die Halbleiterschalter 135a, 136a sind elektrische Komponenten, die jeweils eine solche Eigenschaft haben, dass beispielsweise ein Schalter, wie z. B. ein Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET) oder ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) und eine Diode antiparallel geschaltet sind.
  • Der Halbleiterschalter 135a ist in Reihe mit der Diode 132 geschaltet, und zwar in einer solchen Richtung, dass der Strom nicht durch die Diode 132 fließt, wenn der Schalter im Ausschaltzustand (AUS) ist. Auf ähnliche Weise ist der Halbleiterschalter 136a mit der Diode 134 in Reihe geschaltet, und zwar in einer solchen Richtung, dass der Strom nicht durch die Diode 134 fließt, wenn der Schalter im Ausschaltzustand (AUS) ist. In 2 sind die Halbleiterschalter 135a, 136a jeweils in Reihe mit der Diode 132 und der Diode 134 geschaltet, die die unteren Zweige auf der negativen Seite der Gleichrichterschaltung 13a sind. Die Halbleiterschalter 135a, 136a können jedoch auch jeweils in Reihe mit der Diode 131 und der Diode 133 geschaltet werden, die die oberen Zweige auf der positiven Seite sind.
  • Das LC-Filter 14 ist aus einer DC-Induktivität 141 und einem DC-Kondensator 142 gebildet und dient dazu, die AC-Komponenten, die in der Ausgangsspannung enthalten sind, sowie den Strom von der Gleichrichterschaltung 13a zu dämpfen.
  • Die Last 15 ist ein Motor, der Leistung aufnimmt, eine Batterie zum Speichern von Energie oder dergleichen.
  • Die Spannungs-Detektionseinrichtung 16 detektiert die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 (Eingangsspannung in die Gleichrichterschaltung 13a).
  • Die Steuerungseinrichtung 17 erzeugt Treibersignale zum Durchführen einer EIN/AUS-Steuerung für die Halbleiterschalter 135a, 136a der Gleichrichterschaltung 13a auf der Basis der Informationen der Spannung V2, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung 16 detektiert wird.
  • In der Energie-Empfangsschaltung 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird in Abhängigkeit von den Ein-/Aus-Zuständen der Halbleiterschalter 135a, 136a die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 12 in einen kontaktunterbrochenen Zustand (offenen Schaltkreis-Zustand) gebracht, so dass die Versorgung mit Energie von der Energie-Empfangseinrichtung 12 an die Last 15 unterbrochen ist. Wie oben beschrieben, wirkt in den Konfigurationen der Energie-Übertragungsschaltung 11 und der Energie-Empfangsschaltung 12 bei der vorliegenden Ausführungsform die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 12 als eine Spannungsquelle. Wenn die Ausgabe der Energie-Empfangsschaltung 12 im kontaktunterbrochenen Zustand ist, hat daher die Impedanz bei Betrachtung von der AC-Energieversorgung 5 aus einen signifikant großen Wert. Im Ergebnis wird die Ausgangsleistung der AC-Energieversorgung 5 verringert.
  • Nachfolgend werden die Ein-/Aus-Zustände der Halbleiterschalter 135a, 136a und der Schaltungsbetrieb beschrieben.
  • 3A und 3B veranschaulichen den Schaltungsbetrieb der Energie-Empfangseinrichtung 10 im stationären Zustand, wenn der Halbleiterschalter 135a im Ausschaltzustand (AUS) ist und der Halbleiterschalter 136a im Einschaltzustand (EIN) ist. Die Pfeile in den Zeichnungen zeigen die Strompfade an.
  • 3A zeigt den Schaltungsbetrieb in einem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 positiv ist, und dieser Betrieb ist der Betrieb während eines Energieübertragungszeitraums, in dem Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 der Last zugeführt wird. In dem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 positiv ist, leiten die Diode 131, die Diode 134 und der Halbleiterschalter 136a den Strom, so dass Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 der Last 15 zugeführt wird. Zu dieser Zeit ist die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a gleich der Eingangsspannung V2. An die DC-Induktivität 141 des LC-Filters 14 wird die Potentialdifferenz zwischen der Lastspannung Vout und der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a angelegt. Der Laststrom nimmt zu/ab, und zwar gemäß der Potentialdifferenz und dem Induktivitätswert der DC-Induktivität 141.
  • 3B zeigt den Schaltungsbetrieb in einem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 negativ ist, und dieser Betrieb ist der Betrieb während eines Nicht-Energieübertragungszeitraums, bei dem die Zufuhr von Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 unterbrochen ist. In dem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 negative ist, leiten die Diode 133, die Diode 134 und der Halbleiterschalter 136a den Strom, so dass die Energiezufuhr von der Energie-Empfangsschaltung 12 an die Last 15 unterbrochen wird. Zu dieser Zeit ist die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a Null. Der Strom, der der Last 15 zugeführt wird, stammt aus Energie, die in der DC-Induktivität 141 gespeichert ist, und der Laststrom nimmt mit einer Steigung ab, die von der Lastspannung Vout und dem Induktivitätswert der DC-Induktivität 141 bestimmt wird.
  • 4A und 4B veranschaulichen den Schaltungsbetrieb der Energie-Empfangseinrichtung 10 im stationären Zustand, wenn der Halbleiterschalter 135a im Einschaltzustand (EIN) ist und der Halbleiterschalter 136a im Ausschaltzustand (AUS) ist. Die Pfeile in den Zeichnungen zeigen die Strompfade an.
  • 4A zeigt den Schaltungsbetrieb in einem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 positiv ist, und dieser Betrieb ist der Betrieb während eines Nicht-Energieübertragungszeitraums, bei dem die Zufuhr von Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 unterbrochen ist. In dem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 positiv ist, leiten die Diode 131, die Diode 132 und der Halbleiterschalter 135a den Strom, so dass die Energiezufuhr von der Energie-Empfangsschaltung 12 an die Last 15 unterbrochen wird. Zu dieser Zeit ist die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a Null. Der Strom, der der Last 15 zugeführt wird, ist aus Energie, die in der DC-Induktivität 141 gespeichert ist, und der Laststrom nimmt mit einer Steigung ab, die von der Lastspannung Vout und dem Induktivitätswert der DC-Induktivität 141 bestimmt wird.
  • 4B zeigt den Schaltungsbetrieb in einem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 negativ ist, und dieser Betrieb ist der Betrieb während eines Energieübertragungszeitraums, bei dem Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 der Last zugeführt wird. In dem Fall, in dem die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 negativ ist, leiten die Diode 133, die Diode 132 und der Halbleiterschalter 135a den Strom, so dass Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 der Last 15 zugeführt wird. Daher ist die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a gleich der Eingangsspannung V2. Zu dieser Zeit liegt an der DC-Induktivität 141 die Potentialdifferenz zwischen der Lastspannung Vout und der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a an, und der Laststrom nimmt zu/ab, und zwar gemäß der Potentialdifferenz und dem Induktivitätswert der DC-Induktivität 141.
  • In dem Fall, in dem die Halbleiterschalter 135a, 136a beide im Einschaltzustand (EIN) sind, wirkt die Gleichrichterschaltung 13a als Vollbrücken-Dioden-Gleichrichterschaltung. Das heißt, wenn die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 positiv ist, wird der Schaltungsbetrieb gemäß 3A durchgeführt, und wenn die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 negativ ist, wird der Schaltungsbetrieb gemäß 4B durchgeführt. Demzufolge wird Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 der Last 15 zugeführt, ohne von der Polarität der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 abzuhängen. Daher ist dieser Zeitraum konstant ein Energieübertragungszeitraum.
  • In dem Fall wiederum, in dem die Halbleiterschalter 135a, 136a beide im Ausschaltzustand (AUS) sind, gibt es keinen Pfad, durch den Energie von der Energie-Empfangsschaltung 12 der Last 15 zugeführt wird. Es gibt auch keinen Zirkulationspfad für die Energie, die in der DC-Induktivität 141 gespeichert ist. Demzufolge tritt eine Überspannung am Halbleiterschalter 135a oder 136a auf. Das Auftreten einer Überspannung kann zum Versagen des Halbleiterschalters führen. Daher ist es notwendig, Treibersignale so zu erzeugen, dass die Halbleiterschalter 135a, 136a nicht beide eingeschaltet sind. In dem Fall, in dem die Halbleiterschalter 135a, 136a komplementär zueinander ein- und ausgeschaltet werden, ist es demzufolge wünschenswert, eine Überlappungszeit bereitzustellen, wobei beide Schalter gleichzeitig eingeschaltet sind.
