DE112021007006T5

DE112021007006T5 - Energieempfangseinrichtung und drahtloses energieübertragungssystem

Info

Publication number: DE112021007006T5
Application number: DE112021007006.1T
Authority: DE
Inventors: Hidehito YOSHIDA; Tomokazu Sakashita
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2021-02-05
Filing date: 2021-02-05
Publication date: 2023-12-07
Also published as: JP7309074B2; JPWO2022168272A1; CN116783795A; US20240055898A1; WO2022168272A1

Abstract

Eine Energieempfangseinrichtung und ein drahtloses Energieübertragungssystem, das diese aufweist, zur kontaktlosen Energieübertragung an eine Mehrzahl von beweglichen Körpern, werden angegeben, die eine stabile Energieübertragung ermöglichen, selbst wenn die Anzahl von Energieübertragungszielen schwankt. Die Energieempfangseinrichtung (100) ist für ein drahtloses Energieübertragungssystem (1), an welches elektrische Energie von einer Energieübertragungseinrichtung übertragen wird, die eine Energieübertragungsquelle (10) zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung und einen Energieübertragungsschwingkreis (11) mit einer Energieübertragungsspule (111) zum Erzeugen eines AC-Magnetflusses mittels Resonanz aufweist, wenn die Hochfrequenzspannung empfangen wird. Die Energieempfangseinrichtung (100) weist Folgendes auf: einen Energieempfangsschwingkreis (12) zum Empfangen des AC-Magnetflusses, der vom Energieübertragungsschwingkreis (11) übertragen wird, und Umwandeln des AC-Magnetflusses in AC-Energie; mindestens ein Kompensationselement (16a), das vorhanden ist zum Aufheben der Schwankung der Induktivität der Energieübertragungsspule (110), wobei die Schwankung einer Bewegung des Energieempfangsschwingkreises (12) an eine Position zuzuschreiben ist, wo elektrische Energie empfangen werden kann.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Energieempfangseinrichtung für ein drahtloses Energieübertragungssystem, das kontaktlose Energieübertragung und Energieempfang durchführt, und ein drahtloses Energieübertragungssystem, das die Energieempfangseinrichtung aufweist.
Stand der Technik
Drahtlose Energieübertragungs-Technologie, die eine kontaktlose elektrische Energieübertragung durch Magnetfeldkopplung zwischen zwei Spulen durchführt, die mit einem Zwischenraum getrennt sind, ist seit einiger Zeit bekannt. Als eine der Konfigurationen dieser Technologie gibt es ein drahtloses Energieübertragungssystem, das eine Energieübertragung von einer einzelnen Energieübertragungsspule an eine Mehrzahl von Energieempfangsspulen durchführt. In einer solchen Konfiguration muss die Energieübertragungsspule magnetisch mit einer Anzahl von Energieempfangsspulen koppeln. Daher hat im allgemeinen Energieübertragungsspule eine größere Größe als jede Energieempfangsspule. Außerdem sind viele der Zielanwendungen einer solchen Konfiguration jene zum Übertragen elektrischer Energie an bewegliche Körper. Bei solchen Anwendungen wird ein System zum Übertragen elektrischer Energie an die Energieempfangsspulen angenommen, die an den beweglichen Körper angeordnet sind, die sich entlang der Energieübertragungsspule bewegen. Daher variiert in einem Fall, in dem die Fläche, in der die Energieübertragungsspule angeordnet ist, nur einen Teil der bewegten Fläche der Energieempfangsspulen abdeckt, die Anzahl der Energieempfangsspulen, die elektrische Energie von der Energieübertragungsspule empfangen können, von Zeit zu Zeit. Die Variation bzw. Schwankung der Anzahl der Energieempfangsspulen, die der Energieübertragungsspule zugewandt sind, verursacht eine Variation der Schaltungskonstanten und folglich beim Betrieb der Schaltung, was zu Problemen wie z. B. einer unpassenden bzw. ungeeigneten Energieübertragung und Ineffizienz infolge der Zunahme der Blindleistung führt.
In Ansprechen auf das oben Beschriebene, ist eine Übertragungseinheit der drahtlosen Energieübertragungseinrichtung gemäß Patentdokument 1 beispielsweise mit zwei oder mehr Kondensatorschaltungsgruppen versehen, um den gewünschten Schaltungsbetrieb durchzuführen, indem die Schaltungsverbindung auf eine vorbestimmte Kondensatorschaltungsgruppe geschaltet wird, und zwar gemäß der Anzahl von beweglichen Körpern, die die Energieübertragungsziele sind. Auch weist in Patentdokument 2 ein kontaktloses Energieübertragungssystem eine Schaltung mit einem Kondensator und einem Schaltelement auf der Energieübertragungsseite des Systems auf, um einen gewünschten Schaltungsbetrieb zu erzielen, indem die Schaltung gesteuert wird und folglich eine kapazitive Reaktanzkomponente gesteuert wird.
