電磁耦合狀態檢測電路、電力輸送裝置、非接觸式電力輸送系統以及電磁耦合狀態檢測方法
【專利摘要】采用了一種構造，其中，測量包括與次級側線圈電磁耦合的初級側線圈（15）的電路的初級側Q值和在初級側線圈（15）與次級側線圈之間的電力輸送效率，使用該初級側線圈（15）的Q值校正該電力輸送效率，并且基于所獲得的校正值檢測其中初級側線圈（15）電磁耦合至次級側線圈的狀態。
【專利說明】電磁耦合狀態檢測電路、電力輸送裝置、非接觸式電力輸送系統以及電磁耦合狀態檢測方法
【技術領域】
[0001]本公開涉及電磁耦合狀態檢測電路、電力輸送裝置、非接觸式電力輸送系統以及電磁耦合狀態檢測方法。
【背景技術】
[0002]近年來，已積極地開發出了無線供電(B卩，以非接觸的方式)的非接觸式電力輸送系統。引起關注的實現非接觸式電力輸送方法是磁諧振法。磁諧振法使用傳輸線圈與接收線圈之間的電磁耦合來進行電力輸送。通過積極地利用諧振現象，磁諧振法的特征在于，在供電電源與供電目的地之間共用的磁通量的量會很小。
[0003]根據廣泛熟知的電磁感應法，傳輸側與接收側之間的耦合度是非常高的并且能夠高效率地供電。然而，因為需要將耦合系數保持在高水平，故如果傳輸側與接收側相距很遠或被移動，則傳輸側與接收側上的線圈之間的電力輸送效率(在下文中，稱為“線圈間效率”)將大幅降低。另一方面，磁諧振法的特征在于，當Q值很大時，即使耦合系數小，線圈間效率也不會降低。即，有利地消除了對傳輸側線圈與接收側線圈的軸進行調整的需要，并且還提供了傳輸側與接收側的位置以及其間的距離的高度靈活性。Q值是具有傳輸側或接收側線圈的電路中用以表示能量的保持與損失之間的關系(指示諧振電路的諧振強度)的指標。稍后將再次描述線圈間效率。
[0004]非接觸式電力輸送系統中最重要的要素之一在于，應對金屬異物的發熱的對策。當以無論是電磁感應法還是磁諧振法的非接觸方式供電時，如果傳輸側與接收側之間存在金屬，則產生渦電流，并且金屬會被加熱。為了減少發熱，已提出了很多技術來檢測金屬異物。例如，已知的有使用光學傳感器或者溫度傳感器的技術。然而，當類似于使用磁諧振法時供電范圍很大，則使用傳感器的檢測方法將很昂貴。此外，當使用溫度傳感器時，溫度傳感器的輸出結果取決于其附近的熱傳導率，這將對傳輸側與接收側的設備施加設計上的制約。
[0005]因此，提出了當在傳輸側與接收側之間存在金屬異物時，通過檢查參數(電流、電壓等)的變化來判斷是否存在金屬異物的技術。這種技術能夠降低成本而無需強加設計限制等。例如，專利文獻I提出了在傳輸側與接收側之間進行通信期間，基于調制度檢測金屬異物的方法，以及專利文獻2提出了基于渦流損耗檢測金屬異物的方法(通過DC-DC效率檢測異物)。
[0006]現有技術文獻
[0007]專利文獻
[0008]專利文獻I JP2008-206231A
[0009]專利文獻2 JP2001-275280A
【發明內容】
[0010]技術問題
[0011]然而，根據在專利文獻1、專利文獻2中所提出的技術，沒有考慮位于接收側的金屬殼的影響。當考慮普通的便攜設備(移動設備)的充電時，很可能一些金屬(諸如金屬殼、金屬部件等)用在便攜設備中并且難以斷定參數變化是由“金屬殼等的影響”還是“金屬異物的混入”所引起的。對于采用專利文獻2作為示例，渦流損耗是由便攜設備的金屬殼還是在傳輸側與接收側之間混入金屬異物引起的是未知的。
[0012]此外，當考慮到類似于磁諧振法的配置自由度高的供電范圍時，金屬殼對接收側上的設備的影響根據接收側上的設備(諸如便攜式電話的便攜設備)相對于供電范圍如何布置而改變。因而，將參照圖1 (a)至圖1 (C)描述便攜設備相對于傳輸側線圈(初級側線圈)的位置與金屬異物的影響之間的關系。
