電力接收裝置以及電力接收方法
2023-05-03 13:02:36 1
專利名稱：電力接收裝置以及電力接收方法
技術領域：
本發明涉及電力接收裝置以及電力接收方法。
背景技術：
以往，研究了利用電磁感應或電磁波來通過無線供給電力的技術。此外近年來，研究了通過使磁場諧振的磁場諧振來無線供給電力的技術。磁場諧振是磁場在諧振的兩個線圈之間發生耦合，並發生能量傳送的現象，也稱為磁場共振。
在先技術文獻專利文獻專利文獻I :日本專利文獻特開2009-106136號公報；專利文獻2 :日本專利文獻特表2009-501510號公報；專利文獻3 日本專利文獻特表2002-544756號公報；專利文獻4 :日本專利文獻特開2008-301918號公報；專利文獻5 :日本專利文獻特開2008-160312號公報；專利文獻6 :日本專利文獻特開2006-230129號公報。
發明內容
通過在線圈之間傳送能量，將負載連接到能量的取出側的線圈，能夠對負載供給電力。該電力供給的效率依賴於負載的阻抗。在連接電池作為負載情況下，由於電池的充電狀態而負載的阻抗逐漸變化。因此，在以往的技術中，在從電池的放電狀態到充滿電狀態之間，會發生電力供給的效率下降的狀況。本發明的技術是鑑於上述的問題作出的，其目的在於提供提高對電池電力供給效率的電力接收裝置以及電力接收方法。在本申請公開的電力接收裝置以及電力接收方法中，電力接收裝置包括從作為電力的供給源的線圈取出電力的多個電力取出線圈，通過開關選擇多個電力取出線圈中的任一個使其與電池連接。多個電力取出線圈直徑或者與電力取出線圈的距離或者圈數(匝數)不同。本發明的裝置以及方法檢測電池的充電狀態從而切換開關。另外，在本申請公開的電力接收裝置以及電力接收方法中，電力接收裝置包括從作為電力的供給源的線圈取出電力並對電池充電的電力取出線圈，以及控制作為電力的供給源的線圈與電力取出線圈的位置關係的位置控制機構。本發明的裝置以及方法檢測電池的充電狀態從而控制位置控制機構。發明效果根據本申請公開的電力接收裝置以及電力接收方法，能夠提高對電池的電力供給效率。
圖I是包括本實施例涉及的電力接收裝置的電力輸送接收系統的構成圖；圖2是圖I所示的具有四個線圈的磁場諧振型電力輸送接收系統的等價電路圖；圖3是說明鋰離子電池充電的序列的說明圖；圖4是說明由於負載的變動造成電力輸送效率下降的說明圖；圖5是說明對電力接收裝置3的電力輸送效率的說明圖；圖6是說明電力取出線圈的具體例子的說明圖(其一)； 圖7是說明電力取出線圈的具體例子的說明圖(其二)；圖8是電力接收裝置3的電路構成圖；圖9是說明控制電路35的處理動作的流程圖；圖10是說明電力輸送接收系統的變形例的說明圖(其一)；圖11是說明電力輸送接收系統的變形例的說明圖(其二)。
具體實施例方式以下，基於附圖詳細地說明本發明涉及的電力接收裝置以及電力接收方法的實施例。此外，本實施例不是用來限定公開的技術的實施例。實施例圖I是包含本實施例涉及的電力接收裝置的電力輸送接收系統的構成圖，圖2是圖I所示的具有四個線圈的磁場諧振型電力輸送接收系統的等價電路圖。圖I所示的電力輸送接收系統I是包括電力輸送裝置2和電力接收裝置3的系統。電力輸送裝置2在其內部包括交流電源21、電力供給線圈11、以及電力輸送線圈12。另外，電力接收裝置3包括電力接收線圈13、四個電力取出線圈14_1 14_4、開關31、整流電路32、DD轉換器(直流·直流轉換器)33、電池(充電電池)34、以及控制電路35。電力輸送線圈12和電力接收線圈13分別是LC振蕩電路。LC振蕩電路的電容器要素可以通過元件來實現，也可以開放線圈的兩端，通過雜散電容來實現。在LC振蕩電路中，當設電感為L，電容器電容為C時，由式⑴確定的外即為諧振頻率。[數I] 8 -··:γ-…(I)在電力輸送線圈12的諧振頻率和電力接收線圈13的諧振頻率十分接近，並且電力輸送線圈12和電力接收線圈13的距離非常小的情況下，在電力輸送線圈12和電力接收線圈13之間能夠產生磁場諧振。因此，當在電力輸送線圈12處於諧振狀態並發生磁場諧振時，能夠從電力輸送線圈12向電力接收線圈13傳送磁場能量。磁場諧振方式具有如下優點與使用了電磁波的情況相比能夠傳送更大電力，與電磁感應方式相比可獲得更長的電力輸送距離。電力供給線圈11將從交流電源21獲得的電力通過電磁感應供給至電力輸送線圈