Stand-der-Technik-Dokumente
Patentdokumente

Patentdokument 1 Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. JP 2018- 117 404 A
Patentdokument 2 Japanische ungeprüfte Patentanmeldungs-Veröffentlichung Nr. JP 2014- 93 829 A

Zusammenfassung der Erfindung
Mit der Erfindung zu lösende Probleme
Die Konfiguration mit einer Schaltung mit einem Kondensator auf der Energieübertragungsseite des drahtlosen Energieübertragungssystems zum Einstellen der elektrischen Leistung auf eine nötige Kapazität in Abhängigkeit der Anzahl von beweglichen Körpern, die eine Energieübertragung benötigen, erfordert jedoch die Detektion der Lastbedingungen auf der Energieempfangsseite und die Steuerung auf der Energieübertragungsseite, wie ein herkömmliches System auch. Zusätzlich zur Verkomplizierung des System erzeugt dies das Problem einer Ausgangsschwankung infolge der Verzögerung zwischen der Detektion der Lastschwankung und der Steuerung.
Die vorliegende Erfindung wurde konzipiert, um die oben erwähnten Probleme zu lösen und - in einem drahtlosen Energieübertragungssystem, das eine kontaktlose Energieübertragung für eine Mehrzahl von beweglichen Körpern durchführt - eine Energieempfangseinrichtung anzugeben, die eine stabile Energieübertragung ermöglicht, selbst wenn die Anzahl von Energieübertragungszielen schwankt, sowie ein drahtloses Energieübertragungssystem, das die Energieempfangseinrichtung aufweist.
Wege zum Lösen der Probleme
Eine Energieempfangseinrichtung für ein drahtloses Energieübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Energieempfangseinrichtung, an die elektrische Energie von einer Energieübertragungseinrichtung übertragen wird, die Folgendes aufweist: eine Energieübertragungsquelle zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung; und einen Energieübertragungsschwingkreis mit einer Energieübertragungsspule zum Erzeugen eines AC-Magnetflusses durch Resonanz, wenn die Hochfrequenzspannung empfangen wird. Die Energieempfangseinrichtung weist Folgendes auf: einen Energieempfangsschwingkreis zum Empfangen des AC-Magnetflusses, der vom Energieübertragungsschwingkreis übertragen wird, und Umwandeln des AC-Magnetflusses in AC-Energie; eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln der AC-Energie, die aus dem Energieempfangsschwingkreis ausgegeben wird, in DC-Energie; ein Filter zum Dämpfen einer Hochfrequenzkomponente, die in der Ausgabe aus der Gleichrichterschaltung enthalten ist; und mindestens ein Kompensationselement, das vorhanden ist zum Aufheben der Schwankung der Induktivität der Energieübertragungsspule, wobei die Schwankung einer Bewegung des Energieempfangsschwingkreises an eine Position zuzuschreiben ist, wo elektrische Energie empfangen werden kann.
Ein drahtloses Energieübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine Energieübertragungseinrichtung und eine Mehrzahl von Energieempfangseinrichtungen aufweist, wobei die Energieübertragungseinrichtung Folgendes aufweist: eine Energieübertragungsquelle zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung; und einen Energieübertragungsschwingkreis mit einer Energieübertragungsspule zum Erzeugen eines AC-Magnetflusses durch Resonanz, wenn die Hochfrequenzspannung empfangen wird, wobei die Energieempfangseinrichtungen jeweils Folgendes aufweisen: einen Energieempfangsschwingkreis zum Empfangen des AC-Magnetflusses, der vom Energieübertragungsschwingkreis übertragen wird, und Umwandeln des AC-Magnetflusses in AC-Energie; eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln der AC-Energie, die aus dem Energieempfangsschwingkreis ausgegeben wird, in DC-Energie; ein Filter zum Dämpfen einer Hochfrequenzkomponente, die in der Ausgabe aus der Gleichrichterschaltung enthalten ist; und mindestens ein Kompensationselement, das vorhanden ist zum Aufheben der Schwankung der Induktivität der Energieübertragungsspule, wobei die Schwankung einer Bewegung des Energieempfangsschwingkreises an eine Position zuzuschreiben ist, wo elektrische Energie empfangen werden kann.
Wirkungen der Erfindung
Die Energieempfangseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung weist ein Kompensationselement auf, das vorhanden ist, um eine Schwankung der Induktivität der Energieübertragungsspule zu versetzen bzw. auszugleichen, wobei die Schwankung einer Bewegung eines Energieempfangsschwingkreises an die Position zuzuschreiben ist, an der Energie empfangen werden kann. Dies erlaubt es, dass die Energieübertragung stabil ist, ungeachtet der Schwankung der Anzahl von Energieübertragungszielen im drahtlosen Energieübertragungssystem.
Das drahtlose Energieübertragungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Energieempfangseinrichtung auf, wobei ein Kompensationselement vorhanden ist, um eine Schwankung in der Induktivität der Energieübertragungsspule auszugleichen, wobei die Schwankung einer Bewegung eines Energieempfangsschwingkreises zu der Position zuzuschreiben ist, an der Energie empfangen werden kann. Dies erlaubt es, dass die Energieübertragung stabil ist, ungeachtet der Schwankung der Anzahl von Energieübertragungszielen im drahtlosen Energieübertragungssystem.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines drahtlosen Energieübertragungssystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel eines Energieübertragungsschwingkreises und eines Energieempfangsschwingkreises gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Ersatzschaltung eines Schwingkreisbereichs inklusive einem Kompensationselement der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
5 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel der Ersatzschaltung des Schwingkreisbereichs inklusive dem Kompensationselement gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm des drahtlosen Energieübertragungssystems mit einer Mehrzahl von Energieempfangseinrichtungen gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung.
