非接觸送電系統的制作方法

專利名稱：非接觸送電系統的制作方法
技術領域：
本申請所公開 的技術涉及以非接觸方式對利用電能作為動カ源的設備進行送電的技術。
背景技術：
近年來，作為汽車的新型行駛驅動技木，將電能作為動カ源而利用電動機來產生驅動カ的電動汽車、利用內燃機與電動機的補充來產生驅動カ的所謂混合動カ汽車的開發不斷發展而趨于實用化。電能被搭載于車輛的蓄電裝置蓄積在車輛內。蓄電裝置可使用鎳氫電池、鋰離子電池等能夠再充電的二次電池，一般對二次電池的充電通過來自車輛外部的電源的送電來進行。作為送電的方法，除了利用線纜將車輛外部的電源和包括二次電池的蓄電裝置之間連接的情況之外，以非接觸狀態進行送電的方法也受到關注。已經公開了ー種下述的車輛用供電裝置為了從車輛外部的電源以非接觸狀態向電動車輛發送充電電力而具備高頻電カ驅動器、初級線圈、初級自激諧振線圈。來自電源的電カ被高頻電カ驅動器變換成高頻電力，并被初級線圈提供給初級自激諧振線圈。初級自激諧振線圈與位于車輛的次級自激諧振線圈之間產生電磁耦合，從而以非接觸狀態對車輛發送電力(專利文獻I)。另外，作為利用線圈或者天線來進行非接觸送電的技術，還公開了專利文獻2、非專利文獻I。專利文獻I :日本特開2009 - 106136號公報專利文獻2 :日本特表2009 — 501510號公報非專利文獻I :ァリステディスカラリス(Aristeidis Karalis)、另2名、「ヱ
フイシェン卜ワイヤレスノンラデイエイテイブミッドレンジエネルギー卜ランスファ
(Efficient wireless non-radiativemid-range energy transferノ」、[online]、2007年4月27、ァニユァルオブフィジックス(Annals of Physics) 323 (2008) p. 34-48、[平成21年 11 月 20 日検索]，インタ一ネッ卜< URL www. sciencedirect. com >然而，背景技術只不過例示了利用線圏/天線以非接觸狀態來進行電カ輸送用的電路構成。關于在進行送電時的從送電條件的識別、設定起經過送電開始到送電結束為止這ー系列的送電次序，則完全沒有公開。進行非接觸送電的電路構成通過基于可靠的送電次序(sequence)進行動作,能夠高效地送電。

發明內容
本申請所公開技術是鑒于上述課題而提出的，其目的在于提供一種在進行送電時，能夠通過從送電條件的識別、設定起經過送電開始到送電結束為止這一系列的送電次序來良好地執行非接觸送電的非接觸送電系統。本申請公開的技術所涉及的非接觸送電系統是以非接觸狀態對利用電能作為動力源的設備進行送電的非接觸送電系統。該非接觸送電系統的特征在于，具備受電側天線，其被搭載在設備中并通過電磁性耦合來受電；送電側天線，其通過電磁性耦合對受電側天線進行送電；交流電驅動器，其與送電側天線連接，在送電時供給規定頻率的交流電并且在進行送電之前對頻率進行掃描來供給交流電；以及檢測電路，當在交流電驅動器中對頻率進行掃描吋，該檢測電路對包括交流電驅動器和送電側天線以及受電側天線的系統的反射特性進行檢測；將由所述檢測電路檢測出的反射特性為諧振狀態的諧振頻率設為所述規定頻率。根據本申請公開的技術所涉及的非接觸送電系統，通過在送電之前進行頻率掃描，根據由檢測反射特性的檢測電路檢測出的反射特性來檢測諧振頻率，以該諧振頻率從交流電驅動器供給交流電，能夠高效地提供電カ。


