非接觸供電設備、非接觸受電裝置以及非接觸供電系統的製作方法

2023-09-18 09:04:50

專利名稱：非接觸供電設備、非接觸受電裝置以及非接觸供電系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及非接觸供電設備、非接觸受電裝置以及非接觸供電系統，特別涉及通過經由電磁場使分別設置在供電設備以及從供電設備受電的受電裝置的共振器共振，以非接觸的方式向受電裝置進行供電的非接觸供電設備、非接觸受電裝置以及非接觸供電系統。
背景技術：
作為考慮環境的車輛，電動汽車和混合動力汽車等電動車輛受人注目。這些車輛搭載產生行駛驅動力的電動機以及蓄積向該電動機供給的電力的可再充電蓄電裝置。混合動力汽車是除了電動機還搭載了內燃機作為動力源的汽車、除了蓄電裝置還搭載了燃料電池作為車輛驅動用的直流電源的汽車。即使在混合動力汽車中，與電動汽車相同，已知能夠從車輛外部的電源對車載的蓄電裝置進行充電的車輛。例如，已知通過利用充電電纜連接設置在房屋的電源插座和設置在車輛的充電口，能夠從一般家庭的電源對蓄電裝置進行充電的、即「插電式混合動力汽車」。另一方面，作為送電方法，不使用電原始碼和送電電纜的無線送電近年來受人注目。作為該無線送電技術，作為有力的技術，已知使用了電磁感應的送電、使用了微波的送電、以及利用共振法進行送電的3個技術。其中，共振法是使一對共振器(例如一對自諧振線圈)在電磁場(接近場)中共振，經由電磁場送電的非接觸的送電技術，能夠使數kw的大電力比較長距離地(例如數m) 送電(例如，參照專利文獻1和/或非專利文獻1)。專利文獻專利文獻1 國際公開第2007/008646號冊非專利文獻非專利文獻Andre Kurs et al.、「Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances」、[online]、2007 年 7 月 6 日、SCIENCE、第 317 卷、ρ· 83-86、 [日本平成 2007 年8 月 17 日檢索]、網際網路

發明內容
在將使用了共振法的非接觸供電應用於電動車輛等的實際系統的情況下，控制系統的簡化成為課題。例如，若不在供電設備和受電裝置(例如從供電設備接受供電的車輛) 之間進行通信就能在供電設備中判斷受電裝置的存在或者與受電裝置之間的距離，則可以不需要進行供電設備和受電裝置之間的通信控制。但是，在上述文獻中，未對那樣的課題進行特別地檢討。因此，本發明的目的在於提供一種能夠使控制系統簡單化的非接觸供電設備、非接觸受電裝置以及非接觸供電系統。根據本發明，非接觸供電設備具備送電用共振器、電源裝置、以及控制裝置。送電用共振器，通過經由電磁場與受電裝置的受電用共振器共振，以非接觸的方式向受電裝置送電。電源裝置，與送電用共振器連接，產生預定的高頻電壓。控制裝置，通過控制電源裝置，控制從送電用共振器向受電用共振器的供電。此處，控制裝置，基於根據送電用共振器與受電用共振器之間的距離變化的、從送電用共振器的輸入部來看受電用共振器的阻抗的頻率特性，執行供電控制。阻抗由於能夠利用下述公式變換成Sll參數，因此以下，記述為利用Sll參數來代替阻抗，執行供電控制。Sll = (Zl-ZO)/(Z1+Z0). . . (1)此處，Zl表示從送電用共振器的輸入部來看受電用共振器側的阻抗，ZO表示從輸入部來看電源裝置側的阻抗。另外，Zl使用輸入到送電用共振器的電壓Vl和輸入到送電用共振器的電流II，通過下述公式進行表示。Zl = V1/I1. . . (2)優選的是，控制裝置，基於Sll參數推定送電用共振器與受電用共振器之間的距離，基於該推定的距離執行供電控制。優選的是，控制裝置，當基於Sll參數推定的距離在預定值以下時，執行向受電裝置的供電。優選的是，控制裝置，基於根據送電用共振器與受電用共振器之間的距離變化的 Sll參數的振幅特性，推定送電用共振器與受電用共振器之間的距離。另外，優選的是，控制裝置，基於根據送電用共振器與受電用共振器之間的距離變化的Sll參數的相位特性，推定送電用共振器與受電用共振器之間的距離。優選的是，控制裝置，基於Sll參數判定是否需要進行受電裝置的受電以及能否向受電裝置供電，當判定為能夠向受電裝置供電時，控制電源裝置使得產生具有基於Sll 參數的奇異點決定的諧振頻率的電壓。優選的是，非接觸供電設備，還具備電流測定單元和電壓測定單元。電流測定單元，檢測輸入到送電用共振器的電流。電壓測定單元，檢測輸入到送電用共振器的電壓。並且，控制裝置，控制電源裝置使得預定的小電力以預定的頻帶中的多個頻率向受電裝置輸出，基於由電壓測定單元檢測出的電壓以及由電流測定單元檢測出的電流算出Sll參數。優選的是，送電用共振器，包括初級線圈和初級自諧振線圈。初級線圈，與電源裝置連接。初級自諧振線圈，通過電磁感應從初級線圈接受供電，產生電磁場。另外，根據本發明，非接觸受電裝置，具備受電用共振器和阻抗變更裝置。受電用共振器，通過經由電磁場與供電設備的送電用共振器共振，以非接觸的方式從供電設備受電。阻抗變更裝置，根據是否需要從供電設備受電來變更阻抗，使得能夠在供電設備中基於阻抗的頻率特性判定是否需要從供電設備受電。