7 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
8 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel der Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
9 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel der Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
10 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Ersatzschaltung eines Schwingkreisbereichs inklusive einem Kompensationselement der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt.
11 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
12 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
13 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel der Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.
14 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Ersatzschaltung eines Schwingkreisbereichs inklusive einem Kompensationselement der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt.

Ausführungsformen zum Ausführen der Erfindung
Nachfolgend werden Beispiele der Energieempfangseinrichtung des drahtlosen Energieübertragungssystems unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die Konfigurationen sind nicht beschränkt, es sei denn, sie gehen über deren Wesentliches hinaus. Es sei angemerkt, dass in den Ausführungsformen durchgehend identische oder ähnliche Komponenten mit den gleichen Symbolen gekennzeichnet sind.
Ausführungsform 1
1 ist ein Diagramm, das eine schematische Konfiguration eines drahtlosen Energieübertragungssystems gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 1 gezeigt, weist das drahtlose Energieübertragungssystem 1 beispielsweise Folgendes auf: eine Energieübertragungsquelle 10, einen Energieübertragungsschwingkreis 11, einen Energieempfangsschwingkreis 12, eine Gleichrichterschaltung 13, ein Filter 14, eine Last 15 und ein Kompensationselement 16a. Im drahtlosen Energieübertragungssystem 1 wird die elektrische Energie, die von der Energieübertragungsquelle 10 zugeführt wird, auf kontaktlose Weise vom Energieübertragungsschwingkreis 11 zum Energieempfangsschwingkreis 12 übertragen.
Die Gleichrichterschaltung 13 wandelt AC-Energie, die von der Energieempfangsschwingkreis 12 empfangen wird, in DC-Energie um. Das Filter 14 dämpft die AC-Komponente, die in der ausgegebenen elektrische Energie aus der Gleichrichterschaltung 13 enthalten ist, und die Last 15 nimmt die elektrische Energie auf oder speichert sie. Das Kompensationselement 16a ist parallel zwischen den Energieempfangsschwingkreis 12 und die Gleichrichterschaltung 13 geschaltet, um die Resonanzbedingungen der Energieübertragungsschwingkreis 11 konstant zu machen.
Die Energieübertragungsquelle 10 ist eine Energieversorgung, die einen Hochfrequenzstrom oder eine Frequenzstromspannung ausgibt. Die Energieübertragungsquelle 10 kann einen Stromrichter wie z. B. einen Wechselrichter und einen DC/DC-Konverter aufweisen, und deren Ausgabe-Wellenform kann eine Wellenform sein, die mehrere Frequenzkomponenten aufweist, wie z. B. eine Rechteckwellenform.
2 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel des Energieübertragungsschwingkreises und des Energieempfangsschwingkreises gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 2 gezeigt, weist der Energieübertragungsschwingkreis 11 eine Energieübertragungsspule 110 und mindestens einen energieübertragungsseitigen Resonanzkondensator 111 auf. Der Energieübertragungsschwingkreis 11 kann außerdem eine Resonanz-Drosselspule 112 neben der Energieübertragungsspule 110 aufweisen. Die Energieübertragungsspule 110 und der energieübertragungsseitige Resonanzkondensator 111 sind so entworfen, dass sie die Resonanzbedingungen bei der Ausgangsfrequenz der Energieübertragungsquelle 10 erfüllen. In einem Fall, in dem die Ausgabe-Wellenform der Energieübertragungsquelle 10 eine Wellenform ist, die eine harmonische Komponente enthält, wie z. B. eine Rechteckwellenform, wird der Schaltungsentwurf im Allgemeinen so ausgeführt, dass der Energieübertragungsschwingkreis 11 die Resonanzbedingungen für die Grundwellenkomponente der Ausgabe-Wellenform erfüllt, aber er kann auch alternativ so ausgeführt werden, dass der Energieübertragungsschwingkreis 11 für die harmonische Komponente der Ausgabe-Wellenform in Resonanz ist. Der Pfad des Resonanzstroms, der im Energieübertragungsschwingkreis 11 fließt, ist derselbe, während das drahtlose Energieübertragungssystem 1 in Betrieb ist. Es sei hier angemerkt, dass der Energieübertragungsschwingkreis 11, der in 2 gezeigt ist, eine von verschiedenen Schwingkreis-Konfigurationen zeigt und die Konfiguration des Energieübertragungsschwingkreises 11 nicht beschränkt.
Wie in 2 gezeigt, weist der Energieempfangsschwingkreis 12 eine Energieempfangsspule 120 und mindestens einen energieempfangsseitigen Resonanzkondensator 121 auf. Der Energieempfangsschwingkreis 12 kann ferner eine Resonanz-Drosselspule neben der Energieempfangsspule 120 aufweisen. Die Energieempfangsspule 120 und der energieempfangsseitige Resonanzkondensator 121 sind so entworfen, dass sie die Resonanzbedingungen bei der Ausgangsfrequenz der Energieübertragungsquelle 10 erfüllen. Die Energieübertragungsspule 110 und der energieübertragungsseitige Resonanzkondensator 111 sind so entworfen, dass sie die Resonanzbedingungen bei der Ausgangsfrequenz der Energieübertragungsquelle 10 erfüllen. In einem Fall, in dem die Ausgabe-Wellenform der Energieübertragungsquelle 10 eine Wellenform ist, die eine harmonische Komponente enthält, wie z. B. eine Rechteckwellenform, wird der Schaltungsentwurf im Allgemeinen so ausgeführt, dass der Energieempfangsschwingkreis 12 die Resonanzbedingungen für die Grundwellenkomponente der Ausgabe-Wellenform erfüllt, aber er kann auch alternativ so ausgeführt werden, dass der Energieempfangsschwingkreis 12 für die harmonische Komponente der Ausgabe-Wellenform in Resonanz ist. Hier weist der Energieempfangsschwingkreis 12, der in 2 gezeigt ist, die Energieempfangsspule 120 und einen Resonanzkondensator 121 auf, der dazu in Reihe geschaltet ist, aber diese Konfiguration bezeichnet nur ein Beispiel verschiedener Schwingkreis-Konfigurationen und beschränkt die Konfiguration der Schwingkreise nicht.