圖I是表示非接觸送電系統的圖。圖2是表示送電動作中的諧振頻率的圖。圖3是表示在能夠供電的區域內發送接收天線雙方位于同一相隔距離時的駐波比(Standing Wave Ratio，以下簡稱為“SWR”)值的負載電阻依賴特性的圖。圖4是送電裝置的電路框圖。圖5是受電裝置的電路框圖。圖6是送電裝置動作時的流程圖。
圖7是受電裝置動作時的流程圖。圖8是表示在能夠供電的區域內存在發送接收天線雙方時的SWR值的頻率特性的圖。圖9是表示僅存在發送側天線時的SWR值的頻率特性的圖。圖10是送電裝置的頻率掃描的流程圖。
具體實施例方式圖I是將非接觸送電系統應用于向電動車或者混合動カ車送電的情況的系統構成圖。車輛2是電動車或者混合動カ車。表示車輛2向送電區域I入庫的狀態。在送電區域I中埋設有送電裝置10，其與車輛2中搭載的受電裝置20之間進行非接觸送電。在非接觸送電中，利用從送電裝置10的送電側天線11向受電裝置20的受電側天線21的電磁波所產生的電磁性耦合來進行電カ的發送。送電側天線11沿著送電區域I的地表面，配置形成電磁性耦合的耦合面11A。受電側天線21沿著車輛2的下面，配置形成電磁性耦合的耦合面21A。送電側天線11由包括發送規定頻率的交流電的交流電驅動器的送電部12驅動。送電部12被控制電路13控制。而且，由受電側天線21接收到的交流電被受電部22整流并蓄積到蓄電池等中。受電部22被控制電路23控制。這里，從送電部12的交流電驅動器發送給送電側天線11的交流電的規定頻率是包括送電側天線11以及受電側天線21的系統的諧振頻率。圖2表示系統的諧振頻率的特性圖。橫軸是送電側天線11與受電側天線21之間的間隔距離(L)，縱軸是諧振頻率(f)。間隔距離(L)為L = LO以上的區域是可忽略與受電側天線21的電磁性耦合的影響的區域。系統以不包括受電側天線21的送電側天線11所具有的固有諧振頻率(f = fO)諧振。在間隔距離(L)未L = LO以下的區域中，系統處于送電側天線11和受電側天線21被電磁性耦合的狀態。是受到伴隨著電磁性耦合的相互電感所產生的影響的區域。在該區域中，諧振頻率依賴于間隔距離(L)而變化。夾著送電側天線11固有的諧振頻率(f = fO)存在2個諧振點，呈現相互的諧振頻率隨著間隔距離(L)變短而分離的特性。另外，利用該區域中的諧振頻率能夠得到高的送電效率。圖2的曲線例如是在圖3所例示的從送電側天線11向受電側天線21傳送電カ時的SWR值相對于頻率的特性曲線中，對取SWR值的極小點的頻率進行繪制(plot)而得到的曲線。在送電側天線11與受電側天線21之間的間隔距離(L)相同的情況下，根據負載電
阻的大小的不同，圖2所示的系統的諧振頻率的頻率值的分離程度不同。即，負載電阻越小(在圖3中用實線表示的特性曲線)分離程度越大、越接近規定間隔距離，能夠準確地檢測出間隔距離(U。在圖3中，例示了當負載電阻變大吋，SWR值的極小點相互靠近并且峰值變得不清楚的特性。負載電阻變大時SWR值的極小點不分離而成為I個點的結果是，送電側天線11與受電側天線21之間的間隔距離(L)的檢測變得困難。即，還存在無論實際上是否位于能夠供電的區域內，都無法判斷為位于能夠供電的區域內的情況。因此，為了準確地檢測送電側天線11與受電側天線21之間的間隔距離(L)，需要使受電側天線21處于短路(閉環)狀態，盡量降低負載電阻量，使間隔距離(L)接近規定的距離，來提高檢測精度。圖4是送電裝置10的電路框圖。具備控制電路13、振蕩器14、驅動電路12A、匹配電路12B、SWR計12C以及送電側天線11。并且，在送電區域I具備區域內檢測傳感器15。