優選的是，阻抗變更裝置，在結束從供電設備受電時，變更輸入阻抗使得能夠在供電設備中基於Sll參數檢測受電結束。另外，根據本發明，非接觸供電系統，具備供電設備，其能夠輸出預定的高頻電力；以及受電裝置，其能夠以非接觸的方式從供電設備受電。供電設備包括電源裝置、送電用共振器、以及控制裝置。電源裝置，產生預定的高頻電壓。送電用共振器，與電源裝置連接，從電源裝置接受電力產生電磁場。控制裝置，通過控制電源裝置，控制從送電用共振器對受電裝置的供電。受電裝置包括受電用共振器。受電用共振器，通過經由電磁場與送電用共振器共振，以非接觸的方式從送電用共振器接受電力。控制裝置，基於根據送電用共振器與受電用共振器之間的距離變化的Sll參數，執行供電控制。優選的是，控制裝置，基於Sll參數推定送電用共振器與受電用共振器之間的距離，基於該推定出的距離執行供電控制。優選的是，控制裝置，當基於Sll參數推定出的距離在預定值以下時，執行對受電裝置的供電。優選的是，受電裝置還包括阻抗變更裝置。阻抗變更裝置，被構成為在結束從供電設備受電時，能夠變更該受電裝置的阻抗。控制裝置，使用在受電裝置中由阻抗變更裝置變更了阻抗時預先求得的Sll參數特性，基於Sll參數檢測與受電結束伴隨的受電裝置的阻抗的變更，基於該檢測結果停止向受電裝置的供電。優選的是，送電用共振器，包括初級線圈和初級自諧振線圈。初級線圈，與電源裝置連接。初級自諧振線圈，通過電磁感應從初級線圈接受供電，產生電磁場。受電用共振器，包括次級自諧振線圈和次級線圈。次級自諧振線圈，通過經由電磁場與初級自諧振線圈共振，從初級自諧振線圈受電。次級線圈，通過電磁感應取得由次級自諧振線圈接受的電力。在本發明中，基於根據送電用共振器與受電用共振器之間的距離變化的Sll參數執行供電控制，因此不在供電設備和受電裝置之間進行通信就能在供電設備中判定受電裝置的存在或者與受電裝置的距離。因此，根據本發明，可以不需要供電設備和受電裝置之間的通信控制。其結果，能夠使控制系統簡單化。


圖1是本發明的實施方式的非接觸供電系統的整體結構圖。圖2是與利用共振法的送電相關的部分的等價電路圖。圖3是表示圖2示出的電路網的S11參數的振幅特性的圖。圖4是表示在使初級自諧振線圈和次級自諧振線圈之間的距離發生了變化的情況下的極小點的頻率差、與初級自諧振線圈和次級自諧振線圈之間的距離的對應關係的圖。圖5是表示在與極小點變成一個的距離相比初級自諧振線圈和次級自諧振線圈之間的距離較長時的Sll參數的振幅的大小、與初級自諧振線圈和次級自諧振線圈之間的距離的對應關係的圖。圖6是表示圖2示出的電路網的Sll參數的相位特性的圖。圖7是表示從當Sll參數算出時進行了掃描的頻率範圍中的相位特性的最小值到最大值的變化幅度、與初級自諧振線圈和次級自諧振線圈之間的距離的對應關係的圖。圖8是表示在圖1示出的阻抗變更部中當次級線圈和負載之間的線路斷開時的 Sll參數的相位特性的圖。圖9是表示由圖1示出的控制裝置所執行的供電控制的處理順序的流程圖。圖10是表示由控制裝置所執行的Sll參數運算處理的順序的流程圖。
圖11是作為搭載了圖1示出的受電裝置的電動車輛的一個例子進行示出的混合動力汽車的結構圖。
具體實施例方式以下，參照附圖詳細說明本發明的實施方式。對圖中相同或相當的部分標記相同的符號並不重複其說明。圖1是本發明的實施方式的非接觸供電系統的整體結構圖。參照圖1，非接觸供電系統具備供電設備1和受電裝置2。供電設備1包括高頻電源裝置10、初級線圈20、初級自諧振線圈30、控制裝置40、電流測定單元50、電壓測定單元55。高頻電源裝置10，與初級線圈20連接，能夠基於從控制裝置40接受的驅動信號產生預定的高頻電壓(例如大約數MHz 數10MHz)。高頻電源裝置10，例如由正弦波變換器電路構成，通過控制裝置40進行控制。初級線圈20，被構成為與初級自諧振線圈30大致在同軸上配置、能夠通過電磁感應與初級自諧振線圈30磁結合。並且，初級線圈20，通過電磁感應將從高頻電源裝置10供給來的高頻電力供給到初級自諧振線圈30。初級自諧振線圈30是兩端開路(非連接)的LC共振線圈，通過經由電磁場與受電裝置2的次級自諧振線圈60(後述)共振，以非接觸的方式向受電裝置2供給電力。雖然Cl表示初級自諧振線圈30的雜散電容，但實際上也可以設置電容器。電流測定單元50，檢測輸入到初級線圈20的電流I，且將該檢測值輸出到控制裝置40。電壓測定單元55，檢測輸入到初級線圈20的電壓V，且將該檢測值輸出到控制裝置 40。電流測定單元50，例如由電流傳感器構成，電壓測定單元55，例如由電壓傳感器構成。控制裝置40，生成用於控制高頻電源裝置10的驅動信號，且將該生成的驅動信號輸出到高頻電源裝置10。並且，控制裝置40，通過控制高頻電源裝置10，控制從初級自諧振線圈30對受電裝置2的次級自諧振線圈60的供電。此處，控制裝置40，基於根據初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離變化的、從界面100來看初級線圈20側的Sll參數(以下稱為「所述Sll參數」。)推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離，基於該推定的距離執行供電控制。