  • Die 5A, 5B, 5C veranschaulichen ein grundlegendes Steuerungsverfahren zur Leistungssteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung 10 gemäß Ausführungsform 1, und sie zeigen schematisch Wellenformen von Signalen. Vom oberen Teil in jeder Zeichnung aus sind schematische Wellenformen der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, des Eingangsstroms in die Gleichrichterschaltung 13a, sowie Treibersignale für die Halbleiterschalter 135a, 136a gezeigt. Es sei angemerkt, dass jedes Treibersignal EIN angibt, wenn die Wellenform einen Wert von 1 hat, und AUS angibt, wenn die Wellenform einen Wert von 0 hat.
  • 5A zeigt Signal-Wellenformen, wenn die Ausgangsleistung von der Energie-Empfangseinrichtung 10 maximiert ist. Die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 und der Eingangsstrom haben eine Sinus-Wellenform bzw. eine Rechteck-Wellenform, und die zwei Halbleiterschalter 135a, 136a sind konstant im Einschaltzustand. Das heißt, 5A zeigt einen Zustand, in dem die Energieübertragung fortgesetzt wird.
  • 5B zeigt Signal-Wellenformen, wenn die Ausgangsleistung aus der Energie-Empfangseinrichtung 10 so vorgegeben wird, dass sie kleiner ist als in 5A. Ein-/Ausschalten der Halbleiterschalter 135a, 136a wird im Nulldurchgang oder in der Nähe des Nulldurchgangs der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 durchgeführt, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung 16 detektiert wird, wie durch die Positionen gemäß 5B mit der gepunkteten Linie angezeigt.
  • Das heißt, das Umschalten zwischen einem Energieübertragungszeitraum PS und einem Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS wird im Nulldurchgang oder in der Nähe des Nulldurchgang der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 durchgeführt. Außerdem wird die Leistungssteuerung durchgeführt, indem das Zeitverhältnis zwischen einem Gesamt-Energieübertragungszeitraum und einem Gesamt-Nicht-Energieübertragungszeitraum in einem vorbestimmten Zeitraum gesteuert wird. Der vorbestimmte Zeitraum ist im Voraus auf eine zeitliche Länge vorgegeben, die ein ganzzahliges Vielfaches einer Halbwelle der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist, und er kann gemäß der benötigten Leistung geändert werden.
  • In 5B wird der Wiederholungszyklus der Treibersignale für die Halbleiterschalter 135a, 136a so vorgegeben, dass er gleich einem Dreizyklenzeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist, ein Zweizyklenzeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 wird so vorgegeben, dass er ein Energieübertragungszeitraum PS ist, und der verbleibende Einzykluszeitraum wird so vorgegeben, dass er ein Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS ist. Der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a gemäß 5B beträgt 2/3 des Durchschnittswerts der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a gemäß 5A. Wenn die Last 15 eine resistive Last ist, besitzt daher die Ausgangsleistung in 5B einen Wert von 4/9 der Ausgangsleistung in der in 5A gezeigten Signal-Wellenform.
  • Hier ist der Nulldurchgang oder die Nähe des Nulldurchgangs der Ausgangsspannung V2 ein Zeitpunkt, wenn die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung 16 detektiert wird, einen Spannungswert hat, der ausreichend kleiner ist als deren Maximalwert, und er ist ein Zeitpunkt, wenn der Absolutwert der Ausgangsspannung V2 ungefähr 20 % oder weniger des Maximalwerts beträgt.
  • 5B zeigt Signal-Wellenformen, wenn die Ausgangsleistung aus der Energie-Empfangseinrichtung 10 so vorgegeben wird, dass sie kleiner ist als diejenigen gemäß 5A und 5B. In 5C wird der Wiederholungszyklus der Treibersignale für die Halbleiterschalter 135a, 136a so vorgegeben, dass er gleich einem Zweizyklenzeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist, ein Einzykluszeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 wird so vorgegeben, dass er ein Energieübertragungszeitraum PS ist, und der verbleibende Einzykluszeitraum wird so vorgegeben, dass er ein Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS ist.
  • Der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a gemäß 5C beträgt 1/2 des Durchschnittswerts der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a gemäß 5A. Wenn die Last 15 eine resistive Last ist, besitzt daher die Ausgangsleistung in 5C einen Wert von 1/4 der Ausgangsleistung in der in 5A gezeigten Signal-Wellenform.
  • Wie oben beschrieben, gilt Folgendes: Indem das Verhältnis zwischen dem Energieübertragungszeitraum und dem Nicht-Energieübertragungszeitraum in dem im Voraus vorgegebenen Zeitraum vorgegeben wird, kann die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a gesteuert werden, und im Ergebnis kann die Ausgangsleistung gesteuert werden. Da außerdem die Ein-/Ausschaltvorgänge sämtlicher Halbleiterschalter im Nulldurchgangszeitpunkt oder in der Nähe des Nulldurchgangszeitpunkts der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 durchgeführt werden, können die Schaltverluste, die durch das Produkt aus Spannung und Strom des Halbleiterschalters dargestellt werden, auf einen kleinen Wert verringert werden.
  • In den 5A, 5B, 5C wird ein Beispiel gezeigt, bei dem die Halbleiterschalter 135a, 136a zueinander komplementär ein- und ausgeschaltet werden. Selbst in dem Fall, in dem die zwei Halbleiterschalter beide im Energieübertragungszeitraum eingeschaltet werden, wird der Schaltungsbetrieb jedoch auf die gleiche Weise durchgeführt.
  • Als Nächstes werden Verfahren zum Erhalten der gleichen Ausgangsleistung aus der Energie-Empfangseinrichtung 10 mittels verschiedener Leistungssteuerungen beschrieben.
  • 6A, 6B, 6C veranschaulichen Steuerungsverfahren durch verschiedene Leistungssteuerungen in der Energie-Empfangseinrichtung 10 gemäß Ausführungsform 1. In 6A, 6B, 6C gilt wie in 5A, 5B, 5C Folgendes: Vom oberen Teil in jeder Zeichnung aus sind schematische Wellenformen der Eingangsspannung V2 in die Gleichrichterschaltung 13a, der Eingangsstrom in die Gleichrichterschaltung 13a und die Treibersignale für die Halbleiterschalter 135a, 136a gezeigt. In den drei in 6A, 6B, 6C gezeigten Beispielen ist der Wiederholungszyklus der Treibersignale so vorgegeben, dass er gleich einem Dreizyklenzeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist, ein Energieübertragungszeitraum ist in nur einem Zyklus der drei Zyklen der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 bereitgestellt, und die Treibersignale für die Halbleiterschalter 135a, 136a sind so vorgegeben, dass der Durchschnittswert der Ausgangsspannung 1/3 des Werts im Maximalzustand (einem Zustand, in dem die zwei Schalter konstant im Einschaltzustand sind) wird.
  • In den Signal-Wellenformen gemäß 6A ist ein Energieübertragungszeitraum PS vorgegeben, unter Verwendung - als einer Einheit - von einem einzelnen Zyklus der Frequenz der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, wie in den in 5A, 5B, 5C gezeigten Beispielen. Wo der Wiederholungszyklus der Treibersignale ein N-Zyklen-Zeitraum ist (hier: N = 3) und der Energieübertragungszeitraum PS ein M-Zyklen-Zeitraum (hier: M = 1) ist, gilt Folgendes: Im Fall, dass der Durchschnittswert der Ausgangsleistung auf M/N des Werts im Maximalzustand vorgegeben wird, wird ein Muster vorgegeben, in dem der Energieübertragungszeitraum PS für M Zyklen und der Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS für (N-M) Zyklen (hier: N-M = 2) wiederholt werden.
  • In den Signal-Wellenformen gemäß 6B wird - im Gegensatz zu den gemäß 6A gezeigten Signal-Wellenformen - ein Energieübertragungszeitraum PS vorgegeben, unter Verwendung - als einer Einheit - einer Halbwelle der Frequenz der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12. Dann wird der Energieübertragungszeitraum PS für diese eine Einheit intermittierend vorgesehen, so dass der Gesamt-Energieübertragungszeitraum gleich einem Einzykluszeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist, und zwar im Wiederholungszyklus der Treibersignale.
