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CN102301564A - 非接触电力传送装置 - Google Patents

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CN102301564A
CN102301564A CN2010800059556A CN201080005955A CN102301564A CN 102301564 A CN102301564 A CN 102301564A CN 2010800059556 A CN2010800059556 A CN 2010800059556A CN 201080005955 A CN201080005955 A CN 201080005955A CN 102301564 A CN102301564 A CN 102301564A
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CN
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coil
impedance
frequency
primary
load
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CN2010800059556A
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高田和良
铃木定典
中田健一
迫田慎平
山本幸宏
市川真士
石川哲浩
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Toyota Industries Corp
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Industries Corp
Toyota Motor Corp
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Publication date
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Abstract

非接触电力传送装置具有：交流电源；谐振系统、负载、阻抗测量部和分析部。谐振系统具有与交流电源连接的初级线圈、初级侧谐振线圈、次级侧谐振线圈和次级线圈。负载与次级线圈连接。阻抗测量部能够测量谐振系统的输入阻抗。分析部分析阻抗测量部的测量结果。

Description

非接触电力传送装置
技术领域
本发明涉及非接触电力传送装置。
背景技术
例如，在非专利文献1和专利文献1中，公开了一种如图11所示的以相互分离的状态配置2个铜线线圈51、52(谐振线圈)，通过电磁场谐振从一方铜线线圈51向另一方铜线线圈52传送电力的技术。具体而言，在与交流电源53连接的初级线圈54中产生的磁场，通过铜线线圈51、52的磁场谐振被增强。被增强后的磁场在铜线线圈52的附近，由次级线圈55利用电磁感应作为电力被取得，并向负载56供给。而且，经过确认，在把半径30cm的铜线线圈51、52离开2m配置的情况下，可以点亮作为负载56的60W的点灯。
另外，非专利文献1和专利文献1还记载了关于对机器人的供电。
非专利文献1：NIKKEI ELECTR0NICS 2007.12.3117页～128页
专利文献1：国际公开专利W0/2007/008646 A2
在该非接触电力传送装置中，为了高效率向负载供给交流电源的电力，需要把来自交流电源的电力高效率供给到谐振系统。但是，在非专利文献1和专利文献1中，只记载了非接触电力传送装置的概要。因此，没有关于具体如何可以实现能够高效率地进行电力供给的非接触电力传送装置的记载。