更詳細而言，控制裝置40，當基於所述Sll參數推定出的距離在預定值以下時，執行從供電設備1對受電裝置2的供電控制，當基於所述Sll參數推定出的距離比上述預定值大時，不執行供電控制。所述Sll參數，是由初級線圈20、初級自諧振線圈30、以及受電裝置2的次級自諧振線圈60和次級線圈70構成的電路網的輸入埠(初級線圈20的輸入)的反射係數，在開始由供電設備1對受電裝置2的供電前、和/或供電中，以預定的頻率定期地算出。後文對上述電路網中的Sll參數的特性進行詳細說明。另外，如後文所述，當在受電裝置2中與結束受電伴隨而變更受電裝置2的阻抗時，控制裝置40基於Sll參數檢測受電裝置2的阻抗的變更，基於該檢測結果停止從供電設備1對受電裝置2的供電。下文對控制裝置40的功能結構進行詳細說明。另一方面，受電裝置2包括次級自諧振線圈60、次級線圈70、以及阻抗變更部 80。的初級自諧振線圈30相同，為兩端開路(非連接) 的LC共振線圈，通過經由電磁場與供電設備1的初級自諧振線圈30共振，以非接觸的方式從供電設備1接受電力。C2雖然表示次級自諧振線圈60的雜散電容，但實際上也可以設置電容器。次級線圈70，被構成為與次級自諧振線圈60大致在同軸上配置，能夠通過電磁感應與次級自諧振線圈60磁結合。並且，次級線圈70，通過電磁感應取得從次級自諧振線圈 60接受的電力，且經由阻抗變更部80將該取得的電力輸出到負載3。阻抗變更部80，設置在次級線圈70和負載3之間，在負載3的阻抗發生變化的情況下，將阻抗變更部80的輸入阻抗調整成固定值。作為一個例子，阻抗變更部80，包括能夠調整輸入阻抗的轉換器。另外，阻抗變更部80，基於來自供電設備1的指示受電結束的信號STP，將輸入阻抗變更成預定值。即，當指示來自供電設備1的受電結束時，通過阻抗變更部80將受電裝置2的阻抗變更為預定值。並且，與該受電結束伴隨的受電裝置2的阻抗的變更，通過供電設備1的控制裝置40基於Sll參數進行檢測。在負載3的阻抗未發生變化的情況下，也可以通過能夠切斷電路的開關、可變阻抗裝置等構成阻抗變更部80。圖2是與利用共振法的送電相關的部分的等價電路圖。參照圖2，在該共振法中， 與兩個音叉共振相同，通過具有相同固有頻率的兩個LC共振線圈在電磁場(接近場)共振，經由電磁場從一方的線圈向另一方的線圈傳送電力。具體而言，使高頻電源裝置10與初級線圈20連接，向通過電磁感應與初級線圈20 磁結合的初級自諧振線圈30供給例如大約數MHz 數IOMHz的高頻電力。初級自諧振線圈30為利用線圈自身的電感和雜散電容Cl的LC共振器，經由電磁場(接近場)與具有與初級自諧振線圈30相同共振頻率的次級自諧振線圈60共振。這樣一來，能量(電力)經由電磁場從初級自諧振線圈30向次級自諧振線圈60移動。向次級自諧振線圈60移動了的能量(電力)，從通過電磁感應與次級自諧振線圈60磁結合的次級線圈70取出，供給到負載3。上述的Sll參數，對於在埠 PI、P2之間形成的、由初級線圈20、初級自諧振線圈30、次級自諧振線圈60、以及次級線圈70構成的電路網，與相對於輸入給埠 Pl的電力 (從高頻電源裝置10輸出的電力)的反射電力的比率、即埠 Pl的反射係數對應。圖3是表示圖2示出的電路網的Sll參數的振幅特性的圖。參照如3，縱軸表示 Sll參數的振幅，橫軸表示從高頻電源裝置10供給到電路網的高頻電力的頻率。曲線kll 表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為Dl時的Sll參數的振幅特性，曲線kl2表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為D2( > Dl)時的Sll參數的振幅特性。另外，曲線kl3，表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60 之間的距離為D3( > D2)時的Sll參數的振幅特性，曲線kl4表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為D4( > D3)時的Sll參數的振幅特性。曲線kll、kl2、kl3表示由於初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離 (DUD2.D3)較近而能夠從供電設備1向受電裝置2供給足夠的電力的情況，曲線kl4表示由於初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離(D4)分離過大而不能從供電設備1向受電裝置2供給足夠的電力的情況。如圖3所示，利用共振法實現送電的圖2所示的電路網的Sll參數的振幅特性，當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離較近時產生2個極小點(奇異點)， 隨著距離接近，極小點的頻率(fll、fl2)遠離。另外，隨著距離變遠，極小點的頻率(fll、 fl2)接近，在某一定的距離Db處2個極小點變成1個。另外，還具有隨著從極小點變成1 個的距離Db開始變遠，Sll參數的振幅變大這樣的特徵。