3 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 3 gezeigt, weist eine Energieempfangseinrichtung 100 den Energieempfangsschwingkreis 12, die Gleichrichterschaltung 13, das Filter 14, die Last 15 und das Kompensationselement 16a auf. Die Gleichrichterschaltung 13 weist eine Konfiguration auf, bei der beispielsweise vier Diodenelemente in einer Vollbrückenschaltung geschaltet sind, und empfängt die AC-Energie, die aus der Energieempfangsschwingkreis 12 ausgegeben wird, um DC-Energie auszugeben. Das Filter 14 ist beispielsweise ein C-Filter, das aus einem Kondensator gebildet ist, zum Dämpfen der Hochfrequenzkomponenten, die in der Spannung und dem Strom enthalten sind, die aus der Gleichrichterschaltung 13 ausgegeben werden, das Filter 14 kann unterschiedliche Filterkonfigurationen aufweisen, wie z. B. diejenige eines LC-Filters, das aus einem Kondensator und einer Drosselspule gebildet ist, und zwar in Abhängigkeit von der Systemkonfiguration. Die Last 15 ist beispielsweise ein Motor, der elektrische Energie aufnimmt, oder eine Batterie, die elektrische Energie speichert. Die Konfiguration kann einen Stromrichter zum Regulieren der Lastspannung aufweisen.
Das Kompensationselement 16a ist beispielsweise eine Drosselspule, die parallel zwischen den Energieempfangsschwingkreis 12 und die Gleichrichterschaltung 13 geschaltet ist, um den Wert der Induktivitätszunahme in der Energieübertragungsspule 110 zu kompensieren. 2 zeigt ein Beispiel, wobei eine Drosselspule als das Kompensationselement 16a verbunden ist, aber dies bedeutet keine Beschränkung eines Reaktanzelements. Alternativ kann ein Kondensator, der als das Kompensationselement 16a verbunden ist, den Wert der Induktivitätsabnahme in der Energieübertragungsspule 110 kompensieren.
4 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Ersatzschaltung eines Schwingkreisbereichs inklusive einem Kompensationselement der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. In 4 bezeichnet eine erhöhte Induktivität 113 eine Induktivität, die infolge des Einflusses der Energieempfangsspule 120 erhöht ist, wenn die Energieübertragungsspule 110 und die Energieempfangsspule 120 deren jeweilige Positionen einnehmen, die eine Energieübertragung von der erstgenannten zur letztgenannten erlauben. Die erhöhte Induktivität 113 ist keine konkrete Komponente, die bewusst mit der Schaltung verbunden ist, sondern eine Darstellung einer Reaktanzkomponente, die auftritt, wenn die Energieübertragungsspule 110 und die Energieempfangsspule 120 in physischer Nähe zueinander sind und dann in magnetischer Kopplung. Da die Kapazität des Resonanzkondensators (nicht dargestellt), der im Energieübertragungsschwingkreis 11 enthalten ist, nicht schwankt, würde indessen die Resonanzfrequenz des Energieübertragungsschwingkreises 11 beim Nichtvorhandensein des Einflusses des Kompensationselements 16a schwanken.
4(b) zeigt eine Ersatzschaltung der in 4(a) gezeigten Schaltung, wobei das Kompensationselement 16a in 4(a) als eine kapazitive Reaktanz 16b betrachtet werden kann, die äquivalent in Reihe mit der Energieübertragungsspule 110 geschaltet ist. Das Kompensationselement 16a in 4(a) ist so entworfen, dass die kombinierte Impedanz aus der kapazitiven Reaktanz 16b und der erhöhten Induktivität 113 in 4(b) bei der Resonanzfrequenz null ist. Durch einen solchen Entwurf kann der Einfluss der erhöhten Induktivität 113 beseitigt werden, und die Schwankung der Resonanzfrequenz kann unterdrückt werden. In 4(b) treten die erhöhte Induktivität 113 und die kapazitive Reaktanz 16b beide in einem Zustand auf, in dem die Energieempfangsspule 120 und die Energieübertragungsspule 110 magnetisch gekoppelt sind. Daher gilt Folgendes: Wenn die Energieempfangsspule 120 an einer Position ist, wo sie sich außerhalb der magnetischen Kopplung befindet und folglich keine elektrische Energie empfangen kann, zeigt die Energieübertragungsspule 110 ihren vorbestimmten Entwurfswert, da es keinen Einfluss der erhöhten Induktivität 113 und der kapazitiven Reaktanz 16b gibt.