12。電力供給線圈11和電力輸送線圈12的配置為能夠產生電磁感應的距離以及配置。通過經由電力供給線圈11通過電磁感應使電力輸送線圈12諧振，能夠不需要電氣性地連接電力輸送線圈12和其他的電路，從而能夠任意地並且高精度地設計電力輸送線圈12的諧振頻率。電力取出線圈14_1 14_4配置在這些線圈與電力接收線圈13之間產生電磁感應的位置。開關31選擇電力取出線圈14_1 14_4中的任一個，使其與整流電路32連接。當電力接收線圈13通過磁場諧振而諧振時，從電力接收線圈13向電力取出線圈14_1 14_4中的開關31選擇的線圈發生通過電磁感應的能量移動。移動至開關31所選擇的線圈的能量被作為電力取出，經由開關31、整流電路32、DD轉換器33提供給電池34電池34。這樣通過經由電力取出線圈14_1 14_4通過電磁感應從電力接收線圈13取出電力，能夠不需要電氣性地連接電力接收線圈13和其他的電路，從而能夠任意地並且高精度地設計電力接收線圈13的諧振頻率。交流電源21輸出預定頻率以及振幅的交流電流。下面將該交流電源21的頻率稱為驅動頻率。與交流電源21電連接的電源供給線圈11以驅動頻率進行振動。因此，電力 輸送線圈12以驅動頻率進行諧振。同樣地，電力接收線圈13也是以驅動頻率進行諧振。這樣，在電力輸送接收系統I中，交流電源21的電力經過電源供給線圈11與電力輸送線圈12的電磁感應、電力輸送線圈12與電力接收線圈13的磁場諧振、以及電力接收線圈13與電力取出線圈14_1 14_4的電磁感應而被作為電力取出。被取出的電力被通過整流電路32轉換成直流，並接受DD轉換器33進行的電壓轉換而被用於電池34的充電。對於無線電力輸送所要求的性能，可以例舉出從電力輸送部到電力接收部的電力輸送效率。在圖I、圖2所示的例子中，將被輸入到電力供給線圈11的有效電力和被與電力取出線圈14連接的負載電阻所消耗的電力之比設為電力輸送效率。在對便攜電話等行動裝置或電動汽車(EV Electric Vehicle)進行供電的情況下，負載電阻部包括整流電路32、DD轉換器33、以及電池34。一般地在鋰離子電池充電過程中，如圖3所示，採取在接近放電狀態時進行恆定電流充電、當達到某種程度的充電量時進行恆定電壓充電的序列。在這種情況下，從磁場諧振型無線電力輸送系統角度來看，負載部的阻抗是逐漸變化的。因此，在固定了單個電力取出線圈的構成中，如圖4所示的那樣，難以始終實現良好的電力輸送效率。在圖4所示的例子中，如果負載電阻是10歐姆左右，那麼能夠獲得O. 8以上的良好的電力輸送效率。但是，當負載電阻為100歐姆時，電力輸送效率為O. 55左右，當負載電阻為1000歐姆時，電力輸送效率變為O. I左右。因此，圖I所示的電力接收裝置3為了抑制電力輸送效率隨著電池34的充電量的變化，即負載阻抗的變化而惡化或者變動，而根據電池34的充電狀態進行電力取出線圈14_1 14_4的切換控制。電力取出線圈14_1 14_4與負載阻抗的變化對應，其直徑的大小不同。電力取出線圈14_1 14_4如果配置為例如同心圓狀，則不需要確保新的多餘的空間。設置在電力取出線圈14_1 14_4和整流電路32之間的開關31根據來自控制電路35的指令選擇性地切換兩者的連接。控制電路35被輸入電池34的電壓或充電電流等、能夠檢測從磁場諧振系統角度看到的負載阻抗的信息。控制電路35基於該信息從電力取出線圈14_1 14_4中選擇與預先記錄的該負載阻抗對應的最優的線圈，並向開關31發送切換信號。通過以上的動作，即使在負載阻抗隨著電池34的充電而變大的情況下，也能夠抑制電力輸送效率的惡化或者變動。