因此，在本實施方式中，在從供電設備1對受電裝置2的供電開始時，預先求得圖4所示的、在使初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離發生了變化的情況下的極小點的頻率差、與初級自諧振線圈30 與次級自諧振線圈60之間的距離的對應關係。並且，基於圖4示出的對應關係，在與極小點變成1個的距離Db相比初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離較短的情況下，算出圖2示出的電路網的Sll參數，且能夠從由該算出的Sll參數的振幅表示的極小點的頻率差推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離。或者，預先求得圖 5所示的、當與極小點變成1個的距離Db相比初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離較長時的Sll參數的振幅的大小、與初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離的對應關係。並且，基於圖5示出的對應關係，在與極小點變成1個的距離Db相比初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離較長的情況下，算出圖2示出的電路網的Sll參數，且能夠從該算出的Sll參數的振幅的大小推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離。並且，當推定出的距離在預定值以下時，開始從供電設備1對受電裝置2的供電。代替Sll參數的振幅特性，也可以基於Sll參數的相位特性推定初級自諧振線圈 30與次級自諧振線圈60之間的距離。圖6是表示圖2示出的電路網的Sll參數的相位特性的圖。參照圖6，縱軸表示 Sll參數的相位，橫軸表示從高頻電源裝置10供給到電路網的高頻電力的頻率。曲線k21， 表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為Dl時的Sll參數的相位特性，曲線k22，表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為D2( > Dl)時的Sll參數的相位特性。另外，曲線k23，表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60 之間的距離為D3 ( > D2)時的Sll參數的相位特性，曲線k24，表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為D4( > D3)時的Sll參數的相位特性。曲線k21、k22、k23，表示由於初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離(Dl、D2、D3)較近而能夠從供電設備1向受電裝置2供給足夠的電力的情況，曲線k24， 表示由於初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離(D4)過大而不能從供電設備1向受電裝置2供給足夠的電力的情況。如圖6所示，利用共振法實現送電的圖2所示的電路網的Sll參數的相位特性，當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離較近時產生2個極小點和極大點，隨著距離接近，在位於預定的頻率範圍內的極小點和極大點之間相位特性的變化的傾斜度變成最大的點(奇異點)的頻率(f21、f22)遠離。另外，隨著距離變遠，在位於預定的頻率範圍內的極小點和極大點之間相位特性的變化的傾斜度變成最大的點(奇異點)的頻率 (f21、f22)接近，在某一定的距離Db處2個極小點和極大點變成1個。另外，還具有當從極小點和極大點變成1個的距離Db開始變遠時，在某一定的距離Dc處極小點和極大點消失，相位特性變成單調函數這樣的特徵。另一方面，從在算出Sll參數時掃描的頻率範圍內的相位特性的最小值到最大值的變化幅度Δ θ，具有隨著距離變遠而變大這樣的特徵。因此，在從供電設備1對受電裝置2開始供電時，預先求得圖4所示的、在預定的頻率範圍內的極小點和極大點之間相位特性的變化的傾斜度變成最大的點的頻率差、與初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離的對應關係。並且，基於圖4示出的對應關係，在與極小點和極大點變成1個的距離Db相比初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈 60之間的距離較短的情況下，算出圖2示出的電路網的Sll參數，且能夠從由該算出的Sll 參數的相位表示的、在預定的頻率範圍內的極小點和極大點之間相位特性的變化的傾斜度變成最大的點的頻率差，推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離。或者， 預先求得圖7所示的、從在算出Sll參數時掃描的頻率範圍內的相位特性的最小值到最大值的變化幅度Δ θ、與初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離的對應關係。 