從振蕩器14輸出的時鐘信號向控制電路13輸入，被用于控制電路13內的動作時鐘以及驅動電路12A的交流電送電等的周期控制。控制電路13基于從振蕩器14、SWR計12C、區域內檢測傳感器15接收到的信號，來控制驅動電路12A、匹配電路12B。驅動電路12A包括由逆變器(invertor)、放大器等構成的交流電驅動器，通過匹配電路12B以及SWR計12C向送電側天線11提供交流電。該交流電被控制電路13周期性控制成規定頻率的交流電。匹配電路12B為了更高效地將由驅動電路12A提供的交流電向送電側天線11提供，根據來自控制電路13的控制，取得送電側天線11與驅動電路12A的阻抗匹配。SffR計12C計測從驅動電路12A向送電側天線11發送的交流電的SWR值，并對控制電路13發送結果。檢測有無因交流電的傳播而引起的反射波。送電側天線11是具有電感分量和電容分量的LC諧振線圈，與后述的受電裝置20的受電側天線21之間電磁耦合，向受電側天線21發送電力。區域內傳感器15檢測車輛2是否進入到送電區域I，并將其結果發送給控制電路13。圖5是受電裝置20的電路框圖。受電裝置20具備控制電路23、振蕩器24、受電側天線21、受電檢測電路22A、切換電路22B、匹配電路22C、整流平滑電路22D以及充電電路 22E。從振蕩器24輸出的時鐘信號輸入到控制電路23，被用作控制電路23內的動作時鐘。
控制電路23基于從振蕩器24以及受電檢測電路22A接收到的信號，來控制切換電路22B以及充電電路22E。受電檢測電路22A例如具備電流傳感器，檢測流過受電側天線21的電流。檢測是否正在進行來自送電裝置10的交流電的送電。切換電路22B根據從控制電路23接收到的信號，來切換是使受電側天線21成為閉環狀態，或是與充電電路22E連接，還是處于開環狀態。匹配電路22C取得從受電側天線21到整流平滑電路22D的系統的 阻抗匹配，以使由受電側天線21接收到的交流電不被反射而通過整流平滑電路22D向充電電路22E供給。整流平滑電路22D將由受電側天線21供給的交流電變換成直流電カ并進行平滑化，然后向充電電路22E供給。充電電路22E是將由整流平滑電路22D供給的電カ向電池等蓄電裝置(未圖示)充電的電路。這里，蓄電裝置例如由鋰離子或鎳氫等二次電池、大容量的電容器構成。由控制電路23控制來進行充電控制。受電側天線21是具有電感分量和電容分量的LC諧振線圈，與送電側天線11之間電磁稱合，通過送電側天線11來接收交流電。下面，利用流程圖來說明送電裝置10和受電裝置20的動作。圖6表示送電裝置10動作時的流程圖。在送電裝置10動作開始(STO)后，送電裝置10待機到由區域內檢測傳感器15檢測出受電裝置20的進入為止(ST2)。通過待機到由區域內檢測傳感器15檢測出受電裝置20的進入為止，并在檢測出受電裝置20的進入后進行頻率掃描以及送電，能夠降低消耗電力。在由區域內檢測傳感器15檢測出受電裝置20的進入后，驅動電路12A以在受電側的受電側天線21中流過電流的程度的低電カ開始輸出電流(ST4)，在進行送電(ST8)之前維持低電カ下的輸出。由此，能夠降低消耗電力。在該電流輸出開始后，驅動電路12A根據控制電路13的控制對輸出電カ的頻率進行掃描(ST6)。通過ー邊掃描頻率ー邊利用SWR計12C計測SWR值，能夠得到輸出電カ的頻率和SWR值的特性。這里，SffR值極小的頻率是諧振頻率。輸出頻率的掃描在檢測出2個諧振頻率之前執行(ST8 :否)。在確認了 2個諧振頻率的情況下，確認為受電側天線21存在于送電側天線11的能夠供電區域內(ST8 :是)。