而且，谐振系统的输入阻抗会因谐振线圈间的距离和负载电阻而变化。因此，为了进行高效率的非接触电力传送，需要从交流电源53以与发送侧(送电侧)的铜线线圈51与接收侧(受电侧)的铜线线圈52的距离对应的最佳频率向初级线圈54供给电流。在是送电侧的铜线线圈51和受电侧的铜线线圈52都被固定配置在规定的位置来使用的非接触电力传送装置的情况下，最初只需要测量铜线线圈51、52之间的距离，以与该距离相适应的频率，向初级线圈54供给电流即可。但是，在例如对被配置在移动体上的负载非接触地进行电力传送的情况下，需要在配置了负载的移动体中配置受电侧的铜线线圈52。在这种情况下，在移动体停止在从送电侧的铜线线圈51接受电力的位置时，需要测量铜线线圈51、52之间的距离。如果为了测量铜线线圈51、52之间的距离而设置了专用的传感器，则在制造中增加了制造该传感器的工序，并使得装置大型化。而且，在对被配置在移动体中的二次电池进行充电的情况下，希望把握该二次电池的充电状态进行充电。但是，如果为了检测充电状态而设置专用的传感器，则在制造中增加了制造该传感器的工序，并使得装置大型化。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种通过分析谐振系统的输入阻抗，能够以最佳的条件进行电力传送的非接触电力传送装置。
为了达到上述的目的，本发明的非接触电力传送装置具有交流电源、谐振系统、负载、阻抗测量部和分析部。上述谐振系统具有与上述交流电源连接的初级线圈、初级侧谐振线圈、次级侧谐振线圈及次级线圈。上述负载与上述次级线圈连接。上述阻抗测量部能够测量上述谐振系统的输入阻抗。上述分析部分析上述阻抗测量部的测量结果。
附图说明
图1是表示本发明的一个实施方式的非接触电力传送装置的结构图。
图2是表示充电装置与移动体的关系的示意图。
图3(a)～(e)是使谐振线圈间的距离固定，使负载电阻变化时的谐振系统相对于频率的输入阻抗和输出电压的关系的曲线图。
图4(a)～(e)是使谐振线圈间的距离固定，使负载电阻变化时的谐振系统对频率的输入阻抗和电力传送效率的关系的曲线图。
图5是表示最大输出电压和最大电力传送效率相对于负载电阻的关系的曲线图。
图6是表示在负载电阻变化时的输入阻抗和频率的关系的曲线图。
图7(a)～(e)是使负载电阻固定，使谐振线圈间的距离变化时的谐振系统相对于频率的输入阻抗与电力传送效率的关系的曲线图。
图8(a)～(e)是使负载电阻固定，使谐振线圈间的距离变化时的谐振系统相对于频率的输入阻抗和输出电压的关系的曲线图。
图9是表示最大输出电压和最大电力传送效率相对于谐振线圈间的距离的关系的曲线图。
图10是表示在输入阻抗值的极大点和极小点的频率差与谐振线圈间的距离之间的关系的曲线图。
图11是表示现有的非接触电力传送装置的结构图。
具体实施方式
下面，根据图1～图10，对具体实现本发明的一个实施方式进行说明。
如图1所示，非接触电力传送装置10具有把从交流电源11供给的电力以非接触方式传送的谐振系统12。谐振系统12具有与交流电源11连接的初级线圈13、初级侧谐振线圈14、次级侧谐振线圈15和次级线圈16。次级线圈16与负载17连接。
在本实施方式中，非接触电力传送装置10被应用在对搭载于移动体(例如，车辆)18中的二次电池19进行非接触充电的系统中。而且，如图2所示，在移动体18中配置有次级侧谐振线圈15和次级线圈16。次级线圈16通过整流电路30与作为负载17的二次电池19连接。另外，交流电源11、初级线圈13和初级侧谐振线圈14被配置在以非接触状态对二次电池19进行充电的充电装置20中。
非接触电力传送装置10通过从交流电源11向初级线圈13施加交流电压，使初级线圈13中产生磁场。该磁场借助初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15的磁场谐振被增强。被增强后的磁场在次级侧谐振线圈15的附近由次级线圈16利用电磁感应作为电力(电能)被取得，并被供给负载17。初级线圈13、初级侧谐振线圈14、次级侧谐振线圈15和次级线圈16由电线形成。线圈的直径和匝数，对应要传送的电力的大小等适宜地设定。在本实施方式中，初级线圈13、初级侧谐振线圈14、次级侧谐振线圈15和次级线圈16具有相同的直径。
交流电源11是输出交流电压的电源。交流电源11的输出交流电压的频率可自由变化。因此，被施加在谐振系统12的交流电压的频率可自由变化。