並且，基於圖7示出的對應關係，在與極小點和極大點變成1個的距離Db相比初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離較短的情況下，算出圖2示出的電路網的Sll參數，且能夠根據由該算出的Sll參數的相位所表示的、從在算出Sll參數時掃描的頻率範圍內的相位特性的最小值到最大值的變化幅度△ θ推定初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離。圖8是表示在圖1示出的阻抗變更部80中當次級線圈70和負載3之間的線路開路時的Sll參數的相位特性的圖。參照圖8，縱軸表示Sll參數的相位，橫軸表示從高頻電源裝置10供給到電路網的高頻電力的頻率。曲線31，表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為Dl時的Sll參數的相位特性，曲線32，表示當初級自諧振線圈30 與次級自諧振線圈60之間的距離為D2( > Dl)時的Sll參數的相位特性。另外，曲線33， 表示當初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離為D3 ( > D2)時的Sll參數的相位特性。如圖8所示，利用共振法實現送電的圖2所示的電路網的Sll參數的相位特性， 具有與初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離無關，而是用單調函數進行表示這樣的特徵。當在受電裝置2 (圖1)中與受電結束伴隨而使受電裝置2的阻抗變更為預定值時，Sll參數的相位特性，如圖8所示發生變化。因此，在本實施方式中，當受電裝置2的受電結束時，算出圖2所示的電路網的Sll參數，若該算出的Sll參數的相位特性為單調函數，則可以在供電設備1側檢測受電裝置2中的阻抗的變化即受電結束。圖9是表示由圖1示出的控制裝置40所執行的供電控制的處理順序的流程圖。該流程圖的處理，每隔一定時間或者每當預定的條件成立時從主程序讀出、並執行。參照圖9，控制裝置40，基於能夠通過後述的Sll參數運算處理得到的、掃描頻率 fl fm(m為2以上的自然數)的Sll參數，計算初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60 之間的距離(步驟S10)。例如，如圖3和圖6所說明地那樣，基於Sll參數的振幅特性或者相位特性，推定初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離。接著，控制裝置40，基於掃描頻率fl fm的Sll參數，判斷是否需要受電裝置 2(圖1)的受電(步驟S20)。例如，如用圖8所說明地那樣，基於算出的Sll參數的相位特性和圖8示出的相位特性的比較結果，判斷是否需要受電裝置2的受電。並且，控制裝置40，判斷能否從供電設備1向受電裝置2輸出大電力(供電電力)(步驟S30)。詳細而言，在步驟SlO中推定的初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離在預定值以下，並且在步驟S20中判斷為在受電裝置2中需要受電時，控制裝置40， 判定為能夠從供電設備1向受電裝置2輸出大電力。上述預定值，被設定為能夠實施從供電設備1對受電裝置2的供電的值。當在步驟S30中判定為能夠從供電設備1向受電裝置2輸出大電力時(在步驟 S30中為「是」)，控制裝置40，基於算出的Sll參數決定諧振頻率f0(步驟S40)。該諧振頻率fO，是在Sll參數的振幅特性所表示的極小點或者相位特性所表示的預定的頻率範圍內的極小點和極大點之間相位特性的變化的傾斜度變為最大的點的頻率。並且，控制裝置40，生成用於控制高頻電源裝置10的驅動信號，輸出到高頻電源裝置10，使得具有該決定的諧振頻率fO的大電力(供電電力)從供電設備1輸出到受電裝置2 (步驟S50)。當在步驟S30中判定為不能從供電設備1向受電裝置2輸出大電力時(在步驟 S30中為「否」)，停止大電力的輸出(步驟S60)。在未從供電設備1向受電裝置2輸出大電力的情況下，禁止大電力的輸出。圖10是表示由控制裝置40所執行的Sll參數運算處理的順序的流程圖。Sll參數可以通過按預定間隔對預定的頻帶進行掃描來得到。具體而言，例如圖6和/或圖8所示的頻率範圍設定為預定的頻帶，按各個在該頻帶中以預定間隔依次發生變化的m個的掃描頻率算出Sll參數。圖10所示的流程圖的處理，按一定周期進入圖9示出的供電控制的處理，以與圖9示出的流程圖的處理相比較足夠短的周期來執行。參照圖10，控制裝置40，首先將計數值η設定為1(步驟S110)。接著，控制裝置 40，生成用於控制高頻電源裝置10的驅動信號、且輸出到高頻電源裝置10，使得具有掃描頻率fn的小電力(比真正供電時小的電力)從供電設備1輸出到受電裝置2(步驟S120)。接著，控制裝置40，從電流測定單元50取得輸入到初級線圈20的電流I的檢測值，從電壓測定單元55取得輸入到初級線圈20的電壓V的檢測值，同時取得相位差(步驟 S13)。