圖8表示受電側天線21存在于送電側天線11的能夠供電區域內時的SWR值的頻率特性。另夕卜，在諧振頻率僅存在I個的情況下，可以說受電側天線21在送電側天線11的能夠供電區域內不存在。圖9表示只有送電側天線時的SWR值的頻率特性。在受電側天線21存在于送電側天線11的能夠供電區域內的情況下，以前述2個諧振頻率的某一方來進行送電(ST8)。其中，頻率掃描動作的詳細內容將后述。并且，可根據送電側天線11與受電側天線21之間的距離和諧振頻率的特性(圖2)，得到送電側天線11和受電側天線21的距離(ST10)。控制電路13對應于該天線間的距離來設定匹配電路12B(ST12)。然后，為了從送電裝置10向受電裝置20送電，驅動電路12A根據控制電路13的控制來增大輸出(ST14)。在充電結束時受電裝置20打開受電側天線21的環。由此，通過由送電部的SWR計12C計測出的SWR值發生變化，來檢測受電裝置20的充電結束，送電部檢測充電結束(ST16 :是)。檢測到充電結束的送電裝置10的控制電路13使驅動電路12A的輸出停止(ST18)。送電 部結束動作(ST20)。下面，圖7中表示受電裝置20動作時的流程圖。在動作開始(SRO)時受電裝置20的切換電路22B按照使受電側天線21成為閉環狀態的方式進行連接(SR2)。由此，相比于和充電電路22E連接的情況，具有能夠準確地檢測傳送路的阻抗的效果，能夠基于該信息更準確地推定送電側天線11與受電側天線21之間的間隔距離(L)。而且，由于以非常小的電カ進行動作，所以能夠降低消耗電力。受電檢測電路22A待機到被從送電裝置10提供電カ而在受電側天線21中流過電カ為止(SR4)。在受電側天線21中流過電カ后，受電檢測電路22A待機到檢測出受電側天線21中流過的電力大幅増加、即檢測出送電為止(SR6 :否)。在檢測出送電后(SR6 :是)，按照從受電側天線21連接到充電電路22E為止的方式，受電裝置20的控制電路23對切換電路22B進行控制(SR8)。與受電側天線21連接的充電電路22E開始電池的充電(SR10)。到電池的充電結束為止保持以上的狀態(SR12 :否)。當電池的充電結束時(SR12 :是)，控制電路23控制切換電路22B，切斷受電側天線21和充電電路22E的連接，并打開受電側天線21的環(SR14)。由此，能夠降低受電結束后的電カ消耗。受電部結束動作(SR16)。圖10表示驅動電路12A的頻率掃描時的流程圖。在頻率掃描中，使驅動電路12A的輸出頻率F從初期頻率Fs逐次増加頻率增加量A f直到結束頻率Fe為止。開始驅動電路12A的動作(SR))，進行初期設定。將計數器n設定為0 (SF2)，將計數器m設定為0 (SF4)。將輸出頻率F設定為初期頻率Fs (SF6)。通過以上步驟結束初期設定，以下開始使計數器n的值每個循環加I并使輸出頻率F每個循環增加△ f的循環云力作(SF8 SF26)。驅動電路12A以輸出頻率F輸出交流電(SF8)。利用SWR計來計測SWR值(SF10)，將得到的SWR值保存為第n次循環動作時的SWR值Sn (SF12)。當計數器n為2以上時(SF14 :是)，比較第n次循環動作時的SWR值Sn和第n —I次循環動作時的SWR值Sn — I、第n — I次循環動作時的SWR值Sn — I和第n — 2次循環動作時的SWR值Sn — 2 (SF16)。當與SWR值Sn — 2相比SWR值Sn — I小，并且與SWR值Sn — I相比Sn大時(SF16 :是)，在第n — I次循環動作時的輸出頻率Fn — I附近SWR值取極小。