充电装置20具有可测量谐振系统12的输入阻抗的阻抗测量部22和作为控制部的控制装置23。所谓“谐振系统12的输入阻抗”，是指在初级线圈13的两端测量出的谐振系统12整体的阻抗。控制装置23具有CPU24和存储器25，在存储器25中存储有分析阻抗测量部22的测量结果的分析程序。CPU24构成分析阻抗测量部22的测量结果的分析部。
分析程序包括根据阻抗测量部22的测量结果，计算出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15之间的距离(谐振线圈间的距离)的距离计算程序、和计算出与次级线圈16连接的负载17(二次电池19)的阻抗的负载计算程序。在存储器25中，存储有表示谐振系统12的输入阻抗值的极大点和极小点的交流电源11的频率差与谐振线圈间的距离的关系的距离计算用映射表。在输入阻抗的值的极大点和极小点分别出现在2处的情况下，存储有频率低的一侧的极大点的频率、与频率高的一侧的极小点的频率之差。另外，在存储器25中，存储有表示谐振系统12的输入阻抗、频率、负载的阻抗的关系的负载阻抗计算用映射表。
距离计算程序在求出了输入阻抗值的极大点的频率与极小点的频率之差后，使用距离计算用映射表求出与该频率差的值对应的谐振线圈间的距离。然后，控制装置23在进行非接触电力传送装置10的驱动时，控制交流电源11，以便向初级线圈13供给与至移动体18的距离对应的适当频率的交流电流。这里，所谓适当的频率是指与初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15之间的距离(谐振线圈间的距离)对应的频率，在把谐振系统12的输入阻抗值与频率的关系用曲线表示的情况下，表示在输入阻抗值的极大点的频率与极小点的频率之间的频率。另外，把谐振系统12中的电力传送效率最高的频率作为谐振频率。
负载计算程序根据阻抗测量部22的测量结果，使用负载阻抗计算用映射表，计算出负载17的阻抗。然后，控制装置23在进行充电时，根据二次电池19的阻抗的状态，把握从点电池19的充电状态，进行充电控制。
上述映射表，是根据在把谐振线圈间的距离，即初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15之间的距离固定改变与次级线圈16连接的负载的电阻(负载电阻)的情况下、和在把负载电阻固定改变谐振线圈间的距离的情况下，根据谐振系统12相对于频率的输入阻抗、电力传送效率和输出电压的关系的变化而做成的。
以下例举了以如下的规格形成初级线圈13、初级侧谐振线圈14、次级侧谐振线圈15和次级线圈16，进行了实验的情况的结果。作为各个线圈13、14、15、16的电线，使用尺寸为0.5sq(平方mm)的汽车用薄皮乙烯树脂绝缘低压电线(AVS线)。
初级线圈13和次级线圈16：匝数为2匝、直径为150mm，密绕
两谐振线圈14、15：匝数为45匝、直径为150mm，密绕，在线圈的两端形成开路。
[测量条件]
输入电压：20Vpp(振幅为10V)的正弦波2MHz～5MHz
谐振线圈间的距离：200mm
负载电阻：10Ω、20Ω、30Ω、50Ω、100Ω。
图3表示谐振系统12相对于频率的输入阻抗和输出电压的关系，图4表示相对频率的谐振系统12的输入阻抗和电力传送效率电压的关系。而且，图5表示最大输出电压和最大电力传送效率相对于负载电阻的关系，图6表示输入阻抗与频率的关系。另外，图5中的数字表示输出电压和电力传送效率η成为最大时的频率值(MHz)。而且，按照以下的算式求出电力传送效率η。
电力传送效率η＝(负载的消耗电力/向初级线圈输入的输入电力)×100[％]
从图3～图5中，可得出如下的结论。
最大输出电压随负载电阻的增加而单调地增加。
在负载电阻为50Ω时效率最高。
在正向电阻中，基于负载电阻的变化而引起的谐振频率的变动小。
负载电阻的变化在谐振频率附近对输入阻抗产生影响。
如果知道谐振线圈间的距离，则可根据预先设定的频率中的谐振系统12的输入阻抗求出负载电阻。
而且，在本实施方式中，作为负载阻抗计算用映射表，在存储器25中存储有表示与图6所示那样的各种谐振线圈间的距离对应的输入阻抗与频率的关系的多个曲线。
另外，举例说明，构成谐振系统12的各个线圈的规格相同，把负载电阻固定为50Ω，如下述那样变更谐振线圈间的距离，进行了实验的结果。
[测量条件]
输入电压：20Vpp(振幅为10V)的正弦波2MHz～5MHz
负载电阻：50Ω