並且，控制裝置40，基於那些取得的信息，利用下述公式算出掃描頻率fn的Sll參數 (步驟 S140)。 Sll = ((V/I-Z0) / ((V/1) +Z0)... (3)此處，ZO表示從初級線圈20的電力輸入部來看高頻電源裝置10側的阻抗。並且， 當算出掃描頻率fn的Sll參數時，控制裝置40，判定計數值η是否比m小(步驟S150)。當判定為計數值η比m小時(在步驟S150中為「是」)，控制裝置40，將計數值η設定為(η+1) (步驟S160)，使處理轉移到步驟S120。另一方面，當在步驟S150中判定為計數值η在m以上時(在步驟S150中為「否」)，控制裝置40，使處理轉移到步驟S170，結束一連串的處理。在進行上述的控制時，為了算出Sll參數，同樣也可以通過像網絡分析儀那樣地使用了方向性耦合器的方法來實現。另外，代替S參數而使用Z參數和/或Y參數等也同樣能夠實現。圖11是作為搭載了圖1示出的受電裝置2的電動車輛的一個例子進行示出的混合動力汽車的結構圖。參照圖11，混合動力汽車200包括蓄電裝置210、系統主繼電器SMRl、升壓轉換器220、變換器230，232、電動發電機M0J42、發動機250、動力分配裝置 260,以及驅動輪270。另外，混合動力汽車200還包括次級自諧振線圈60、次級線圈70、阻抗變更部80、整流器觀0、系統主繼電器SMR2、以及車輛EOT^O。混合動力汽車200，將發動機250和電動發電機242作為動力源進行搭載。發動機 250和電動發電機M0J42，與動力分配裝置260連結。並且，混合動力汽車200，利用發動機250和電動發電機M2的至少一方產生的驅動力來行駛。發動機250產生的動力，通過動力分配裝置260被分配成兩條路徑。即，一個是傳遞給驅動輪270的路徑，另一個是傳遞給電動發電機240的路徑。電動發電機240為交流旋轉電機，例如由在轉子埋設了永磁體的三相交流同步電動機構成。電動發電機M0，經由動力分配裝置260來使用發動機250的動能進行發電。例如，當蓄電裝置210的充電狀態(「也被稱為SOCGtate Of Charge)。」變得比預先確定的值低時，發動機250啟動，通過電動發電機240進行發電，向蓄電裝置210充電。電動發電機242也是交流旋轉電機，與電動發電機240相同，例如由在轉子埋設了永磁體的三相交流同步電動機構成。電動發電機M2，使用在蓄電裝置210中蓄積的電力以及由電動發電機240發電產生的電力的至少一個來產生驅動力。並且，電動發電機M2的驅動力，被傳遞給驅動輪270。另外，車輛的制動時、下坡斜面上的加速度降低時，將作為動能和勢能蓄積在車輛的機械能經由驅動輪270用於電動發電機M2的旋轉驅動，電動發電機242作為發電機進行工作。由此，電動發電機M2，作為將行駛能量變換成電力來產生制動力的再生制動器進行工作。並且，通過電動發電機242發電產生的電力，在蓄電裝置210蓄積。動力分配裝置沈0，由包括太陽輪、小齒輪、行星架、以及齒圈的行星齒輪構成。小齒輪與太陽輪和齒圈接合。行星架支持小齒輪使其能夠自轉，並且與發動機250的曲軸連結。太陽輪與電動發電機MO的旋轉軸連結。齒圈與電動發電機M2的旋轉軸和驅動輪 270連結。系統主繼電器SMRl配設在蓄電裝置210和升壓轉換器220之間，根據來自車輛 EOT^K)的信號，使蓄電裝置210與升壓轉換器220電連接。升壓轉換器220，將正極線PL2 的電壓升壓為蓄電裝置210的輸出電壓以上的電壓。升壓轉換器220，例如由直流斬波電路構成。變換器230、232，分別對電動發電機240、242進行驅動。變換器230、232，例如包括三相橋式電路。次級自諧振線圈60、次級線圈70、以及阻抗變更部80，如用圖1所說明。整流器觀0，對通過次級線圈70取出的交流電力進行整流。系統主繼電器SMR2，配設在整流器觀0 和蓄電裝置210之間，根據來自車輛ECU290的信號，使整流器280與蓄電裝置210電連接。車輛EOT^O，在行駛模式時，分別使系統主繼電器SMR1、SMR2導通和切斷。並且， 車輛ECU^K)，在車輛的行駛時，基於加速開度、車輛速度、以及其他來自各種傳感器的信號， 生成用於驅動升壓轉換器220和電動發電機M0J42的信號，且將該生成了的信號輸出給升壓轉換器220和變換器230、232。另外，當進行從供電設備1(圖1)對混合動力車輛220的供電時，車輛ECU^O，使系統主繼電器SMR2導通。由此，向蓄電裝置210供給通過次級自諧振線圈60所接受的電力。並且，當蓄電裝置210的SOC超過上限值時，車輛EOT^O，向阻抗變更部80輸出阻抗的變更指令。如上所述，通過阻抗變更部80進行的阻抗的變更，在供電設備1中基於Sll參數進行檢測，停止從供電設備1對混合動力車輛200的供電。