Wie oben beschrieben, heben in einem Zustand, in dem die Energieübertragung möglich ist, die erhöhte Induktivität 113 und das Kompensationselement 16b einander auf, und in einem Zustand, in dem die Energieübertragung unmöglich ist, verschwinden die Einflüsse der erhöhten Induktivität 113 und des Kompensationselements 16b beide. Im Ergebnis ist in jedem Zustand nur die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 wirksam, so dass die Schwankung der Resonanzbedingungen des Energieübertragungsschwingkreiss 11 unterdrückt werden können.
5 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Ersatzschaltung eines Schwingkreisbereichs inklusive einem Kompensationselement der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung zeigt. In 5 bezeichnet ein zusätzlicher Kondensator 114 eine Induktivität, die infolge des Einflusses der Energieempfangsspule 120 verringert ist, wenn die Energieübertragungsspule 110 und die Energieempfangsspule 120 deren jeweilige Positionen einnehmen, die eine Energieübertragung von der erstgenannten zur letztgenannten erlauben. Der zusätzlich Kondensator 114 ist keine konkrete Komponente, die bewusst mit der Schaltung verbunden ist, sondern eine Darstellung einer Reaktanzkomponente, die auftritt, wenn die Energieübertragungsspule 110 und die Energieempfangsspule 120 in physischer Nähe zueinander sind. Da die Kapazität des Resonanzkondensators (nicht dargestellt), der im Energieübertragungsschwingkreis 11 enthalten ist, nicht schwankt, würde indessen die Resonanzfrequenz des Energieübertragungsschwingkreises 11 beim Nichtvorhandensein des Einflusses des Kompensationselements 16a schwanken.
5(b) zeigt eine Ersatzschaltung der in 5(a) gezeigten Schaltung, wobei das Kompensationselement 16a in 5(a) als eine induktive Reaktanz 16b betrachtet werden kann, die äquivalent in Reihe mit der Energieübertragungsspule 110 geschaltet ist. Das Kompensationselement 16a in 5(a) ist so entworfen, dass die kombinierte Impedanz aus der induktiven Reaktanz 16b und des zusätzlichen Kondensators 114 in 5(b) bei der Resonanzfrequenz null ist. Durch einen derartigen Entwurf kann der Einfluss des zusätzlichen Kondensators 114 eliminiert werden, und die Schwankung der Resonanzfrequenz kann unterdrückt werden. In 5(b) treten der zusätzliche Kondensator 114 und die induktive Reaktanz 16b beide in einem Zustand auf, in dem die Energieempfangsspule 120 und die Energieübertragungsspule 110 in physischer Nähe zueinander sind. Daher gilt Folgendes: Wenn die Energieempfangsspule 120 an einer Position ist, wo sie sich außerhalb der physischen Nähe befindet und folglich keine elektrische Energie empfangen kann, zeigt die Energieübertragungsspule 110 ihren vorbestimmten Entwurfswert, da es keinen Einfluss des zusätzlichen Kondensators 114 und der induktiven Reaktanz 16b gibt.
Wie oben beschrieben, heben in einem Zustand, in dem die Energieübertragung möglich ist, der zusätzliche Kondensator 114 und das Kompensationselement 16b einander auf, und in einem Zustand, in dem die Energieübertragung unmöglich ist, verschwinden die Einflüsse des zusätzlichen Kondensators 114 und des Kompensationselements 16b beide. Im Ergebnis ist in jedem Zustand nur die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 wirksam, so dass die Schwankung der Resonanzbedingungen des Energieübertragungsschwingkreiss 11 unterdrückt werden können.
Obwohl im Folgenden nur eine Beschreibung der Fälle erfolgt, in denen angenommen wird, dass die erhöhte Induktivität 113 in Reihe zur Energieübertragungsspule 110 geschaltet ist, wenn die Energieübertragungsspule 110 und die Energieempfangsspule 120 in die Nähe kommen, beschränkt dies den Umfang der Wirkung der vorliegenden Erfindung nicht, da es möglich ist - wie oben erwähnt - die Wirkung der vorliegenden Erfindung selbst dann zu erhalten, wenn der zusätzliche Kondensator 114 mit der Energieübertragungsspule 110 verbunden ist.
6 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm des drahtlosen Energieübertragungssystems mit einer Mehrzahl von Energieempfangseinrichtungen gemäß Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung. Komponenten mit der gleichen Funktionalität wie in 1 sind mit den gleichen Symbolen gekennzeichnet. Wie in 6 gezeigt, gilt Folgendes: Angenommen, dass N Energieempfangseinrichtungen 100 vorhanden sind, dann ist die Konfiguration mit N Energieempfangsspulen 120, die sich bei der Energieübertragungsspule 110 befinden, äquivalent zu der Konfiguration einer Schaltung mit N erhöhten Induktivitäten 113, die mit der Energieübertragungsspule 110 verbunden sind. Sei die Induktivität jeder erhöhten Induktivität 113 ΔL1, dann wird die gesamte Schwankung der Induktivität der Energieübertragungsspule 110 infolge des Einflusses der Energieempfangsspulen 120 ausgedrückt als N x ΔL1.