S卩，可以說第n — I次循環動作時的輸出頻率Fn — I是與諧振頻率相近的頻率。由此，將第n — I次循環動作時的輸出頻率Fn — I保存為諧振頻率Dm(SF18)，將計數器m的值加I (SF20)。然后，移向處理(SF22)。這里，在成為與SWR值Sn — 2相比SWR值Sn 一 I大，或者與SWR值Sn — I相比Sn小中的至少任意ー個條件的情況下(SF16 :否)，不進行處理(SF18)、(SF20)而移向處理(SF22)。在處理(SF22)中，將計數器n的值加I。將對當前的輸出頻率F加上頻率增加量Af 后的頻率重新設定為輸出頻率F (SF24)。在輸出頻率F為結束頻率Fe以下的情況下，返回到SF8 (SF26 :否)。在輸出頻率F大于結束頻率Fe的情況下結束頻率掃描，并移向下面的處理(SF28)(SF26 :是)。頻率掃描結束時的計數器m的值是從掃描到的頻率帶寬Fs開始到Fe之間存在的諧振頻率的個數。根據m的值來判斷接收天線21在供電區域內是否存在(SF28)。
在計數器m的值不是2的情況(SF28 :否)、即諧振頻率僅存在0或者I個的情況下，判斷為在能夠送電區域內不存在接收天線(SF30)。在計數器m的值是2的情況下(SF28 是)、即諧振頻率存在2個的情況下，判斷為在能夠送電區域內中存在接收天線(SF32)。通過以上步驟，結束頻率掃描(SF34)。當判斷為在能夠送電區域內存在接收天線時，通過將驅動電路12A輸出的交流電的輸出頻率F設為諧振頻率DO或者Dl，能夠高效地提供電カ。這里，驅動電路12A是交流電驅動器的一例，SWR計12C是檢測反射特性的檢測電路的一例。如以上詳細說明那樣，根據實施方式，能夠在檢測到車輛2進入送電區域I時自動地從送電裝置10向車輛內的受電裝置20提供電カ來進行充電。而且，在實際進行送電之前，以微弱的輸出來掃描送電部12輸出的交流電的頻率，通過SWR計的計測得到諧振頻率。由此，能夠判別受電側天線21在送電側天線11的能夠供電區域內是否存在。并且，通過以得到的諧振頻率從送電部12向送電側天線11提供電力，能夠高效地發送電力。另外，在利用區域內檢測傳感器15檢測到受電裝置20的進入后，驅動電路12A以在受電側的受電側天線21中流過電流的程度的低電カ開始輸出電流(圖6、ST4)，在進行送電(圖6、ST8)之前維持低電カ下的輸出。由此，能夠降低消耗電力。另外，如果電池的充電結束(圖7、SR12 :是)，則控制電路23控制切換電路22B，切斷受電側天線21和充電電路22E的連接，并且打開受電側天線21的環(圖7、SR14)。由此，能夠降低受電結束后的電カ消耗。另外，在動作開始(圖7、SR0)時受電裝置20的切換電路22B按照使受電側天線21處于閉環狀態的方式進行連接(圖7、SR2)。由此，相比于與充電電路22E連接的情況，具有能夠準確地檢測傳送路的阻抗的效果，基于該信息能夠更準確地推定送電側天線11與受電側天線21之間的間隔距離(L)。另外，由于以非常小的電カ進行動作，所以能夠降低消耗電力。另外，當充電結束時，受電裝置20打開受電側天線21的環。由此，通過由送電部的SWR計12C計測的SWR值發生變化，來檢測受電裝置20的充電結束，送電部能夠容易地檢測出充電結束(圖7、SR16)。在開始送電裝置10的動作(圖6、ST0)后，送電裝置10待機到由區域內檢測傳感器15檢測出受電裝置20的進入為止(圖6、ST2)。通過待機到由區域內檢測傳感器15檢測出受電裝置20的進入為止，并在檢測出受電裝置20的進入后進行頻率掃描以及送電，能夠降低消耗電カ。