  • 6C zeigt Signal-Wellenformen in einem Beispiel, in dem ein Energieübertragungszeitraum und ein Nicht-Energieübertragungszeitraum gemäß der Polarität der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 vorgegeben sind. Das heißt, in 6C sind die ersten zwei Zeiträume, in denen die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 positiv ist, als Energieübertragungszeiträume PS vorgegeben, und die Zeiträume, in denen die Ausgangsspannung V2 negativ ist, sind stets als Nicht-Energieübertragungszeiträume NPS vorgegeben.
  • Wie in 6B wird dann der Energieübertragungszeitraum PS vorgegeben, und zwar unter Verwendung - als einer Einheit - einer Halbwelle der Frequenz der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, und der Energieübertragungszeitraum PS für diese eine Einheit wird intermittierend vorgesehen, so dass der Gesamt-Energieübertragungszeitraum gleich groß wie ein Einzykluszeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist, und zwar im Wiederholungszyklus der Treibersignale.
  • In jeder der 6A, 6B, 6C ist der Durchschnittswert der Ausgangsspannung auf 1/3 des Werts im Maximalzustand (einem Zustand, in dem die zwei Schalter konstant im Einschaltzustand sind) vorgegeben, aber diese Bedingung wird unter Verwendung von verschiedenen Wellenformen für die Treibersignale der Halbleiterschalter 135a, 136a verwirklicht. In Abhängigkeit von der Differenz der Wellenformen für die Treibersignale unterscheidet sich die Stärke des Rippelstroms, der im Ausgangsstrom der Gleichrichterschaltung enthalten ist.
  • Beispielsweise ist in den Wellenformen der Treibersignale gemäß 6A der Nicht-Energieübertragungszeitraum ein Zweizyklenzeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, wohingegen in den Wellenformen der Treibersignale gemäß 6B zwei Nicht-Energieübertragungszeiträume im Wiederholungszyklus der Treibersignale vorgesehen sind, und jeder der Nicht-Energieübertragungszeiträume ist ein Einzyklenzeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12.
  • Wenn die Länge des Nicht-Energieübertragungszeitraums verkürzt wird, so wird der Rippelstrom im Eingangsstrom an die Gleichrichterschaltung 13a verringert. Daher ist der Rippelstrom gemäß 6B kleiner als im Fall der Wellenformen der Treibersignale gemäß 6A. Der Rippelstrom, der eine AC-Komponente ist, muss schließlich vom LC-Filter 14 gedämpft werden. Wenn der Rippelstrom klein ist, kann daher das LC-Filter 14 in der Größe verringert werden.
  • Auf ähnliche Weise sind in den Wellenformen der Treibersignale gemäß 6C zwei Nicht-Energieübertragungszeiträume im Wiederholungszyklus der Treibersignale vorgesehen, und jeder der Nicht-Energieübertragungszeiträume ist kürzer als die Länge des Nicht-Energieübertragungszeitraums gemäß 6A. Daher kann der Rippelstrom kleiner gemacht werden als im Fall der Wellenformen der Treibersignale gemäß 6A.
  • Wie aus den Wellenformen der in 5A, 5B, 5C und 6A, 6B, 6C gezeigten Treibersignale erkennbar, kann die Leistungssteuerung durchgeführt werden, indem die Wellenformen der Treibersignale für die Halbleiterschalter 135a, 136a verändert werden, und die Schaltverluste können verringert werden, indem Ein-/Aus-Schaltvorgänge der Halbleiterschalter 135a, 136a beim Nulldurchgangs-Zeitpunkt oder in der Nähe des Nulldurchgangs-Zeitpunkts der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 durchgeführt werden.
  • Wie oben beschrieben, weist die Energie-Empfangseinrichtung 10 des drahtlosen Energie-Übertragungssystems gemäß Ausführungsform 1 zumindest Folgendes auf:
    • die Energie-Empfangsschaltung 12 zum Empfangen von Energie von der Energie-Übertragungsschaltung 11; die Spannungs-Detektionseinrichtung 16 zum Detektieren der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12; den Stromrichter 13 (Gleichrichterschaltung 13a), der die Halbleiterschalter 135a, 136a aufweist und AC-Leistung, die von der Energie-Empfangsschaltung 12 empfangen wird, in DC-Leistung umwandelt; und die Steuerungseinrichtung zum Steuern der Halbleiterschalter 135a, 136a auf der Basis der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung 16 detektiert wird, wobei die Stromleitung und -Unterbrechung mit der Energie-Empfangsschaltung 12 durch Betätigungen der Halbleiterschalter 135a, 136a umgeschaltet wird.
  • Folglich kann in der Resonator-Konfiguration, die als eine Spannungsquelle wirkt, ein Unterbrechungszustand erreicht werden, indem die Schaltung - anstelle des Kurzschlusses - zwischen der Energie-Empfangsschaltung und dem Stromrichter geöffnet wird. Im Ergebnis besteht kein Risiko des Versagens von Elementen, die den Stromrichter bilden, infolge von Überstrom und dergleichen.
  • Außerdem wird in einem im Voraus vorgegebenen vorbestimmten Zeitraum das Verhältnis zwischen einem Energieübertragungszeitraum, in dem der Stromrichter 13 und die Energie-Empfangsschaltung 12 miteinander leitfähig sind, und einem Nicht-Energieübertragungszeitraum, in dem die Leitung zwischen dem Stromrichter 13 und der Energie-Empfangsschaltung 12 unterbrochen ist, eingestellt, so dass die Ausgangsspannung des Stromrichters 13 gesteuert wird, und im Ergebnis kann die Ausgangsleistung gesteuert werden.
  • Außerdem werden die Ein-/Ausschaltvorgänge sämtlicher Halbleiterschalter im Nulldurchgangszeitpunkt oder in der Nähe des Nulldurchgangszeitpunkts der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 durchgeführt. Dadurch können die Schaltverluste verringert werden, und folglich kann die Leistungssteuerung mit hohem Wirkungsgrad durchgeführt werden.
  • Ausführungsform 2
  • Nachfolgend wird eine Energie-Empfangseinrichtung in einem drahtlosen Energie-Übertragungssystem gemäß Ausführungsform 2 beschrieben. Die Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 wird auch bei dem drahtlosen Energie-Übertragungssystem verwendet, das in 1 gemäß Ausführungsform 1 gezeigt ist.
  • 7 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 zeigt. Die Teile, die denjenigen in 2 entsprechen oder gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird weggelassen. In Ausführungsform 2 sind zwei Halbleiterschalter 135b, 136b in einer Gleichrichterschaltung 13b jeweils in Reihe mit der Diode 133 und der Diode 134 geschaltet, im Gegensatz zu Ausführungsform 1. Die Anordnung der Halbleiterschalter 135b, 136b in 7 ist bloß ein Beispiel, und die Halbleiterschalter können in Reihe zu der Diode 131 und der Diode 132 geschaltet sein. Das heißt, die Halbleiterschalter können in Reihe zu den Dioden an einem vom zwei Schenkeln auf der linken und rechten Seite geschaltet sein, die die Gleichrichterschaltung 13b bilden.
  • Der Betriebsunterschied zu Ausführungsform 1 ist, dass der Zirkulationspfad der Energie, die in der DC-Induktivität 141 in einem Nicht-Energieübertragungszeitraum gespeichert wird, nicht durch die Zustände der Halbleiterschalter 135b, 136b beeinflusst wird. 8 zeigt einen der Strompfade in einem Nicht-Energieübertragungszeitraum in der in 7 gezeigten Konfiguration. Die Energie, die in der DC-Induktivität 141 gespeichert ist, kann durch die Last 15, die Diode 132 und die Diode 131 zirkulieren, und es gibt keine Halbleiterschalter auf dem Zirkulationspfad. Andererseits gibt es im Nicht-Energieübertragungszeitraum gemäß Ausführungsform 1, wie in 3B und 4A gezeigt, einen Halbleiterschalter auf dem Zirkulationspfad der Energie der DC-Induktivität 141.