通過同時使系統主繼電器SMR1、SMR2導通，能夠在車輛的行駛時從供電設備1接受電力。在阻抗變更部80為繼電器開關的情況下，可以不要系統主繼電器SMR2。另外，在整流器280和蓄電裝置210之間，還可以設置使通過整流器280進行了整流的直流電力向蓄電裝置210的電壓水平進行電壓變換的DC/DC轉換器。如上所述，在本實施方式中，基於根據初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離變化的Sll參數，推定初級自諧振線圈30和次級自諧振線圈60之間的距離。並且，基於該推定出的距離執行供電控制，因此不在供電設備1和受電裝置2之間進行通信就可以在供電設備1中判斷受電裝置2的存在或者與受電裝置2的距離。另外，在本實施方式中，在受電裝置2中與受電結束伴隨來變更受電裝置2的阻抗。並且，在供電設備1中基於Sll參數檢測該阻抗的變更，因此不在供電設備1和受電裝置2之間進行通信就可以在供電設備1中對受電裝置2的受電結束進行檢測。因此，根據本實施方式，可以不需要供電設備1和受電裝置2之間的通信控制。其結果，可以使控制系統簡單化。在上述的實施方式中，設定為基於Sll參數推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離，並且基於該推定出的距離執行供電控制，但也可以不推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離而基於Sll參數執行直接供電控制。例如，基於初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離預先決定是否實施供電的Sll參數的閾值，由此能夠不推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離而基於Sll參數執行供電控制。另外，在上述實施方式中，阻抗變更部80，設為在負載3的阻抗發生變化的情況下將阻抗變更部80的輸入阻抗調整成固定值，但該功能並不是必需的。當負載3的阻抗發生變化時，共振頻率發生變化，在利用Sll參數推定出的初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離中產生誤差。因此，在可以容許該誤差的情況下，不需要與負載3的阻抗變化對應將輸入阻抗調整成固定值的功能，阻抗變更部80，只要具備基於指示來自供電設備1的受電結束的信號STP將輸入阻抗變更為預定值的功能即可。另外，即使阻抗變更部 80不具備在負載3的阻抗本來未發生變化的情況下在受電中與負載3的阻抗變化對應將輸入阻抗調整成固定值的功能，也能夠高精度地推定初級自諧振線圈30與次級自諧振線圈60之間的距離。另外，在上述實施方式中，設為使用初級線圈20通過電磁感應進行對初級自諧振線圈30的供電，使用次級線圈70通過電磁感應從次級自諧振線圈60取出電力，但也可以不設置初級線圈20而從高頻電源裝置10對初級自諧振線圈30進行直接供電，也可以不設置次級線圈70而從次級自諧振線圈60直接取出電力。另外，在上述中，設為通過使一對自諧振線圈共振進行送電，但作為共振體也可以代替一對自諧振線圈而使用一對高電介質盤。高電介質盤，由高介電常數的材料形成，例如使用 TiO2、BaTi4O9, LiTaO3 等。另外，在上述中，作為搭載了受電裝置2的電動車輛的一個例子，說明了能夠通過動力分配裝置260將發動機250的動力分配而傳遞給驅動輪270和電動發電機MO的串/ 並聯型的混合動力汽車，但本發明也能夠適用於其他形式的混合動力汽車。即，例如為了只驅動電動發電機240而使用發動機250、只利用電動發電機242來產生車輛的驅動力的、所謂的串聯型的混合動力汽車；在發動機250生成了的動能中只有再生能被作為電能進行回收的混合動力汽車；將發動機作為主動力且根據需要由馬達進行輔助的馬達輔助型的混合動力汽車等也能夠適用於本發明。另外，本發明也能夠適用於不具備發動機250而只利用電力進行行駛的電動汽車、除了蓄電裝置210還具備燃料電池作為直流電源的燃料電池車。在上述中，初級自諧振線圈30和初級線圈20，形成本發明的「送電用共振器」的一個實施例，次級自諧振線圈60和次級線圈70，形成本發明的「受電用共振器」的一個實施例。另外，阻抗變更部80，形成本發明的「阻抗變更裝置」的一個實施例。應該認為，本次公開的實施方式，在所有方面都只是例示而並非限制性的內容。本發明的範圍並不是由上述實施方式的說明而是由權利要求所表示，包括與權利要求同等的含義和範圍內的所有變更。標號說明1供電設備、2受電裝置、3負載、10高頻電源裝置、20初級線圈、30初級自諧振線圈、40控制裝置、50電流測定單元、55電壓測定單元、60次級自諧振線圈、70次級線圈、80 阻抗變更部、200混合動力汽車、210蓄電裝置、220升壓轉換器、230、232變換器、240、242電動發電機、250發動機、260動力分配裝置、270驅動輪、280整流器、290車輛ECU、Cl、C2雜散電容、SMRl、SMR2系統主繼電器、PLl、PL2正極線、NL負極線。
權利要求
1.一種非接觸供電設備，具備送電用共振器00，30)，其通過經由電磁場與受電裝置⑵的受電用共振器(60，70)共振，以非接觸的方式向所述受電裝置送電；電源裝置(10)，其與所述送電用共振器連接，產生預定的高頻電壓；以及控制裝置(40)，其通過控制所述電源裝置，控制從所述送電用共振器向所述受電用共振器的供電，所述控制裝置，基於根據所述送電用共振器與所述受電用共振器之間的距離變化的阻抗的頻率特性，執行供電控制。