[0013]圖1 (a)示出了其中便攜設備4被布置在環形初級側線圈I (螺旋線圈)的一端(接近鐵芯3的位置)的示例，其中例如通過繞著環形鐵芯3纏繞細導線2來構成環形初級側線圈I。在這種情況下，對于包含在便攜設備4中的初級側線圈I與次級側線圈之間的線圈間效率，獲得了相對較大的值。圖1 (b)示出了其中便攜設備4被布置在初級側線圈I的一端并且在傳輸側與接收側之間存在金屬異物5的示例。在這種情況下，線圈間效率的值處于中等水平。此外，圖1 (c)示出了其中便攜設備4被布置在初級側線圈I的中心的示例，并且在這種情況下，線圈間效率的值處于中等水平。
[0014]在圖1 (a)至圖1 (C)的示例中，將具有其中細導線纏繞在具有磁體的鐵芯3上的結構的線圈作為初級側線圈I的示例，但從具有無鐵芯的結構的線圈中也獲得了相似的
測量結果。
[0015]因此，當便攜設備相對于初級側線圈被布置在某個位置時，根據是否如同圖1 (a)與I (b)的情況存在金屬異物而在線圈間效率的值之間產生差值，并且該差值能夠用于檢測金屬異物。然而，例如，通過使便攜設備的位置更接近于環形初級側線圈的中心，增加了便攜設備的金屬殼的影響并且與便攜設備處于初級側線圈的端部時的情況相比時，線圈間效率會降低。如果金屬外殼的影響程度超過金屬異物的影響程度，則非接觸式電力輸送系統不可能檢測到金屬異物。因為混入傳輸側與接收側之間的金屬異物通常被假定為小于接收側上的金屬殼，故當通過將金屬殼的影響考慮在內并還保持配置的自由度來構造非接觸式電力輸送系統時，檢測金屬異物的精確度成為問題。
[0016]考慮到上述情況創作了本公開，并且通過減少金屬殼對接收側(次級側)的影響來提高檢測存在于非接觸電力輸送系統中的傳輸側與接收側之間的金屬異物的精確度。
[0017]問題的解決方案
[0018]本公開的一個方面采用了這樣的構造:S卩，其中測量包括初級側線圈的電路的初級側Q值以及至次級側線圈的電力輸送效率的構造，其中初級側線圈與次級側線圈電磁耦合；基于初級側線圈的Q值校正電力輸送效率；并基于所獲得的電力輸送效率的校正值檢測與次級側線圈電磁耦合的狀態。
[0019]根據本公開的一個方面，即使在次級側存在金屬殼，也能夠校正其影響。
[0020]發明的有益效果
[0021]根據本公開，校正了金屬殼等對接收側(次級側)的影響，使得可提高檢測金屬異物的精確度。此外，能夠減少在初級側線圈的平面中改變次級側線圈的位置的影響。【專利附圖】
【附圖說明】
[0022][圖1](a)?(C)是示出了便攜設備相對于初級側線圈的位置與金屬異物的影響之間的關系的不圖。
[0023][圖2](a)?(C)是示出了當通過改變金屬的位置測量初級側的Q值時的測量條件的示圖。
[0024][圖3]是示出了在根據本公開第一實施方式的非接觸式電力輸送系統中所使用的電力輸送裝置的概要的說明圖。
[0025][圖4]是在圖3中所示的電力輸送裝置的電壓Vl和電壓V2的波形圖。
[0026][圖5]是示出了根據本公開第一實施方式的電力輸送裝置(初級側)的內部構造示例的框圖。
[0027][圖6]是示出了根據本公開第一實施方式的電力接收裝置(次級側)的內部構造示例的框圖。
[0028][圖7](a)?(C)是示出了當通過改變便攜設備的金屬殼的類型來測量每個參數時的測量條件的示圖。
[0029][圖8]是示出了根據本公開第一實施方式的金屬異物檢測處理的示例的流程圖。
[0030][圖9](a)、(b)是示出了諧振電路的其他示例(并聯諧振電路)的電路圖。
[0031][圖10]是示出了在根據本公開第二實施方式的串聯諧振電路中的阻抗的頻率特性的曲線圖。
[0032][圖11]是示出了在根據本公開第二實施方式的并聯諧振電路中的阻抗的頻率特性的曲線圖。
[0033][圖12]圖12是根據本公開第三實施方式的從阻抗的實部與虛部的比計算Q值的電路圖。
【具體實施方式】
[0034]下面將參考附圖描述實施本公開的實施方式。將以以下順序進行描述。對于每個圖共同的元件將被賦予相同的參考標號，以省略重復的描述。