In der Energieempfangseinrichtung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung ist indessen jedes Kompensationselement 16b äquivalent in Reihe mit der Energieübertragungsspule 110 geschaltet, so dass die Anzahl von Verbindungen N beträgt, was gleich der Anzahl der Energieempfangseinrichtungen 100 ist. Jedes Kompensationselement 16b ist so entworfen, dass es mit ΔL1 bei der Resonanzfrequenz aufhebt, und folglich hebt die Zunahme der Induktivität der Energieübertragungsspule 110, die N × ΔL1 beträgt, mit den N Kompensationselementen 16b auf. Selbst wenn die Anzahl der Energieempfangseinrichtungen 100 zunimmt, kann die Zunahme der Induktivität der Energieübertragungsspule 110 gesteuert werden, so dass die Resonanzbedingungen des Energieübertragungsschwingkreises 11 erfüllt werden können.
Jede der erhöhten Induktivitäten 113 ist so etwas wie ein energieübertragungsseitiger Resonanzkondensator, und die Kapazität des energieübertragungsseitigen Resonanzkondensators ist konstant, und zwar ungeachtet der Anzahl der Energieempfangseinrichtungen 100, die an den Positionen vorhanden sind, um elektrische Energie zu empfangen, da die Zunahme der Induktivität der Energieübertragungsspule unterdrückt wird. Hier bedeutet „konstant“ „ungefähr konstant“, und es wird angenommen, dass es einige Fehler enthält.
Wie oben beschrieben gilt gemäß der Energieempfangseinrichtung 100 der vorliegenden Erfindung Folgendes: Die Kompensationselemente 16a, parallel geschaltet zwischen die Energieempfangsschwingkreise 12 und die Gleichrichterschaltungen 13, heben, wenn elektrische Energie zugeführt wird, die Reaktanzkomponente der erhöhten Induktivitäten 113 oder der zusätzlichen Kondensatoren 114 auf, die äquivalent auf der Energieübertragungsseite verbunden sind, so dass die Resonanzbedingungen der Energieübertragungsschwingkreis 11 erfüllt werden können, ungeachtet der Anzahl der Energieempfangseinrichtungen, denen elektrische Energie zugeführt wird. In dieser Konfiguration wirken die Kompensationselemente 16a gemäß der Anzahl der Energieempfangseinrichtung 100, so dass es keine Notwendigkeit für eine Einrichtung zum Detektieren der Anzahl von Energieempfangseinrichtungen 100 gibt und folglich für eine Einrichtung zum Steuern von Schaltern auf der Energieübertragungsseite gemäß den Detektionsergebnissen. Dies verhindert es, dass das System kompliziert wird, und beseitigt die Notwendigkeit von Spannungs-/Stromsensoren zum Detektieren der Anzahl von Energieempfangseinrichtungen 100 und zum Steuern von Komponenten wie z. B. Schaltern.
Ausführungsform 2
7 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Obwohl beide Enden eines Kompensationselements 16c, das in 7 gezeigt ist, kurzgeschlossen sind, kann die Impedanz angepasst werden, indem ein Reaktanzelement wie z. B. eine Drosselspule oder ein Kondensator verbunden wird. In der Energieempfangseinrichtung 200 gemäß Ausführungsform 2 ist das Kompensationselement 16c mit der Schaltung als eine Drosselspule verbunden, die magnetisch mit der Energieübertragungsspule 110 gekoppelt ist. Die Energieempfangseinrichtung 200 gemäß Ausführungsform 2 wird auch auf das drahtlose Energieübertragungssystem angewendet, das in Ausführungsform 1 gezeigt ist. Die folgende Beschreibung wird den Fokus auf die Punkte legen, die sich von Ausführungsform 1 unterscheiden, und ähnliche Punkte werden weggelassen, wenn angemessen. Die gleichen oder äquivalente Bereiche wie jene in 3 sind mit den gleichen Symbolen gekennzeichnet, und deren Beschreibung wird hier weggelassen.
8 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel der Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wenn erwartet wird, dass die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 infolge des Einflusses der Energieempfangsspule 120 zunehmen wird, dann ist es in der Energieempfangseinrichtung 200 möglich, das Kompensationselement 16c als eine induktive Reaktanzkomponente wirken zu lassen, indem eine Reaktanz 130 verbunden wird, wie in 8 gezeigt.
9 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel der Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wenn erwartet wird, dass die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 infolge des Einflusses der Energieempfangsspule 120 abnehmen wird, dann ist es möglich, das Kompensationselement 16c als eine kapazitive Reaktanzkomponente wirken zu lassen, indem ein Kondensator 140 verbunden wird, wie in 9 gezeigt.
10 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Ersatzschaltung eines Schwingkreisbereichs inklusive einem Kompensationselement der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung zeigt. In der Energieempfangsschaltung gemäß Ausführungsform 2, die in 10 gezeigt ist, wird die erhöhte Induktivität 113 kompensiert, indem eine Streuinduktivitätskomponente des Kompensationselements 16c verwendet wird. Daher muss der Kopplungskoeffizient zwischen der Energieübertragungsspule 110 und dem Kompensationselement 16c kleiner als 1 sein.