  • Wenn die Energie, die in der DC-Induktivität 141 gespeichert ist, zirkuliert, wird dann, wenn irgendein Halbleiterschalter beschädigt ist oder fehlerhaft betätigt wird, der Zirkulationspfad unterbrochen, so dass infolge der in der DC-Induktivitätswert 141 gespeicherten Energie eine Überspannung in der Schaltung auftritt, und demzufolge könnte die gesamte Einrichtung außer Betrieb gesetzt werden. In der Konfiguration gemäß Ausführungsform 2 gibt es keine Halbleiterschalter auf dem Zirkulationspfad der Energie, die in der DC-Induktivität 141 gespeichert ist, und daher wird der Zirkulationspfad nicht durch die Zustände der Halbleiterschalter 135b, 136b beeinflusst.
  • Die 9A, 9B, 9C veranschaulichen Beispiele eines Steuerungsverfahrens zur Leistungssteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2, und sie zeigen schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung. Vom oberen Teil in jeder Zeichnung aus sind schematische Wellenformen der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, des Eingangsstroms in die Gleichrichterschaltung 13b, sowie Treibersignale für die Halbleiterschalter 135b, 136b gezeigt. In allen drei Beispielen, die in 9A, 9B, 9C gezeigt sind, sind die Treibersignale für die Halbleiterschalter 135b, 136b so vorgegeben, dass der Durchschnittswert der Ausgangsspannung aus der Energie-Empfangseinrichtung 1/3 des Wertes im Maximalzustand (einem Zustand, in dem die zwei Schalter konstant im Einschaltzustand sind) annimmt.
  • 9A zeigt Signal-Wellenformen in einem Leistungssteuerungsverfahren, wobei die Halbleiterschalter unter Verwendung - als einer Einheit - eines Zyklus der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 betrieben werden. 9B zeigt Signal-Wellenformen in einem Leistungssteuerungsverfahren, wobei die Halbleiterschalter unter Verwendung - als einer Einheit - eine Halbwelle der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 betrieben werden. 9C zeigt Signal-Wellenformen in einem Leistungssteuerungsverfahren, in dem ein Energieübertragungszeitraum PS und ein Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS gemäß der Polarität der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 vorgegeben sind.
  • Wie aus 9A, 9B, 9C gemäß Ausführungsform 2 ersichtlich, gilt Folgendes: Wenn die zwei Halbleiterschalter 135b, 136b eingeschaltet werden, kann der Energieübertragungszeitraum PS bereitgestellt werden, und wenn die zwei Halbleiterschalter 135b, 136b ausgeschaltet werden, kann der Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS bereitgestellt werden. Daher ist es möglich, die zwei Halbleiterschalter 135b, 136b mittels desselben Treibersignals zu betreiben.
  • In den Signal-Wellenformen gemäß 9B wird eine Halbwelle der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 als eine Einheit des Energieübertragungszeitraums PS verwendet, und der Wiederholungszyklus der Treibersignale ist gleich einem 1,5-Zyklen-Zeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12, d. h. die Hälfte der Zeiträume in 9A und 9C.
  • Im Energieübertragungszeitraum PS wird nur einer der zwei Halbleiterschalter auf dem Strompfad verwendet, und daher kann der Zustand des anderen Halbleiterschalters entweder eingeschaltet (EIN) oder ausgeschaltet (AUS) sein. Beispielsweise gilt gemäß 7 Folgendes: Selbst in dem Fall, in dem die Halbleiterschalter 135b, 136b beide eingeschaltet sind, wird dann, wenn die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 positiv ist, der Strompfad durch die Seite des Halbleiterschalters 136b gebildet, und wenn die Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 negativ ist, wird der Strompfad durch die Seite des Halbleiterschalters 135b gebildet.
  • Daher ist in den Treibersignalen für die Halbleiterschalter 135b, 136b in den 9A, 9B, 9C der Zeitraum, in dem das Treibersignal als EIN gekennzeichnet ist (Signalwert ist 1) und der durch den schraffierten Bereich angezeigt ist, ein Zeitraum, in dem der Signalzustand entweder EIN oder AUS sein kann.
  • In 9C wird das Treibersignal für den Halbleiterschalter 135b zwischen EIN und AUS umgeschaltet. Der Schaltungsbetrieb ist jedoch der gleiche, selbst wenn das Treibersignal für den Halbleiterschalter 135b konstant auf AUS vorgegeben ist.
  • Wie oben beschrieben, bietet die Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 die gleichen Wirkungen wie bei der Ausführungsform 1. Außerdem sind bei der Ausführungsform 2 die Halbleiterschalter 135b, 136b jeweils in Reihe mit den Dioden geschaltet, und zwar an einem der zwei Schenkel auf der linken und rechten Seite, die die Gleichrichterschaltung 13b des Stromrichters 13 bilden. Daher kann ein Nicht-Energieübertragungszeitraum bereitgestellt werden, wobei die zwei Halbleiterschalter 135b, 136b gleichzeitig ausgeschaltet sind.
  • Folglich ist es möglich, das Auftreten einer Überspannung infolge der Zustände der Halbleiterschalter auf dem Zirkulationspfad der in der DC-Induktivität 141 während des Nicht-Energieübertragungszeitraums gespeicherten Energie zu verhindern. Außerdem können die zwei Halbleiterschalter 135b, 136b mittels eines einzigen Treibersignals gesteuert werden, und daher kann die Steuerungseinrichtung verglichen mit Ausführungsform 1 vereinfacht werden.
  • Ausführungsform 3
  • Nachfolgend wird eine Energie-Empfangseinrichtung eines drahtlosen Energie-Übertragungssystems gemäß Ausführungsform 3 beschrieben. Die Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 wird auch auf das drahtlose Energie-Übertragungssystem angewendet, das in 1 gemäß Ausführungsform 1 gezeigt ist.
  • 10 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 zeigt. Die Teile, die denjenigen in 7 entsprechen oder gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren erneute Beschreibung wird weggelassen. Die Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 weist ferner eine Strom-Detektionseinrichtung 18 zum Detektieren des Stroms ILdc, der durch die DC-Induktivität 141 fließt, und eine Spannungs-Detektionseinrichtung 19 zum Detektieren der Spannung Vout der Last 15 auf.
  • Eine Information über den Strom und die Spannung, die von der Strom-Detektionseinrichtung 18 und der Spannungs-Detektionseinrichtung 19 detektiert werden, wird in die Steuerungseinrichtung 17 eingegeben. In den Ausführungsformen 1 und 2 gibt die Steuerungseinrichtung 17 einen Ausgangsleistungs-Befehlswert Pout* aus, so dass die Ausgabe aus der Energie-Empfangseinrichtung eine vorbestimmte im Voraus vorgegebene Ausgangsleistung hat, und erzeugt Treibersignale für die Halbleiterschalter, um die Halbleiterschalter zu steuern, so dass die Leistungssteuerung durchgeführt wird.
  • Bei der Ausführungsform 3 teilt die Steuerungseinrichtung 17 den Ausgangsleistungs-Befehlswert Pout* durch die Lastspannung Vout, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung 19 detektiert wird, so dass sie einen Strombefehlswert ILdc* für die DC-Induktivität 141 detektiert, und führt dann eine Stromsteuerung zum Steuern der Halbleiterschalter aus, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141, der von der Strom-Detektionseinrichtung 18 detektiert wird, den Strombefehlswert ILdc* annimmt. Dadurch steuert sie die Ausgangsleistung.
  • Nachfolgend wird ein Verfahren zum Durchführen einer Ausgangsleistungssteuerung durch Steuern des Stroms der DC-Induktivität 141 unter Verwendung der Halbleiterschalter 135b, 136b beschrieben.
  • 11A, 11B, 11C, 11D zeigen schematisch Wellenformen von Signalen in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3, und sie veranschaulichen Treibersignalmuster, die bei der Induktivitäts-Stromsteuerung verwendet werden. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden fünf Treibersignalmuster vorgegeben, d. h. Treibersignalmuster zum Steuern der Halbleiterschalter 135b, 136b, so dass die folgenden vier Spannungen bezogen auf die Maximalspannung des Durchschnittswerts der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13b erhalten werden, und zusätzlich ein Treibersignalmuster, das einen Nicht-Energieübertragungszustand bewirkt.