2.根據權利要求1所述的非接觸供電設備，其中，所述控制裝置，基於所述阻抗的頻率特性推定所述送電用共振器和所述受電用共振器之間的距離，基於該推定出的距離執行供電控制。
3.根據權利要求2所述的非接觸供電設備，其中，所述控制裝置，當基於所述阻抗的頻率特性推定出的距離在預定值以下時，執行對所述受電裝置的供電。
4.根據權利要求2或3所述的非接觸供電設備，其中，所述控制裝置，基於根據所述送電用共振器與所述受電用共振器之間的距離變化的所述阻抗的頻率特性的振幅特性，推定所述送電用共振器與所述受電用共振器之間的距離。
5.根據權利要求2或3所述的非接觸供電設備，其中，所述控制裝置，基於根據所述送電用共振器與所述受電用共振器之間的距離變化的所述阻抗的頻率特性的相位特性，推定所述送電用共振器與所述受電用共振器之間的距離。
6.根據權利要求1 3中的任一項所述的非接觸供電設備，其中，所述控制裝置，基於所述阻抗的頻率特性判定是否需要進行所述受電裝置的受電以及是否能夠向所述受電裝置供電，當判定為能夠向所述受電裝置供電時，控制所述電源裝置使得產生具有基於所述阻抗的頻率特性的奇異點決定的諧振頻率的電壓。
7.根據權利要求1 3中的任一項所述的非接觸供電設備，其中，還具備電流測定單元(50)，其檢測輸入到所述送電用共振器的電流；以及電壓測定單元( )，其檢測輸入到所述送電用共振器的電壓；所述控制裝置，控制所述電源裝置使得預定的小電力以預定的頻帶中的多個頻率向所述受電裝置輸出，基於由所述電壓測定單元檢測出的電壓以及由所述電流測定單元檢測出的電流，算出所述阻抗的頻率特性。
8.根據權利要求1 3中的任一項所述的非接觸供電設備，其中，所述送電用共振器包括初級線圈(20)，其與所述電源裝置連接；以及初級自諧振線圈(30)，其通過電磁感應從所述初級線圈接受供電，產生所述電磁場。
9.一種非接觸受電裝置，具備受電用共振器(60，70)，其通過經由電磁場與供電設備(1)的送電用共振器O0，30)共振，以非接觸的方式從所述供電設備接受電力；以及阻抗變更裝置(80)，其根據是否需要從所述供電設備受電來變更阻抗，使得能夠在所述供電設備中基於阻抗的頻率特性判定是否需要從所述供電設備受電。
10.根據權利要求9所述的非接觸受電裝置，其中，所述阻抗變更裝置，在結束從所述供電設備受電時，變更輸入阻抗使得能夠在所述供電設備中基於所述阻抗的頻率特性檢測受電結束。
11.一種非接觸供電系統，具備供電設備(1)，其能夠輸出預定的高頻電力；以及受電裝置( ，其能夠以非接觸的方式從所述供電設備接受電力， 所述供電設備，包括 電源裝置(10)，其產生預定的高頻電壓；送電用共振器00，30)，其與所述電源裝置連接，從所述電源裝置接受電力產生電磁場；以及控制裝置(40)，其通過控制所述電源裝置，控制從所述送電用共振器向所述受電裝置的供電，所述受電裝置包括受電用共振器(60，70)，該受電用共振器(60，70)通過經由所述電磁場與所述送電用共振器共振，以非接觸的方式從所述送電用共振器接受電力，所述控制裝置，基於根據所述送電用共振器與所述受電用共振器之間的距離變化的阻抗的頻率特性，執行供電控制。
12.根據權利要求11所述的非接觸供電系統，其中，所述控制裝置，基於所述阻抗的頻率特性推定所述送電用共振器與所述受電用共振器之間的距離，基於所推定出的距離執行供電控制。
13.根據權利要求12所述的非接觸供電系統，其中，所述控制裝置，當基於所述阻抗的頻率特性推定出的距離在預定值以下時，執行向所述受電裝置供電。
14.根據權利要求11或13的任一項所述的非接觸供電系統，其中，所述受電裝置還包括阻抗變更裝置(80)，該阻抗變更裝置(80)被構成為在結束從所述供電設備受電時，能夠變更該受電裝置的阻抗，所述控制裝置，使用在所述受電裝置中由所述阻抗變更裝置變更了阻抗時預先求得的阻抗的頻率特性，基於所述阻抗的頻率特性檢測與受電結束伴隨的所述受電裝置的阻抗的變更，基於該檢測結果停止向所述受電裝置的供電。
15.根據權利要求11 13中的任一項所述的非接觸供電系統，其中， 所述送電用共振器，包括初級線圈(20)，其與所述電源裝置連接；以及初級自諧振線圈(30)，其通過電磁感應從所述初級線圈接受供電，產生所述電磁場， 所述受電用共振器，包括次級自諧振線圈(60)，其通過經由所述電磁場與所述初級自諧振線圈共振，從所述初級自諧振線圈受電；以及次級線圈(70)，其通過電磁感應取得由所述次級自諧振線圈接受的電力。
全文摘要
通過經由電磁場使供電設備(1)的初級自諧振線圈(30)和受電裝置(2)的次級自諧振線圈(60)共振，以非接觸的方式從供電設備(1)對受電裝置(2)供電。控制裝置(40)，通過控制高頻電源裝置(10)，控制從初級自諧振線圈(30)向次級自諧振線圈(60)的供電。此處，控制裝置(40)，基於根據初級自諧振線圈(30)與次級自諧振線圈(60)之間的距離變化的S11參數，推定初級自諧振線圈(30)與次級自諧振線圈(60)之間的距離，基於該推定的距離執行供電控制。
文檔編號H02J17/00GK102396131SQ20098015868
公開日2012年3月28日 申請日期2009年6月3日 優先權日2009年4月13日
發明者井上匠, 市川真士, 榊原啟之 申請人:豐田自動車株式會社, 株式會社日本自動車部品綜合研究所