Wenn das Kompensationselement 16c eine Streuinduktivität hat, ist die Schaltungskonfiguration eine Konfiguration, bei der die Streuinduktivität parallel zum Energieempfangsschwingkreis 12 geschaltet ist. 10(b) zeigt eine Ersatzschaltung, bei der das Kompensationselement 16c durch eine Reaktanzkomponente auf der Seite des Energieübertragungsschwingkreises 11 ersetzt ist, wobei eine kapazitive Reaktanz 16d in Reihe zur Energieübertragungsspule 110 geschaltet gezeigt ist. Dies erzeugt die Wirkung, dass die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 verringert wird, wie diejenige, die sich in der Energieempfangseinrichtung 100 gemäß Ausführungsform 1 zeigt. Indem das Kompensationselement 16c so entworfen wird, dass die erhöhte Induktivität 113 und die kapazitive Reaktanz 16d einander aufheben, kann daher eine Wirkung ähnlich derjenigen erhalten werden, die in Ausführungsform 1 erhalten wird.
Auch in der Energieempfangseinrichtung 200 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist das Kompensationselement 16c mit der Schaltung verbunden, und zwar als eine Drosselspule, die magnetisch mit der Energieübertragungsspule 110 gekoppelt ist. In Ausführungsform 1 fließt der Kompensationsstrom durch die Energieempfangsspule 120, das Kompensationselement 16a und den Resonanzkondensator 121, da der Fluss über das Energieempfangsschwingkreis 12 und das Kompensationselement 16a verläuft. Im Gegensatz dazu fließt in der Konfiguration aus Ausführungsform 2 der Kompensationsstrom nur durch das Kompensationselement 16c, so dass die Verluste infolge des Flusses des Kompensationsstroms unterdrückt werden können.
Ausführungsform 3
11 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Schaltungskonfiguration einer Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Eine Energieempfangseinrichtung 300 gemäß Ausführungsform 3 hat eine Konfiguration, die eine Mehrzahl von Kompensationselemente aufweist, wobei ein erstes Kompensationselement 16a parallel zwischen den Energieempfangsschwingkreis 12 und die Gleichrichterschaltung 13 geschaltet ist und ein zweites Kompensationselement 16c mit der Schaltung als eine Drosselspule verbunden ist, die magnetisch mit der Energieübertragungsspule gekoppelt ist. Die Energieempfangseinrichtung 300 gemäß Ausführungsform 3 wird auch auf das drahtlose Energieübertragungssystem angewendet, das in Ausführungsform 1 gezeigt ist. Die folgende Beschreibung wird den Fokus auf die Punkte legen, die sich von Ausführungsform 1 unterscheiden, und ähnliche Punkte werden weggelassen, wenn angemessen. Die gleichen oder äquivalente Bereiche wie jene in 3 sind mit den gleichen Symbolen gekennzeichnet, und deren Beschreibung wird hier weggelassen.
Obwohl beide Enden des zweiten Kompensationselements 16c, das in 11 gezeigt ist, kurzgeschlossen sind, kann die Impedanz angepasst werden, indem ein Reaktanzelement wie z. B. eine Drosselspule oder ein Kondensator verbunden wird.
12 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein Beispiel einer Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 12 gezeigt, gilt Folgendes: Wenn erwartet wird, dass die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 durch den Einfluss der Energieempfangsspule 120 zunimmt, kann das Kompensationselement 16c als eine induktive Reaktanzkomponente wirken, indem die Reaktanz 130 in der Konfiguration der Energieempfangseinrichtung 300 verbunden wird.
13 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das ein weiteres Beispiel der Schaltungskonfiguration der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 13 gezeigt, gilt Folgendes: Wenn erwartet wird, dass die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 durch den Einfluss der Energieempfangsspule 120 verringert wird, kann das zweite Kompensationselement 16c als eine kapazitive Reaktanzkomponente wirken, indem der Kondensator 140 verbunden wird.
14 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm, das eine Ersatzschaltung eines Schwingkreisbereichs inklusive einem Kompensationselement der Energieempfangseinrichtung gemäß Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung zeigt. Wie in 14(a) gezeigt, hat die Energieempfangsschaltung gemäß Ausführungsform 3 eine Konfiguration, bei der sowohl das erste Kompensationselement 16a, als auch das zweite Kompensationselement 16c verbunden sind. 14(b) zeigt eine Ersatzschaltung, bei der das erste Kompensationselement 16a und das zweite Kompensationselement 16c als Reaktanzkomponenten auf Seiten des Energieübertragungsschwingkreises 11 dargestellt sind, wobei eine erste kapazitive Reaktanz 16b und eine zweite kapazitive Reaktanz 16d in Reihe zur Energieübertragungsspule 110 geschaltet gezeigt sind. Die erste kapazitive Reaktanz 16b und die zweite kapazitive Reaktanz 16d haben Wirkungen, wonach die Induktivität der Energieübertragungsspule 110 verringert wird. Folglich kann die gleiche Wirkung wie diejenige in Ausführungsform 1 erhalten werden, indem das Kompensationselement 16a und das Kompensationselement 16c derart entworfen werden, dass die kombinierte Impedanz aus der ersten kapazitiven Reaktanz 16b und der zweiten kapazitiven Reaktanz 16d die erhöhte Induktivität 113 aufheben.
Indem sie mit dem ersten Kompensationselement 16a und dem zweiten Kompensationselement 16c versehen ist, teilt die Energieempfangseinrichtung 300 gemäß Ausführungsform 3 außerdem den Kompensationsstrompfad in zwei Pfade, so dass die Kompensationsströme in die zwei Kompensationselemente hinein fließen. Die Verluste infolge des Widerstands, der von dem Strom erzeugt wird, werden auf der Basis des Quadratischen des Stromwerts berechnet. Daher verringert ein Teilen des Stroms in die zwei Pfade die Maximalwerte der Ströme, was zu einer Verringerung der Verluste führt, die mit den Kompensationsströmen verbunden sind.