    • Treibersignalmuster I: Ein Muster, in dem der Durchschnittswert der Ausgangsspannung die Maximalspannung ist
    • Treibersignalmuster II: Ein Muster, in dem der Durchschnittswert der Ausgangsspannung 3/4 der Maximalspannung ist
    • Treibersignalmuster III: Ein Muster, in dem der Durchschnittswert der Ausgangsspannung 1/2 der Maximalspannung ist
    • Treibersignalmuster IV: Ein Muster, in dem der Durchschnittswert der Ausgangsspannung 1/4 der Maximalspannung ist
    • Treibersignalmuster V: Ein Muster, das einen Nicht-Energieübertragungszustand bewirkt
  • Die Steuerungseinrichtung 17 besitzt diese Treibersignalmuster und führt sie aus.
  • 11A zeigt das Treibersignalmuster I, in dem ein Energieübertragungszustand fortgesetzt wird. 11B zeigt das Treibersignalmuster II, in dem - unter Fokussierung auf zwei Zyklen der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 - ein 1,5-Zyklen-Zeitraum einem Energieübertragungszeitraum PS entspricht, ein Halbwellenzeitraum einem Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS entspricht und der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13b einen Wert von 3/4 der Maximalspannung besitzt. 11C zeigt das Treibersignalmuster III, bei dem - unter Fokussierung auf zwei Zyklen der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 - ein Energieübertragungszeitraum PS für eine Halbwelle und ein Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS für eine Halbwelle wiederholt werden und der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13b einen Wert von 1/2 der Maximalspannung besitzt. 11D zeigt das Treibersignalmuster IV, in dem - unter Fokussierung auf zwei Zyklen der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 - ein Halbwellenzeitraum einem Energieübertragungszeitraum PS entspricht, ein 1,5-Zyklen-Zeitraum einem Nicht-Energieübertragungszeitraum NPS entspricht und der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13b einen Wert von 1/4 der Maximalspannung besitzt. Das Treibersignalmuster V (nicht dargestellt) entspricht einem Nicht-Energieübertragungszustand, in dem die Halbleiterschalter 135b, 136b beide ausgeschaltet sind (Werte der Treibersignale sind 0).
  • Als Nächstes wird ein Verfahren zum Durchführen einer Ausgangsleistungssteuerung durch Steuern des Stroms der DC-Induktivität 141 unter Verwendung von fünf Treibersignalmustern gemäß den Ablaufdiagrammen in 12A bis 12E beschrieben.
  • In 12A ist der Anfangszustand im Schritt S101 ein Nicht-Energieübertragungszustand und entspricht einem Zustand, in dem das Treibersignalmuster V ausgeführt wird. Wenn die Energieübertragung gestartet wird, teilt die Steuerungseinrichtung 17 einen vorgegebenen Ausgangsleistungs-Befehlswert Pout* durch die Lastspannung Vout, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung 19 detektiert wird, und berechnet so einen Strombefehlswert ILdc* für die DC-Induktivität 141. Außerdem wird der Strom ILdc der DC-Induktivität 141, der von der Strom-Detektionseinrichtung 18 detektiert wird, in die Steuerungseinrichtung 17 eingegeben.
  • Im Schritt S102, in dem die Energieübertragung gestartet wird, nimmt dann, wenn das Treibersignalmuster IV ausgeführt wird, der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 zu. Im Schritt S103 wird bestimmt, ob oder ob nicht der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat. Wenn der detektierte Strom ILdc den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat (JA), fährt der Prozess mit Schritt S201 fort, der im Ablaufdiagramm gemäß 12B gezeigt ist. Wenn der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 nicht den Strombefehlswert ILdc* im Schritt S103 erreicht hat (NEIN), wird das Treibersignalmuster III im Schritt S104 ausgeführt.
  • Im Schritt S104 nimmt dann, wenn das Treibersignalmuster III ausgeführt wird, der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 weiter zu. Im Schritt S105 wird bestimmt, ob oder ob nicht der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat. Wenn der detektierte Strom ILdc den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat (JA), fährt der Prozess mit Schritt S301 fort, der im Ablaufdiagramm gemäß 12C gezeigt ist. Wenn der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 nicht den Strombefehlswert ILdc* im Schritt S105 erreicht hat (NEIN), wird das Treibersignalmuster II im Schritt S106 ausgeführt.
  • Im Schritt S106 nimmt dann, wenn das Treibersignalmuster II ausgeführt wird, der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 weiter zu. Im Schritt S107 wird bestimmt, ob oder ob nicht der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat. Wenn der detektierte Strom ILdc den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat (JA), fährt der Prozess mit Schritt S401 fort, der im Ablaufdiagramm gemäß 12D gezeigt ist. Wenn der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 nicht den Strombefehlswert ILdc* im Schritt S107 erreicht hat (NEIN), wird das Treibersignalmuster I im Schritt S108 ausgeführt.
  • Im Schritt S108 nimmt dann, wenn das Treibersignalmuster I ausgeführt wird, der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 weiter zu. Im Schritt S109 wird bestimmt, ob oder ob nicht der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat. Wenn der detektierte Strom ILdc den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat (JA), fährt der Prozess mit Schritt S501 fort, der im Ablaufdiagramm in 12E gezeigt ist. Wenn der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 nicht den Strombefehlswert ILdc* im Schritt S109 angenommen hat (NEIN), kann es beispielsweise ein Problem mit dem Vorgeben des Strombefehlswerts ILdc* geben. Daher wird im Schritt S110 bestimmt, dass die Steuerung unmöglich ist, und die Energieübertragung wird unterbrochen.
  • In den Schritten S103, S105, S107, S109 wird die Bestimmung, ob der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 nicht den Strombefehlswert ILdc* erreicht hat oder den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat, wie folgt durchgeführt: Wenn beispielsweise der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 für einen gewissen Zeitraum nicht variiert hat und nicht den Strombefehlswert ILdc* angenommen hat, wird bestimmt, dass der detektierte Strom ILdc nicht den Strombefehlswert ILdc* angenommen hat.
  • Wenn alternativ der detektierte Strom ILdc den Strombefehlswert ILdc* selbst nach Verstreichen einer Zeit, die dreimal so lang ist wie der Wiederholungszeitraum der Treibersignale, nicht erreicht hat, wird bestimmt, dass der detektierte Strom ILdc nicht den Strombefehlswert ILdc* erreicht hat. Hier kann die Zeit zum Verstreichen geeignet vorgegeben werden. Auf diese Weise wird die Bestimmung auf der Basis der Sättigungsbedingung oder des Übergangs des detektierten Stroms ILdc der DC-Induktivität 141 durchgeführt.
  • Im Schritt S103 gilt Folgendes: Wenn der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat, fährt der Prozess mit Schritt S201 gemäß 12B fort, so dass das Treibersignalmuster V ausgeführt wird. Das heißt, ein Nicht-Energieübertragungszustand wird bewirkt. Demzufolge nimmt der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 ab. Dann fährt der Prozess mit Schritt S202 fort, und es wird bestimmt, ob oder ob nicht der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist.
  • Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 weiterhin der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist (JA), dann wird der Nicht-Energieübertragungszustand im Schritt S201 fortgesetzt. Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 kleiner geworden ist als der Strombefehlswert ILdc* im Schritt S202, wird das Treibersignalmuster IV im Schritt S203 ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 zunimmt.
  • Anschließend werden - bis ein Befehl zum Unterbrechen der Energieübertragung abgesetzt wird - das Treibersignalmuster V und das Treibersignalmuster IV ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 so gesteuert wird, dass er sich dem Strombefehlswert ILdc* annähert.
  • Auf ähnliche Weise gilt Folgendes: Wenn im Schritt S105 der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat, fährt der Prozess mit Schritt S301 gemäß 12C fort, so dass das Treibersignalmuster IV ausgeführt wird. Demzufolge nimmt der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 ab. Dann fährt der Prozess mit Schritt S302 fort, und es wird bestimmt, ob oder ob nicht der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist. Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 weiterhin der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist (JA), dann wird das Treibersignalmuster IV im Schritt S301 fortgesetzt. Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 kleiner geworden ist als der Strombefehlswert ILdc* im Schritt S302, wird das Treibersignalmuster III im Schritt S303 ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 zunimmt.