谐振线圈间的距离：50mm、100mm、200mm、300mm、400mm
图7表示谐振系统12的输入阻抗和电力传送效率与频率的关系，图8表示输入阻抗和输出电压与频率的关系。而且，图9表示在改变了谐振线圈间的距离时的最大输出电压与最大电力传送效率的关系。另外，图9中的数字表示输出电压和电力传送效率η成为最大时的频率值(MHz)。
从图7～图9中，可得出如下的结论。
在谐振线圈间的距离增大到一定程度以上时，最大电力传送效率下降。
输出电压成为最大时的频率与电力传送效率成为最大时的频率不同。
如果缩短谐振线圈间的距离，则存在2个谐振点。这可以认为是由于谐振线圈的相互电感的影响变强的缘故。
在存在2个谐振点的距离中，以较宽频段(范围)存在高效率的谐振线圈间的距离。
根据谐振系统12的输入阻抗值的极大点的频率与极小点的频率之差(在输入阻抗值的极大点和极小点分别出现在2处的情况下，是频率低的一侧的极大点的频率与频率高的一侧的极小点的频率之差)，可求出谐振线圈间的距离。
图10是表示谐振系统12的输入阻抗值的极大点的频率与极小点的频率之差与谐振线圈间的距离的关系的曲线图。而且，在本实施方式中，作为距离计算用映射表，在存储器25中存储有负载电阻不同的多种图10所示那样的曲线图。
下面，对如上述那样构成的非接触电力传送装置10的作用进行说明。
在被配置在移动体18中的二次电池19成为需要充电的状态时，移动体18为了使用充电装置20进行二次电池19的充电，停止在与充电装置20对应的位置。另外，在移动体18中装备有检测二次电池19的负载电阻的传感器，当二次电池19的负载电阻达到预定的值时进行充电。
当在充电装置20中配备的未图示的传感器检测到移动体18停止在充电位置时，阻抗测量部22在预定的频率范围，例如2MHz～5MHz的范围内，测量谐振系统12的输入阻抗。CPU24根据阻抗测量部22的测量结果，分析谐振系统12的输入阻抗与频率的关系，首先，计算出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15的距离(谐振线圈间的距离)。具体而言，计算出在谐振系统12的输入阻抗的值与频率的关系在曲线上的情况下的，输入阻抗的值的极大点的频率与极小点的频率之差。然后，使用距离计算用映射表，求出与该频率差对应的谐振线圈间的距离。
然后，控制装置23以与该谐振线圈间的距离，即，充电装置20与移动体18的距离对应的适当频率，向初级线圈13供给交流电压。即，根据来自控制装置23的指令，从交流电源11向初级线圈13以谐振系统12的谐振频率，施加交流电压，在初级线圈13中产生磁场。该磁场借助初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15的磁场谐振而被增强。被增强后的磁场从次级侧谐振线圈15附近由次级线圈16作为电力被取得，通过整流电路30被供给到二次电池19，对二次电池19进行充电。
在充电开始后，CPU24根据阻抗测量部22的测量结果，计算出谐振系统12的输入阻抗，使用负载阻抗计算用映射表，计算出负载17，即，二次电池19的阻抗(负载电阻)。二次电池19的负载电阻随充电状态而就变化，在满充电的状态、和未到达满充电的状态下，其值不同。在存储器23中，存储有二次电池19的满充电状态的负载电阻的值，控制装置23在二次电池19的负载电阻的值达到了满充电状态的值，并经过规定的时间后，停止充电。
本实施方式具有下述的优点。
(1)非接触电力传送装置10具有交流电源11；具有与交流电源11连接的初级线圈13、初级侧谐振线圈14、次级侧谐振线圈15和次级线圈16的谐振系统12；以及与次级线圈16连接的负载17。并且，非接触电力传送装置10具备可测量谐振系统12的输入阻抗的阻抗测量部22、和分析阻抗测量部22的测量结果的分析部(CPU24)。因此，根据谐振系统12的输入阻抗的分析结果，能够以适宜的条件分析电力传送。
(2)CPU24至少根据阻抗测量部22的测量结果，能够计算出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15的距离(谐振线圈间的距离)，并且计算出负载17的阻抗。因此，不需要设置专用的距离传感器，即可求出谐振线圈间的距离，而且还能够确定与次级线圈16连接的负载17的阻抗。