Die vorliegende Erfindung erlaubt innerhalb ihres Umfangs jegliche Kombination, Modifikation, oder Auslassung des Inhalts der Ausführungsformen, wie angemessen.
Bezugszeichenliste

1: drahtloses Energieübertragungssystem
10: Energieübertragungsquelle
11: Energieübertragungsschwingkreis
12: Energieempfangsschwingkreis
13: Gleichrichterschaltung
14: Filter
15: Last
110: Energieübertragungsspule
120: Energieempfangsspule
121: energieempfangsseitiger Resonanzkondensator
16a, 16c: Kompensationselement
100, 200, 300: Energieempfangseinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2018117404 A [0003]
JP 201493829 A [0003]

Claims

Energieempfangseinrichtung für ein drahtloses Energieübertragungssystem, wobei der Energieempfangseinrichtung elektrische Energie von einer Energieübertragungseinrichtung übertragen wird, die eine Energieübertragungsquelle, um eine Hochfrequenzspannung zu erzeugen, und einen Energieübertragungsschwingkreis mit einer Energieübertragungsspule aufweist, um einen AC-Magnetfluss durch Resonanz zu erzeugen, wenn die Hochfrequenzspannung empfangen wird, wobei die Energieempfangseinrichtung Folgendes aufweist: einen Energieempfangsschwingkreis zum Empfangen des AC-Magnetflusses, der vom Energieübertragungsschwingkreis übertragen wird, und Umwandeln des AC-Magnetflusses in AC-Energie; eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln der AC-Energie, die aus dem Energieempfangsschwingkreis ausgegeben wird, in DC-Energie; einen Filter zum Dämpfen einer Hochfrequenzkomponente, die in der Ausgabe aus der Gleichrichterschaltung enthalten ist; und mindestens ein Kompensationselement, das angeordnet ist zum Aufheben der Schwankung der Induktivität der Energieübertragungsspule, wobei die Schwankung einer Bewegung des Energieempfangsschwingkreises an eine Position zuzuschreiben ist, wo elektrische Energie empfangen werden kann.
Energieempfangseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Kompensationselement ein Reaktanzelement ist, das parallel zwischen den Energieempfangsschwingkreis und die Gleichrichterschaltung geschaltet ist.
Energieempfangseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Kompensationselement eine Drosselspule ist, die magnetisch mit der Energieübertragungsspule gekoppelt ist.
Energieempfangseinrichtung nach Anspruch 3, wobei ein Reaktanzelement mit der Drosselspule verbunden ist.
Energieempfangseinrichtung nach Anspruch 1, wobei das mindestens eine Kompensationselement ein erstes Kompensationselement, das ein Reaktanzelement ist, das parallel zwischen den Energieempfangsschwingkreis und die Gleichrichterschaltung geschaltet ist, und ein zweites Kompensationselement aufweist, das eine Drosselspule ist, die magnetisch mit der Energieübertragungsspule gekoppelt ist.
Energieempfangseinrichtung nach Anspruch 5, wobei ein anderes Reaktanzelement mit dem zweiten Kompensationselement verbunden ist, das die Drosselspule ist, die magnetisch mit der Energieübertragungsspule gekoppelt ist.
Drahtloses Energieübertragungssystem, das eine Energieübertragungseinrichtung und eine Mehrzahl von Energieempfangseinrichtungen aufweist, wobei die Energieübertragungseinrichtung Folgendes aufweist: eine Energieübertragungsquelle zum Erzeugen einer Hochfrequenzspannung; und einen Energieübertragungsschwingkreis mit einer Energieübertragungsspule zum Erzeugen eines AC-Magnetflusses durch Resonanz, wenn die Hochfrequenzspannung empfangen wird, wobei die Energieempfangseinrichtungen jeweils Folgendes aufweisen: einen Energieempfangsschwingkreis zum Empfangen des AC-Magnetflusses, der vom Energieübertragungsschwingkreis übertragen wird, und Umwandeln des AC-Magnetflusses in AC-Energie; eine Gleichrichterschaltung zum Umwandeln der AC-Energie, die aus dem Energieempfangsschwingkreis ausgegeben wird, in DC-Energie; einen Filter zum Dämpfen einer Hochfrequenzkomponente, die in der Ausgabe aus der Gleichrichterschaltung enthalten ist; und mindestens ein Kompensationselement, das angeordnet ist zum Aufheben der Schwankung der Induktivität der Energieübertragungsspule, wobei die Schwankung einer Bewegung des Energieempfangsschwingkreises an eine Position zuzuschreiben ist, wo elektrische Energie empfangen werden kann.
Drahtloses Energieübertragungssystem nach Anspruch 7, wobei der Energieübertragungsschwingkreis mindestens einen energieübertragungsseitigen Resonanzkondensator aufweist und die Kapazität des mindestens einen energieübertragungsseitigen Resonanzkondensators konstant ist, und zwar ungeachtet der Anzahl von Energieempfangseinrichtungen, die an Positionen zum Empfangen elektrischer Energie vorhanden sind.
Drahtloses Energieübertragungssystem nach Anspruch 7, wobei ein Pfad eines Resonanzstroms, der im Energieübertragungsschwingkreis fließt, derselbe ist, während das System in Betrieb ist.