  • Anschließend werden - bis ein Befehl zum Unterbrechen der Energieübertragung abgesetzt wird - das Treibersignalmuster IV und das Treibersignalmuster III ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 so gesteuert wird, dass er sich dem Strombefehlswert ILdc* annähert.
  • Auf ähnliche Weise gilt Folgendes: Wenn im Schritt S107 der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat, fährt der Prozess mit Schritt S401 gemäß 12D fort, so dass das Treibersignalmuster III ausgeführt wird. Demzufolge nimmt der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 ab. Dann fährt der Prozess mit Schritt S402 fort, und es wird bestimmt, ob oder ob nicht der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist.
  • Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 weiterhin der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist (JA), dann wird das Treibersignalmuster III im Schritt S401 fortgesetzt. Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 kleiner geworden ist als der Strombefehlswert ILdc* im Schritt S402, wird das Treibersignalmuster II im Schritt S403 ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 zunimmt.
  • Anschließend werden - bis ein Befehl zum Unterbrechen der Energieübertragung abgesetzt wird - das Treibersignalmuster III und das Treibersignalmuster II ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 so gesteuert wird, dass er sich dem Strombefehlswert ILdc* annähert.
  • Auf ähnliche Weise gilt Folgendes: Wenn im Schritt S109 der detektierte Strom ILdc der DC-Induktivität 141 den Strombefehlswert ILdc* oder größer angenommen hat, fährt der Prozess mit Schritt S501 gemäß 12E fort, so dass das Treibersignalmuster II ausgeführt wird. Demzufolge nimmt der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 ab. Dann fährt der Prozess mit Schritt S502 fort, und es wird bestimmt, ob oder ob nicht der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist. Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 weiterhin der Strombefehlswert ILdc* oder größer ist (JA), dann wird das Treibersignalmuster II im Schritt S501 fortgesetzt.
  • Wenn der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 kleiner geworden ist als der Strombefehlswert ILdc* im Schritt S502, wird das Treibersignalmuster I im Schritt S503 ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 zunimmt.
  • Anschließend werden - bis ein Befehl zum Unterbrechen der Energieübertragung abgesetzt wird - das Treibersignalmuster II und das Treibersignalmuster I ausgeführt, so dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 so gesteuert wird, dass er sich dem Strombefehlswert ILdc* annähert.
  • Wie oben beschrieben, wird der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13b schrittweise erhöht, und zwei Treibersignalmuster, mit denen der Stromwert so gesteuert werden kann, dass er den Strombefehlswert ILdc* annimmt, werden ausgewählt, so dass die Stromsteuerung bei einer Spannung nahe der Lastspannung Vout gesteuert werden kann.
  • Wie oben beschrieben, wird im Schritt S109 in einem Fall, in dem der Strom ILdc der DC-Induktivität 141 nicht den Strombefehlswert ILdc* oder größer annimmt, selbst wenn das Treibersignalmuster I ausgeführt wird, im Schritt S110 bestimmt, dass die Steuerung unmöglich ist, und die Energieübertragung wird unterbrochen. Neben einem Problem mit dem Vorgeben des Strombefehlswerts ILdc* oder dergleichen, besteht im Prinzip außerdem die Möglichkeit, dass die Stromsteuerung nicht durchgeführt werden kann. Daher könnte die Änderung der Testbedingung oder der Schaltungskonstanten notwendig sein.
  • Indem diese Stromsteuerung angewendet wird, kann die an die DC-Induktivität 141 angelegte Spannung und die Variation der angelegten Spannung minimiert werden, und demzufolge kann der Ausgangsstrom-Rippel der Gleichrichterschaltung 13b verringert werden. Außerdem kann in dem Fall, indem der Stromrippel so gesteuert wird, dass er konstant ist, der Induktivitätswert, der für die DC-Induktivität 141 notwendig ist, so vorgegeben werden, dass er kleiner ist, wenn das Stromsteuerungsverfahren aus Ausführungsform 3 angewendet wird, als wenn die Energie-Empfangseinrichtung nur mit dem Treibersignalmuster I, das die Spannung maximiert, und dem Treibersignalmuster V betrieben wird, das einen Nicht-Energieübertragungszustand bewirkt. Demzufolge kann eine Größenverringerung erzielt werden.
  • Das oben beschriebene Treibersignalmuster und das oben beschriebene Steuerungsverfahren sind ein Beispiel gemäß Ausführungsform 3. Alternativ kann die Anzahl von Treibersignalmustern mehr als fünf oder weniger als fünf betragen, oder der Typ des Treiberverfahrens kann beispielsweise in einen verschiedenen geändert werden. Die Steuerungseinrichtung 17 kann zumindest drei Treibersignalmuster aufweisen und die Halbleiterschalter so steuern, dass sie einen vorbestimmten Ausgangsleistungs-Befehlswert Pout* schrittweise erreichen, unter Verwendung von zwei Treibersignalmustern, bei denen die Verhältnisse zwischen dem Energieübertragungszeitraum und dem Nicht-Energieübertragungszeitraum nahe beieinander sind, und zwar unter einer Mehrzahl von Treibersignalmuster, auf der Basis des Stroms ILdc, der von der Strom-Detektionseinrichtung 18 detektiert wird.
  • Wie oben beschrieben, bietet die Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 die gleichen Wirkungen wie bei der Ausführungsform 2. Außerdem weist die Energie-Empfangseinrichtung die Strom-Detektionseinrichtung 18 zum Detektieren des Stroms ILdc auf, der durch die DC-Induktivität 141 fließt, und die Spannungs-Detektionseinrichtung 19 zum Detektieren der Spannung Vout der Last 15, und die Ausgangsleistung wird unter Verwendung der Stromsteuerung gesteuert, so dass die Halbleiterschalter so gesteuert werden, dass der Strom ILdc der DC-Induktivität 141, der von der Strom-Detektionseinrichtung 18 detektiert wird, den Strombefehlswert ILdc* annimmt.
  • Indem der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13b schrittweise erhöht wird und eine Stromsteuerung bei einer Spannung nahe der Lastspannung Vout durchgeführt wird, kann daher die an die DC-Induktivität 141 angelegte Spannung und die Variation der angelegten Spannung verringert werden, und demzufolge wird es möglich, den Ausgangs-Stromrippel der Gleichrichterschaltung 13b zu verringern.
  • Die obige Ausführungsform 3 hat ein Beispiel gezeigt, in dem die Strom-Detektionseinrichtung 18 zum Detektieren des Stroms ILdc, der durch die DC-Induktivität 141 fließt, und die Spannungs-Detektionseinrichtung 19 zum Detektieren der Spannung Vout der Last 15 der 7 gemäß Ausführungsform 2 hinzugefügt sind. Die Strom-Detektionseinrichtung 18 zum Detektieren des Stroms ILdc, der durch die DC-Induktivität 141 fließt, und die Spannungs-Detektionseinrichtung 19 zum Detektieren der Spannung Vout der Last 15 können jedoch auch der 2 gemäß Ausführungsform 1 hinzugefügt werden. Auch bei der Ausführungsform 1 gilt Folgendes: Es ist möglich, Treibersignalmuster so vorzubereiten, dass der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13a schrittweise erhöht wird.
  • Indem der Durchschnittswert der Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung 13b schrittweise erhöht wird und eine Stromsteuerung bei einer Spannung nahe der Lastspannung Vout durchgeführt wird, kann die an die DC-Induktivität 141 angelegte Spannung und die Variation der angelegten Spannung verringert werden, und demzufolge wird es möglich, den Ausgangs-Stromrippel der Gleichrichterschaltung 13b zu verringern.
  • Ausführungsform 4
  • Nachfolgend wird eine Energie-Empfangseinrichtung eines drahtlosen Energie-Übertragungssystems gemäß Ausführungsform 4 beschrieben. Die Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4 wird auch auf das drahtlose Energie-Übertragungssystem angewendet, das in 1 gemäß Ausführungsform 1 gezeigt ist.
  • 13 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das die Konfiguration der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4 zeigt. Die Teile, die denjenigen in 1, 7, 10 entsprechen oder gleich sind, sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, und deren Beschreibung wird weggelassen. Bei der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4 ist ein bidirektionaler Schalter 20 zwischen die Energie-Empfangsschaltung 12 und eine Gleichrichterschaltung 13c geschaltet. Außerdem ist die Gleichrichterschaltung 13c, die ein Stromrichter ist, aus nur vier Dioden gebildet.