(3)CPU24根据输入阻抗在低频率侧为极大值时的频率值、与输入阻抗在高频率侧为极小值时的频率值之差(频率差)，使用映射表计算出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15的距离。因此，不需要设置专用的距离传感器，即可求出谐振线圈间的距离。
(4)非接触电力传送装置10被应用在对被配置在移动体18中的二次电池19进行非接触充电的系统中。次级侧谐振线圈15和次级线圈16被配置在移动体18中。次级线圈16与作为负载的二次电池19连接，交流电源11、初级线圈13和初级侧谐振线圈14被配置在对二次电池19以非接触状态进行充电的充电装置20中。而且，充电装置20借助具有分析部(CPU24)的控制装置23，向初级线圈13供给与和移动体18之间的距离对应的适当频率的电流。因此，在进行充电时，由于以对应于与移动体18之间的距离的适当的频率向初级线圈13供给电流，所以可进行高效率的充电。
(5)次级侧谐振线圈15和次级线圈16被配置在移动体18中。次级线圈16与作为负载的二次电池19连接，交流电源11、初级线圈13和初级侧谐振线圈14被配置在对二次电池19以非接触状态进行充电的充电装置20中。而且，充电装置20由具备了CPU24的控制装置23，把握二次电池19的充电状态来进行充电控制。因此，在进行充电时，可避免充电不足和过充电。
(6)CPU24根据阻抗测量部22的测量结果，计算出与次级线圈16连接的二次电池19的阻抗。因此，不需要设置专用的传感器来把握二次电池19的充电状态。而且，利用送电侧的阻抗测量部22，可测量受电侧的负载的阻抗。
本发明不限于上述的实施方式，例如，也可以进行如下的具体实施。
初级线圈13、初级侧谐振线圈14、次级侧谐振线圈15和次级线圈16的匝数、直径，不限于上述实施方式的值。
移动体18不限于车辆用，也可以是具备了二次电池的自行式机器人、或便携式电子设备。
移动体18不限于具备了二次电池的移动体，也可以是由传送带等移送部移动到规定的作业位置，并且具备利用电力驱动的电动机的装置。在这种情况下，电动机构成负载17，在移动体18中，设置次级侧谐振线圈15和次级线圈16。而且，在每个作业位置设置交流电源11、初级线圈13、初级侧谐振线圈14和控制装置23。而且，在移动体18被移动到作业位置的状态下，从交流电源11向装置供给电力。
非接触电力传送装置10也可以构成为初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15被固定在规定的位置来使用的结构。例如，在初级侧谐振线圈14被设置在屋顶，次级侧谐振线圈15被设置在地面上的结构的情况下，在通过把初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15配置成与预先设定的谐振频率对应的谐振线圈间的距离，进行装置的高精度位置设置中，为了把初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15设置成目标距离，需要繁琐的操作。但是，根据测量谐振系统12的输入阻抗的阻抗测量部22的测量结果，可计算出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15的距离。因此，只要以设置的位置的谐振频率从送电侧进行电力传送，即使未高精度设置装置的位置，也能够高效率地进行非接触电力传送。
非接触电力传送装置10只要具有能够测量谐振系统12的输入阻抗的阻抗测量部22和分析阻抗测量部22的测量结果的分析部即可。例如，分析部(CPU24)可以根据阻抗测量部22的测量结果，能够计算出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15的距离，但不能计算出与次级线圈16连接的负载17的阻抗。而且，在进行二次电池19的充电时，不在送电侧(控制装置23)中判断二次电池19的充电状态，而是从充电开始经过规定的时间后结束充电，或者，在受电侧设置监测二次电池19的充电状态的检测部，根据来自受电侧的满充电信号，结束充电。