[0035]1.第一實施方式(檢測單元:從初級側上的Q值與線圈間效率檢測金屬異物的示例)
[0036]2.第二實施方式(Q值運算單元:通過半功率帶寬法計算Q值的示例)
[0037]3.第三實施方式(Q值運算單元:從阻抗的實部與虛部的比計算Q值的示例)
[0038]4.其他(各種變形)
[0039]〈1.第一實施方式>
[0040][介紹性說明]
[0041]在本公開的第一實施方式(在下文中，也被稱為“本示例”)中，將描述通過使用非接觸式電力輸送系統的這些裝置檢測在電力輸送裝置或者電力接收裝置附近的諸如金屬的導體的構造和方法。在下文中，檢測諸如金屬的導體也可被描述為“檢測金屬”。本文中的導體包括廣義上的導體，即，半導體。
[0042]首先，將描述在磁諧振法的非接觸式電力輸送系統中傳輸側(初級側)與接收側(次級側)的線圈之間的電力輸送效率(線圈間效率)。
[0043]由公式(I)給出已知的線圈間效率的理論最大值nmax:
[0044][數學式I]
【權利要求】
1.一種電磁耦合狀態檢測電路，包括: 檢測單元，所述檢測單元測量包括與次級側線圈電磁耦合的初級側線圈的電路的初級側Q值以及向所述次級側線圈的電力輸送效率；基于所述初級側線圈的所述Q值校正所述電力輸送效率；以及根據所獲得的所述電力輸送效率的校正值檢測與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
2.根據權利要求1所述的電磁耦合狀態檢測電路， 其中，通過檢測與所述次級側線圈電磁耦合的狀態確定所述次級側線圈附近是否存在導體。
3.根據權利要求2所述的電磁耦合狀態檢測電路， 其中，所述Q值是諧振電路的Q值，所述諧振電路包括所述初級側線圈和電容器。
4.根據權利要求3所述的電磁耦合狀態檢測電路，其中，所述檢測單元包括: Q值運算單元，獲取施加至所述諧振電路的所述初級側線圈與所述電容器之間的第一電壓以及施加于所述初級側線圈兩端間的第二電壓，并由所述第一電壓與所述第二電壓之間的比率計算所述初級側Q值，所述諧振電路包括所述初級側線圈和所述電容器， 校正值運算單元，當所述初級側Q值是Ql并且所述電力輸送效率是Hmax時，根據以下公式計算校正值:
5.根據權利要求3所述的電磁耦合狀態檢測電路， 其中，所述檢測單元包括: Q值運算單元，使用半功率帶寬法計算所述初級側Q值，所述半功率帶寬法由阻抗是串聯諧振電路的諧振頻率處的阻抗的絕對值的倍的頻帶確定所述Q值，所述串聯諧振電路包括所述初級側線圈和所述電容器， 校正值運算單元，當所述初級側Q值是Ql并且所述電力輸送效率是Hmax時，根據以下公式計算校正值
6.根據權利要求3所述的電磁耦合狀態檢測電路，進一步包括: Q值運算單元，使用半功率帶寬法計算所述初級側Q值，所述半功率帶寬法由阻抗是并聯諧振電路的諧振頻率處的阻抗的絕對值的1/>/?倍的頻帶確定所述Q值，所述并聯諧振電路包括所述初級側線圈和所述電容器； 校正值運算單元，當所述初級側Q值是Ql并且所述電力輸送效率是Hmax時，根據以下公式計算校正值:
L 1-1et 以及確定單元，通過對由所述校正值運算單元計算出的校正值和根據在所述初級側線圈附近沒有導體時預先測量出的校正值所設定的閾值進行比較，來確定與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
7.根據權利要求3所述的電磁耦合狀態檢測電路，進一步包括: Q值運算單元，使用自平衡電橋電路和矢量比檢測器確定所述諧振電路的阻抗的實部分量和虛部分量，并由所述實部分量和所述虛部分量的比計算所述初級側Q值；以及 確定單元，通過對由所述Q值運算單元確定出的所述初級側Q值與根據在所述初級側線圈附近不存在導體時預先測量出的初級側Q值所設定的閾值進行比較，來確定與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