  • Die Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4 führt eine Ausgangsleistungssteuerung unter Verwendung des bidirektionalen Schalters 20 durch, so dass ein Energieübertragungszeitraum ausgebildet wird, wenn der bidirektionale Schalter 20 im Einschaltzustand ist, und ein Nicht-Energieübertragungszeitraum ausgebildet wird, wenn der bidirektionale Schalter 20 im Ausschaltzustand ist. Bei der Resonator-Konfiguration des drahtlosen Energie-Übertragungssystems, das als Spannungsquelle arbeitet, gilt Folgendes: Wenn der bidirektionale Schalter 20 im Ausschaltzustand ist, so ist ein Teil zwischen der Energie-Empfangsschaltung und dem Stromrichter kontaktunterbrochen, anstatt kurzgeschlossen zu sein, und demzufolge unterbrochen.
  • Im Ergebnis besteht kein Risiko eines Versagens bzw. einer Beschädigung von Elementen (wie z. B. Dioden), die den Stromrichter bilden, infolge von Überstrom und dergleichen. Das Ein-/Ausschalten des bidirektionalen Schalters 20wird im Nulldurchgang oder in der Nähe des Nulldurchgangs der Eingangsspannung V2 der Gleichrichterschaltung 13c durchgeführt. Demzufolge können die Schaltverluste des bidirektionalen Schalters 20 wie in den oben beschriebenen Ausführungsformen 1 bis 3 verringert werden.
  • Außerdem kann die Ausgangsleistung während eines Zeitraums gesteuert werden, in dem der bidirektionale Schalter im Einschaltzustand ist, und sie kann ungeachtet der Polarität der Eingangsspannung V2 auf die Gleichrichterschaltung 13c gesteuert werden. Daher kann die Wirkung erzielt werden, dass ein Programm für die Steuerungseinrichtung vereinfacht werden kann und die Berechnungslast auf der Steuerungseinrichtung verringert werden kann. Da außerdem die Gleichrichterschaltung 13c eine Vollbrücken-Dioden-Gleichrichterschaltung ist, kann eine Komponente angewendet werden, die als ein Modul ausgebildet ist, und demzufolge kann auch die Wirkung erzielt werden, dass die Schaltungsmontage vereinfacht wird.
  • 14A, 14B, 14C veranschaulichen Steuerungsverfahren mittels einer Leistungssteuerung in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 4. In 14A, 14B, 14C gilt Folgendes: Vom oberen Teil in jeder Zeichnung aus sind schematische Wellenformen der Eingangsspannung V2 in die Gleichrichterschaltung 13c, der Eingangsstrom in die Gleichrichterschaltung 13c und das Treibersignal für den bidirektionalen Schalter 20 gezeigt.
  • In 14A und 14C ist der Wiederholungszyklus des Treibersignals so vorgegeben, dass er gleich einem Dreizyklenzeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist, ein Energieübertragungszeitraum ist in nur einem Zyklus der drei Zyklen der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ausgebildet, und das Treibersignal für den bidirektionalen Schalter 20 ist so vorgegeben, dass der Durchschnittswert der Ausgangsspannung 1/3 des Werts im Maximalzustand annimmt (einem Zustand, in dem der bidirektionale Schalter konstant im Einschaltzustand ist). 14A und 14C entsprechen jeweils den Ausgangsleistungs-Steuerungen gemäß 6A und 6C gemäß Ausführungsform 1. Folglich kann auch bei der Ausführungsform 4 unter Verwendung des bidirektionalen Schalters 20 die gleiche Ausgangsleistungssteuerung wie gemäß Ausführungsform 1 durchgeführt werden.
  • 14B zeigt ein Beispiel, in dem eine Halbwelle der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 als eine einzige Einheit des Energieübertragungszeitraums PS verwendet wird, und der Wiederholungszeitraum des Treibersignals wird so vorgegeben, dass er ein 1,5-Zyklen-Zeitraum der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ist. Das Treibersignal für den bidirektionalen Schalter 20 ist so vorgegeben, dass der Durchschnittswert der Ausgangsspannung 1/3 des Werts im Maximalzustand annimmt, in einem Zustand, in dem der bidirektionale Schalter konstant im Einschaltzustand ist). 14B entspricht der Ausgangsleistungssteuerung gemäß 9B bei der Ausführungsform 2. Folglich kann auch bei der Ausführungsform 4 unter Verwendung des bidirektionalen Schalters 20 die gleiche Ausgangsleistungssteuerung wie bei der Ausführungsform 1 durchgeführt werden.
  • In 13 ist als eine Einrichtung zum Detektieren von Strom oder Spannung nur die Spannungs-Detektionseinrichtung 16 zum Detektieren der Ausgangsspannung V2 der Energie-Empfangsschaltung 12 ausgebildet. Es können jedoch die Spannungs-Detektionseinrichtung für die Last 15 und die Strom-Detektionseinrichtung für die DC-Induktivität 141, die im LC-Filter 14 enthalten ist, hinzugefügt werden, so dass es möglich ist, eine Leistungssteuerung mittels der Induktivitäts-Stromsteuerung durchzuführen, wie bei der Ausführungsform 3 gezeigt.
  • Wie oben beschrieben, ist in der Energie-Empfangseinrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform 4 der bidirektionale Schalter 20 zwischen der Energie-Empfangsschaltung 12 und der Gleichrichterschaltung 13c angeordnet, die ein Stromrichter ist, und sie wird so gesteuert, dass sie zwischen einem Energieübertragungszeitraum und einem Nicht-Energieübertragungszeitraum umschaltet. Folglich kann zusätzlich zu den Wirkungen bei den Ausführungsformen 1 bis 3 die Einrichtungs-Konfiguration vereinfacht werden, so dass die Wirkung einer Größenverringerung und Kostenverringerung erzielt werden.
  • Die Steuerungseinrichtung 17 ist aus einem Prozessor 170 und eine Speichereinrichtung 171 gebildet, wie in 15 gezeigt, die ein Hardware-Beispiel zeigt. Obwohl nicht gezeigt, ist die Speichereinrichtung mit einer flüchtigen Speichereinrichtung, wie z. B. Speicher mit wahlweisem Zugriff (RAM) und einer nichtflüchtigen Speichereinrichtung, wie z. B. Flash-Speicher ausgestattet. Anstelle von Flash-Speicher kann auch eine Hilfs-Speichereinrichtung einer Festplatte verwendet werden.
  • Der Prozessor 170 führt ein Programm aus, das von der Speichereinrichtung 171 eingegeben wird. In diesem Fall wird das Programm von der Hilfs-Speichereinrichtung in den Prozessor 170 über die flüchtige Speichereinrichtung eingegeben. Der Prozessor 170 kann Daten, wie z. B. ein Berechnungsergebnis an die flüchtige Speichereinrichtung der Speichereinrichtung 171 ausgeben, oder er kann solche Daten in der Hilfs-Speichereinrichtung über die flüchtige Speichereinrichtung speichern.
  • Obwohl die Erfindung oben in Form von verschiedenartigen beispielhaften Ausführungsformen und Implementierungen beschrieben ist, versteht es sich, dass die verschiedenartigen Merkmale, Aspekte und Funktionalitäten, die bei einer oder mehreren der einzelnen Ausführungsformen beschrieben sind, in deren Anwendbarkeit nicht auf die besondere Ausführungsform beschränkt sind, bei der sie beschrieben sind, sondern stattdessen auch - allein oder in verschiedenartigen Kombinationen - bei einer oder mehreren der Ausführungsformen der Erfindung verwendet werden können.