圖5是說明對電力接收裝置3的電力輸送效率的說明圖。在使用直徑最小的電力取出線圈141的情況下，在負載電阻為10歐姆時電力輸送效率El超過0.8，在負載電阻大於100歐姆之後電力輸送效率El下降到小於O. 6。接著，在使用直徑小的電力取出線圈14_2的情況下，在負載電阻為10歐姆時電力輸送效率E2超過O. 8，在負載電阻大於100歐姆之後電力輸送效率E2下降到小於O. 8。接著在使用直徑小的電力取出線圈14_3的情況下，在負載電阻為100歐姆時電力輸送效率E3超過O. 8，在負載電阻大於1000歐姆之後電力輸送效率E3下降到小於O. 5。在使用直徑最大的電力取出線圈14_4的情況下，在負載電阻為100歐姆時電力輸送效率E4為O. 8左右，在負載電阻從100歐姆到1000歐姆之間電力輸送效率E4維持在O. 7以上。因此，在配合負載電阻來切換電力取出線圈14_1 14_4的情況下的電力輸送效率E5能夠在負載電阻直到1000歐姆的範圍內維持在O. 7以上。圖6以及圖7是說明電力取出線圈的具體例子的說明圖。在圖6、7中，為了簡化說明圖示出了三個電力取出線圈14_1 14_3。圖6所示的線圈基板14a在作為基板的一個面的第一層上設置有大小不同、重心重合的矩形形狀的配線，從而形成了電力取出線圈14_1 14_3。各矩形的配線在四個角中的一個處中斷，配線的端部與通孔連接。在圖6所示例子中，在通孔之中，通孔Hll被設置在與電力取出線圈14_3對應的配線的一個端部。線圈基板14a在基板的另一個面、即背面設置有連接通孔與基板外部的配線。該配線是用於連接負載側的連接用配線。另外，在線圈基板14a的背面，將三個矩形形狀的配線所分別具有的兩個端部中的一個與相同的連接用配線連接。這樣，被三個矩形形狀的配線所共用的連接用配線被始終與負載側連接，通過選擇其餘的三個配線中的一個來進行電力取出線圈14_1 14_3的切換。圖7所示的線圈基板14b在作為基板的一個面的第一層螺旋狀地設置有矩形的配線。螺旋狀的配線的兩個端部分別與通孔連接。這些端部之中，外周側的端部是通孔H12。除此之外，線圈基板14b在螺旋狀的配線的兩個端部的路徑上設置有兩個通孔。另外，線圈基板14b在基板的另一個面、即背面上設置有連接通孔和基板外部的配線。該配線是用於連接負載側的連接用配線。在線圈基板14b中，與通孔H12連接的連接用配線被始終與負載側連接，通過選擇其餘的三個通孔中的一個來進行電力取出線圈14_1 14_3的切換，並切換電力取出線圈的圈數。圖8是電力接收裝置3的電路構成圖。在圖8中示出了使用了線圈基板14a的情況的電路圖。被三個矩形形狀的配線所共用的連接用配線被與整流電路32連接。另外其餘的三個連接用配線被與開關31連接。開關31接收控制電路35的指示來切換三個連接用配線。整流電路32的輸出被輸入到DD轉換器33。在DD轉換器33和電池34的兩根配線中的一根上設置有電流檢測用的電阻(檢測電阻)Rs。控制電路35獲取被供給至電池34的電壓，並且獲取檢測電阻Rs前後的電壓來計算電流值。另外，控制電路35從電池34獲取餘量。控制電路35根據該供給電壓、電流、以及電池餘量來選擇使用的電力取出線圈，並根據需要向開關31輸出切換指示。圖9是說明控制電路35的處理動作的流程圖。當開始處理時，控制電路35檢測供給電壓、電流、以及電池餘量作為充電狀態(SlOl)。接著，控制電路35根據充電狀態來選擇使用的電力取出線圈(S102)，並根據需要向開關31輸出電力取出線圈的切換指示(S103)，然後結束處理。此外，該處理動作在電池34的充電過程中被控制電路35反覆地執行。圖10是說明電力輸送接收系統的變形例的說明圖。在圖10所示的電力輸送接收系統Ia中，電力接收裝置3a包括電力接收線圈13、一個電力取出線圈15、整流電路32、DD轉換器33、電池34、控制電路35a、以及位置控制機構36。電力接收裝置3a能夠通過位置控制機構36改變電力取出線圈15的位置，來調整電力接收線圈13和電力取出線圈15的距離。控制電路35a通過基於電池34的充電狀態來控制位置控制機構36能夠配合負載電阻的變化維持電力輸送效率。其他的構成以及動作與圖I所示的電力輸送接收系統I相同，因此對相同的構成要素標記相同的標號而省略說明。圖11是說明電力輸送接收系統的變形例的說明圖。圖11所示的電力輸送接收系統Ib是包括電力輸送裝置2b和電力接收裝置3b的系統。