此外，本發明不限于上述實施方式，在不脫離本發明主g的范圍內能夠進行各種改良、變更，這自不待言。利用電能作為動カ源的設備也可以不是本申請實施例中的車輛，例如也可以是移動電話機、數字照相機及筆記本等便攜式設備、以及電視、家庭影院及數字相框等固定設備。檢測反射特性的檢測電路也可以不是本申請實施例中的SWR計，例如只要是計測從送電部12向送電側天線11提供的電流量的電路、計測被供給的電壓的波形的電路等能夠檢測交流電的反射多少的電路即可。附圖標記說明1…送電區域；2…車輛;10…送電裝置;11…送電側天線；11A…耦合面；12…送電部；13、23…控制電路；12A…驅動電路；12B…匹配電路；12C…駐波比(SWR)計；14、24…振蕩器；15…區域內檢測傳感器;20…受電裝置;21…受電側天線;21A… 耦合面；22…受電部；22A…受電檢測電路；22B…切換電路；22C…匹配電路；22D…整流平滑電路；22E…充電電路。
權利要求
1.一種非接觸送電系統，以非接觸狀態對利用電能作為動力源的設備送電，其特征在于，具備 受電側天線，其被搭載于所述設備并通過電磁性耦合來受電； 送電側天線，其通過所述電磁性耦合對所述受電側天線送電； 交流電驅動器，其與所述送電側天線連接，在送電時提供規定頻率的交流電并且在送電之前進行頻率掃描來提供交流電；以及 檢測電路，當在所述交流電驅動器中對頻率進行掃描時，該檢測電路檢測包括所述交流電驅動器和所述送電側天線以及所述受電側天線的系統的反射特性； 將由所述檢測電路檢測出的反射特性為諧振狀態的諧振頻率設為所述規定頻率。
2.根據權利要求I所述的非接觸送電系統，其特征在于， 在檢測出所述設備進入到送電側天線的能夠送電區域內之后，進行所述頻率掃描。
3.根據權利要求I或2中所述的非接觸送電系統，其特征在于， 在確認了兩個由所述檢測電路檢測出的所述諧振頻率的情況下，開始提供電力。
4.根據權利要求廣3中任意一項所述的非接觸送電系統，其特征在于， 所述交流電驅動器以與送電時相比低的電力提供所述頻率掃描時的交流電。
5.根據權利要求廣4中任意一項所述的非接觸送電系統，其特征在于， 具備切換所述受電側天線的連接目的地的切換電路， 在進行所述頻率掃描時，所述切換電路使所述受電側天線成為不包含負載的閉環。
6.根據權利要求5所述的非接觸送電系統，其特征在于， 所述切換電路在受電結束時使所述受電側天線成為開環。
7.根據權利要求6所述的非接觸送電系統，其特征在于， 所述檢測電路還根據所述反射特性從諧振狀態發生變化來檢測因所述受電側天線的開環引起的受電結束。
8.根據權利要求廣7中任意一項所述的非接觸送電系統，其特征在于， 具備對所述設備進入到能夠送電區域內進行檢測的區域內檢測傳感器。
全文摘要
本發明的目的在于提供一種在進行送電時，能夠通過從送電條件的識別、設定起經過送電開始到送電結束為止這一系列的送電次序來良好地執行非接觸送電的非接觸送電系統。在以非接觸狀態對利用電能作為動力源的車輛等設備進行送電的系統中，具備搭載于設備來接收電力的受電側天線和對受電側天線發送電力的送電側天線，當以諧振頻率振動的交流電通過天線間的電磁性耦合被送電時，如果檢測到在所述送電側天線能夠供電的區域內存在所述受電側天線，則開始送電，如果利用被送來的電力進行充電的設備中搭載的電源的充電結束，則停止送電。
文檔編號H02J17/00GK102714431SQ20118000700
公開日2012年10月3日 申請日期2011年1月26日 優先權日2010年1月26日
發明者伊藤泰雄 申請人:愛考斯研究株式會社