  • Es versteht sich daher, dass zahlreiche Modifikationen, die nicht beispielhaft beschrieben wurden, verwendet werden können, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann eine der Komponenten modifiziert, hinzugefügt oder weggelassen werden. Mindestens eine der Komponenten, die in zumindest einer der bevorzugten Ausführungsformen genannt sind, kann ausgewählt werden und mit den Komponenten kombiniert werden, die in einer anderen bevorzugten Ausführungsform genannt sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    drahtloses Energie-Übertragungssystem
    5
    AC-Energieversorgung
    10
    Energie-Empfangseinrichtung
    11
    Energie-Übertragungsschaltung
    12
    Energie-Empfangsschaltung
    13
    Stromrichter
    13a
    Gleichrichterschaltung
    13b
    Gleichrichterschaltung
    13c
    Gleichrichterschaltung
    14
    LC-Filter
    15
    Last
    16
    Spannungs-Detektionseinrichtung
    17
    Steuerungseinrichtung
    18
    Strom-Detektionseinrichtung
    19
    Spannungs-Detektionseinrichtung
    20
    bidirektionaler Schalter
    111
    Energieübertragungsspule
    112
    Kondensator auf der Energieübertragungsseite
    121
    Energie-Empfangsspule
    122
    Kondensator auf der Energieempfangsseite
    131
    Diode
    132
    Diode
    133
    Diode
    134
    Diode
    135a
    Gleichrichterschaltung
    135b
    Gleichrichterschaltung
    136a
    Gleichrichterschaltung
    136b
    Gleichrichterschaltung
    141
    DC-Induktivität
    142
    DC-Kondensator
    170
    Prozessor
    171
    Speichereinrichtung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2017 [0004]
    • JP 5000094 A [0004]

Claims (14)

  1. Energie-Empfangseinrichtung eines drahtlosen Energie-Übertragungssystems, wobei die Energie-Empfangseinrichtung Folgendes aufweist: - eine Energie-Empfangsschaltung, die eine Energie-Empfangsspule aufweist und AC-Energie empfängt, die von einer Energie-Übertragungsschaltung übertragen wird; - einen Stromrichter zum Umwandeln von AC-Leistung, die von der Energie-Empfangsschaltung empfangen wird, in DC-Leistung; - eine Spannungs-Detektionseinrichtung zum Detektieren der Ausgangsspannung der Energie-Empfangsschaltung; - zumindest einen Schalter zum Durchführen eines Schaltvorgangs zwischen einem leitenden Zustand und einem geöffneten Zustand einer Schaltung zwischen der Energie-Empfangsschaltung und dem Stromrichter; und - eine Steuerungseinrichtung zum Steuern des Schalters auf der Basis der Spannung, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung detektiert wird.
  2. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Zeitpunkt, wenn der Schalter zwischen EIN und AUS umgeschaltet wird, auf einen Zeitpunkt vorgegeben wird, wenn der Absolutwert der Spannung, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung detektiert wird, 20 % oder weniger von deren Maximalwert beträgt.
  3. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schalter ein Halbleiterschalter ist, der dem Stromrichter zugeordnet ist, und mittels der Steuerungseinrichtung, die eine EIN/AUS-Steuerung des Halbleiterschalters durchführt, ein Energieübertragungszeitraum, in dem die Energie-Empfangsschaltung und der Stromrichter miteinander leitfähig sind, und ein Nicht-Energieübertragungszeitraum, in dem die Energie-Empfangsschaltung und der Stromrichter voneinander kontaktunterbrochen sind, zwischeneinander umgeschaltet wird, so dass eine Steuerung der auszugebenden Leistung durchgeführt wird.
  4. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 3, wobei die Steuerungseinrichtung die Steuerung der auszugebenden Energie steuert, und zwar unter Verwendung des Verhältnisses zwischen dem Energieübertragungszeitraum und dem Nicht-Energieübertragungszeitraum pro Wiederholungszyklus des Ein-/Ausschaltens des Halbleiterschalters.
  5. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Stromrichter eine Vollbrückenschaltung mit vier Dioden ist, und die Halbleiterschalter jeweils in Reihe mit den Dioden geschaltet sind, und zwar entweder an den oberen Zweigen oder den unteren Zweigen, die die Vollbrückenschaltung bilden.
  6. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 4, wobei der Stromrichter eine Vollbrückenschaltung mit vier Dioden ist, und die Halbleiterschalter jeweils in Reihe mit den Dioden geschaltet sind, und zwar an einem der zwei Schenkel, die die Vollbrückenschaltung bilden.
  7. Energie-Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die Steuerungseinrichtung eine EIN/AUS-Steuerung des Halbleiterschalters durchführt, indem sie - als eine Einheit - eine Halbwelle der Spannung verwendet, die von der Spannungs-Detektionseinrichtung detektiert wird.
  8. Energie-Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, die ferner Folgendes aufweist: - ein LC-Filter, das eine Induktivität aufweist und mit dem Stromrichter verbunden ist, und - eine Strom-Detektionseinrichtung zum Detektieren des Stroms, der durch die Induktivität fließt, wobei die Steuerungseinrichtung den Halbleiterschalter so steuert, dass ein vorgegebener Ausgangsleistungs-Befehlswert erreicht wird, und zwar auf der Basis des detektierten Stroms.
  9. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 8, wobei die Steuerungseinrichtung zumindest drei oder mehr Treibersignalmuster zum Steuern des Halbleiterschalters aufweist, wobei sich die Treibersignalmuster im Verhältnis des Energieübertragungszeitraums pro Wiederholungszyklus des Ein-/Ausschaltens des Halbleiterschalters unterscheiden, und wobei die Steuerungseinrichtung den Halbleiterschalter so steuert, dass er den vorgegebenen Ausgangsleistungs-Befehlswert schrittweise erreicht, und zwar unter Verwendung von zwei Treibersignalmustern, bei denen die Verhältnisse zwischen dem Energieübertragungszeitraum und dem Nicht-Energieübertragungszeitraum unter der Mehrzahl von Treibersignalmustern nahe zueinander sind, auf der Basis eines Stromwerts, der von der Strom-Detektionseinrichtung detektiert wird.
  10. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schalter ein bidirektionaler Schalter ist, der zwischen der Energie-Empfangsschaltung und dem Stromrichter angeordnet ist, und mittels der Steuerungseinrichtung, die eine EIN/AUS-Steuerung des bidirektionalen Schalters durchführt, ein Energieübertragungszeitraum, in dem die Energie-Empfangsschaltung und der Stromrichter miteinander leitfähig sind, und ein Nicht-Energieübertragungszeitraum, in dem die Energie-Empfangsschaltung und der Stromrichter voneinander kontaktunterbrochen sind, zwischeneinander umgeschaltet wird, so dass eine Steuerung der auszugebenden Leistung durchgeführt wird.
  11. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 10, wobei die Steuerungseinrichtung die Steuerung der auszugebenden Energie steuert, und zwar unter Verwendung des Verhältnisses zwischen dem Energieübertragungszeitraum und dem Nicht-Energieübertragungszeitraum pro Wiederholungszyklus des Ein-/Ausschaltens des bidirektionalen Schalters.
  12. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 11, die ferner Folgendes aufweist: ein LC-Filter, das eine Induktivität aufweist und mit dem Stromrichter verbunden ist, und eine Strom-Detektionseinrichtung zum Detektieren des Stroms, der durch die Induktivität fließt, wobei die Steuerungseinrichtung den bidirektionalen Schalter so steuert, dass ein vorgegebener Ausgangsleistungs-Befehlswert erreicht wird, und zwar auf der Basis des detektierten Stroms.
  13. Energie-Empfangseinrichtung nach Anspruch 12, wobei die Steuerungseinrichtung zumindest drei oder mehr Treibersignalmuster zum Steuern des bidirektionalen Schalters aufweist, wobei sich die Treibersignalmuster im Verhältnis des Energieübertragungszeitraums pro Wiederholungszyklus des Ein-/Ausschaltens des bidirektionalen Schalters unterscheiden, und wobei die Steuerungseinrichtung den bidirektionalen Schalter so steuert, dass er den vorgegebenen Ausgangsleistungs-Befehlswert schrittweise erreicht, und zwar unter Verwendung von zwei Treibersignalmustern, bei denen die Verhältnisse zwischen dem Energieübertragungszeitraum und dem Nicht-Energieübertragungszeitraum unter der Mehrzahl von Treibersignalmustern nahe zueinander sind, auf der Basis eines Stromwerts, der von der Strom-Detektionseinrichtung detektiert wird.
  14. Drahtloses Energie-Übertragungssystem, das Folgendes aufweist: - eine Energie-Übertragungsschaltung, die mit einer Energiequelle verbunden ist und eine Energieübertragungsspule aufweist; und - eine Energie-Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei Energie von der Energie-Übertragungsschaltung an die Energie-Empfangseinrichtung auf kontaktlose Weise übertragen wird.
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