電力輸送裝置2b在其內部包括交流電源21b、電力供給線圈16。另外，電力接收裝置3包括電力取出線圈17、四個電力取出線圈17、開關31、整流電路32、DD轉換器33、電池34以及控制電路35b。在該電力輸送接收系統Ib中，從發送裝置2b的電力供給線圈16向接收裝置3b的電力取出線圈17的能量的移動被通過電磁感應來進行。因此，控制電路35b基於電池34的充電狀態來控制開關31選擇電力取出線圈17使得高效地進行通過電磁感應的能量的移動。這樣，公開的技術也能適用於通過電磁感應的無線供電。其他的構成以及動作與圖I所示的電力輸送接收系統I相同，因此針對相同的構成要素標記相同的標號而省略說明。如上所述，本實施例涉及的電力輸送接收系統I中，電力接收裝置3配合電池34的充電狀態來控制電力取出線圈的直徑或位置，因此能夠提高使用了磁場諧振或電磁感應的無線供電中的電力供給效率。此外，本實施例只不過是一個例子，能夠適當地改變構成以及動作來實施。例如，電池34可以配置在接收裝置3的外部，也可以能夠裝卸。另外，也可以構成為設置直徑相同，而距離電力接收線圈13或電力供給線圈16不同的多個電力取出線圈，與充電狀態配合地切換電力取出線圈。另外，也可以構成為設置直徑和距離分別不同的多個電力取出線圈。另外，還可以構成為固定電力取出線圈的位置，通過控制電力接收線圈的位置來改變電力取出線圈和電力接收線圈的距離。符號說明I、Ia 電力輸送接收系統2、2b 電力輸送裝置3、3b 電力接收裝置
11、16 電力供給線圈12電力輸送線圈13電力接收線圈14_1 14_4、15、17電力取出線圈14a、14b 線圈基板21、21b交流電源
31開關32整流電路33DD 轉換器 34電池35、35a、35b 控制電路36位置控制機構
權利要求
1.一種電力接收裝置，其特徵在於，包括 多個電力取出線圈，所述電力取出線圈從作為電力供給源的線圈取出電力； 開關，所述開關選擇所述多個電力取出線圈中的任一個並將其與電池連接；以及 控制部，所述控制部檢測所述電池的充電狀態從而切換所述開關； 其中， 所述多個電力取出線圈的直徑或者匝數或者與所述電力取出線圈的距離不同。
2.一種電力接收裝置，其特徵在於，包括 電力取出線圈，所述電力取出線圈從作為電力的供給源的線圈取出電力並對電池進行充電； 位置控制機構，所述位置控制機構控制作為所述電力的供給源的線圈與所述電力取出線圈的位置關係；以及 控制部，所述控制部檢測所述電池的充電狀態從而控制所述位置控制機構。
3.根據權利要求I或2所述的電力接收裝置，其特徵在於， 在裝置內部包括作為所述電力的供給源的線圈，作為所述電力的供給源的線圈通過磁場諧振從裝置外部的線圈接收電力。
4.一種電力接收方法，其特徵在於，包括以下步驟 檢測被與從作為電力的供給源的線圈取出電力的多個電力取出線圈中的任一個連接的電池的充電狀態； 基於所述電池的充電狀態來選擇所述多個電力取出線圈中的任一個；以及 基於所述選擇的結果來切換所述多個電力取出線圈與所述電池的連接關係。
5.一種電力接收方法，其特徵在於，包括以下步驟 檢測被與從作為電力的供給源的線圈取出電力的電力取出線圈連接的電池的充電狀態； 基於所述電池的充電狀態來確定作為所述電力的供給源的線圈與所述電力取出線圈的距離；以及 基於所述確定的距離來控制作為所述電力的供給源的線圈與所述電力取出線圈的位置關係。
全文摘要
電力接收裝置(3)的電力接收線圈(13)通過磁場諧振從電力輸送裝置(2)的電力輸送線圈(12)接收能量的供給。電力接收線圈(13)的能量被由開關(31)選擇的電力取出線圈(14_1～14_4)中的任一個作為電力取出、並被用於電池(34)的充電。控制電路(35)通過基於電池(34)的充電狀態選擇電力取出線圈(14_1～14_4)中的任一個來提高電池(34)的充電效率。
文檔編號H02J17/00GK102870315SQ201080066538
公開日2013年1月9日 申請日期2010年4月30日 優先權日2010年4月30日
發明者下川聰 申請人:富士通株式會社