分析部(CPU24)也可以根据阻抗测量部22的测量结果，计算出与次级线圈16连接的负载17的阻抗，也可以不计算出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15的距离。例如，也可以在对移动体18的二次电池19进行充电时，设置专用传感器，该专用传感器用于检测出初级侧谐振线圈14与次级侧谐振线圈15的距离所对应的移动体18与充电装置20的距离，根据该传感器测量到的谐振线圈间的距离，确定谐振频率，由控制装置23进行充电控制。
作为距离计算用映射表，也可以取代表示输入阻抗的极大点的频率与极小点的频率之差与谐振线圈间的距离的关系的映射表，而使用表示初级线圈13的电压在最大点时的频率与最小点时的频率之差与谐振线圈间的距离的关系的映射表。
也可以取代距离计算用映射表，而使用表示输入阻抗在极大点的频率与极小点的频率之差与谐振线圈间的距离的关系的关系式，或者把表示初级线圈13的电压的最大点的频率与最小点的频率之差与谐振线圈间的距离的关系的关系式预先存储在存储器25中，在谐振线圈间的距离的计算中使用该关系式。
也可以取代负载阻抗计算用映射表，而把表示谐振系统12的输入阻抗、频率、负载的阻抗之间的关系的关系式预先存储在存储器25中，在负载阻抗的计算中使用该关系式。
在通过缠绕电线来形成线圈的情况下，线圈不限于圆筒状。例如，也可以形成为三角筒状、四边筒状、六边筒状等多边筒状、或椭圆筒状等单纯的形状，或者形成为非对称图形的其它异型剖面的筒状。
初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15不限于把电线缠绕成筒状的线圈，例如，也可以是把电线以在一个平面上圆周弯曲，并且顺序改变圆周弯曲部的长度的方式卷绕的形状。
线圈既可以是以使电线的相邻缠绕部彼此接触的方式密绕电线的结构，也可以是缠绕部彼此不接触的留出了缠绕部间隔的结构。
初级线圈13、初级侧谐振线圈14、次级侧谐振线圈15和次级线圈16没有必要全部形成相同的直径。例如，也可以是初级侧谐振线圈14和次级侧谐振线圈15为相同直径，初级线圈13和次级线圈16为不同直径。

Claims (7)

1.一种非接触电力传送装置，具有：
交流电源；
具有与上述交流电源连接的初级线圈、初级侧谐振线圈、次级侧谐振线圈和次级线圈的谐振系统；
与上述次级线圈连接的负载；
能够测量上述谐振系统的输入阻抗的阻抗测量部；和
分析上述阻抗测量部的测量结果的分析部。
2.根据权利要求1所述的非接触电力传送装置，其特征在于，
上述分析部，至少根据上述阻抗测量部的测量结果，计算上述初级侧谐振线圈与上述次级侧谐振线圈之间的距离，并且能够计算出上述负载的阻抗。
3.根据权利要求1所述的非接触电力传送装置，其特征在于，
上述分析部，至少根据上述阻抗测量部的测量结果，计算上述负载的阻抗，并且能够计算上述初级侧谐振线圈与上述次级侧谐振线圈之间的距离。
4.根据权利要求2或3所述的非接触电力传送装置，其特征在于，
上述次级侧谐振线圈和上述次级线圈被配置在移动体中，并且，上述次级线圈与作为负载的二次电池连接，上述交流电源、上述初级线圈和上述初级侧谐振线圈被设置在对上述二次电池以非接触状态进行充电的充电装置中，上述充电装置借助具有上述分析部的控制部以与和上述移动体的距离对应的适当的频率向上述初级线圈供给电流。
5.根据权利要求2～4中任意一项所述的非接触电力传送装置，其特征在于，
上述次级侧谐振线圈和上述次级线圈被配置在移动体中，并且，上述次级线圈与作为负载的二次电池连接，上述交流电源、上述初级线圈和上述初级侧谐振线圈被设置在对上述二次电池以非接触状态进行充电的充电装置中，上述充电装置借助具有上述分析部的控制部把握上述二次电池的充电状态来进行充电控制。
6.根据权利要求2～4中任意一项所述的非接触电力传送装置，其特征在于，
上述分析部根据上述输入阻抗在低频率侧为极大值时的频率的值与上述输入阻抗在高频率侧为极小值时的频率的值的差，来计算上述初级侧谐振线圈与上述次级侧谐振线圈之间的距离。
7.根据权利要求2～5中任意一项所述的非接触电力传送装置，其特征在于，
上述分析部根据预先设定的频率下的上述输入阻抗的值来计算出上述负载的阻抗。
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