8.根據權利要求4所述的電磁耦合狀態檢測電路， 其中，所述電力輸送效率是初級側功率與次級側功率的比值，所述初級側功率為所述初級側線圈的感應電壓和感應電流的乘積，以及所述次級側功率為所述次級側線圈的感應電壓和感應電流的乘積。
9.一種電力輸送裝置，包括: 初級側線圈，與次級側線圈電磁耦合；以及 檢測單元，測量包括所述初級側線圈的電路的初級側Q值以及向所述次級側線圈的電力輸送效率；基于所述初級側線圈的所述Q值校正所述電力輸送效率；以及根據所獲得的所述電力輸送效率的校正值檢測與所述次級側線圈的電磁耦合的狀態。
10.根據權利要求9所述的電力輸送裝置， 其中，通過檢測與所述次級側線圈電磁耦合的狀態確定在所述次級側線圈附近是否存在導體。
11.根據權利要求10所述的電力輸送裝置， 其中，所述Q值是諧振電路的Q值，所述諧振電路包括所述初級側線圈和電容器。
12.根據權利要求11所述的電力輸送裝置， 其中，所述檢測單元包括: Q值運算單元，獲取施加至所述諧振電路的所述初級側線圈與所述電容器之間的第一電壓以及施加于所述初級側線圈兩端間的第二電壓，并從所述第一電壓與所述第二電壓之間的比率計算所述初級側Q值，所述諧振電路包括所述初級側線圈和所述電容器， 校正值運算單元，當所述初級側Q值是Ql并且所述電力輸送效率是Hmax時，根據以下公式計算校正值:"J I / mac.2Ia 以及確定單元，通過對由所述校正值運算單元算出的所述校正值與根據在所述初級側線圈附近不存在導體時預先測量出的校正值所設定的閾值進行比較，來確定與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
13.根據權利要求11所述的電力輸送裝置， 其中，所述檢測單元包括: Q值運算單元，使用半功率帶寬法計算所述初級側Q值，所述半功率帶寬法由阻抗是串聯諧振電路的諧振頻率處的阻抗的絕對值的倍的頻帶確定所述Q值，所述串聯諧振電路包括所述初級側線圈和所述電容器， 校正值運算單元，當所述初級側Q值是Ql并且所述電力輸送效率是Hmax時，根據以下公式計算校正值 ,1?=
I Qi
^7mm.1 以及確定單元，通過對由所述校正值運算單元計算出的校正值與根據在所述初級側線圈附近不存在導體時預先測量出的校正值所設定的閾值進行比較，來確定與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
14.根據權利要求11所述的電力輸送裝置，進一步包括: Q值運算單元，使用半功率帶寬法計算所述初級側Q值，所述半功率帶寬法由阻抗是并聯諧振電路的諧振頻率處的阻抗的絕對值的I/萬倍的頻帶確定所述Q值，所述并聯諧振電路包括所述初級側線圈和所述電容器； 校正值運算單元，當所述初級側Q值是Ql并且所述電力輸送效率是Hmax時，根據以下公式計算校正值: 以及確定單元，通過對由所述校正值運算單元計算出的校正值和根據在所述初級側線圈附近沒有導體時預先測量出的校正值所設定的閾值進行比較，來確定與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
15.根據權利要求11所述的電力輸送裝置，進一步包括: Q值運算單元，使用自平衡電橋電路和矢量比檢測器確定所述諧振電路的阻抗的實部分量和虛部分量，并由所述實部分量和所述虛部分量的比計算所述初級側Q值；以及 確定單元，通過對由所述Q值運算單元確定出的所述初級側Q值與根據在所述初級側線圈附近不存在導體時預先測量出的初級側Q值所設定的閾值進行比較，來確定與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
16.根據權利要求12所述的電力輸送裝置， 其中，所述電力輸送效率是初級側功率與次級側功率的比值，所述初級側功率為所述初級側線圈的感應電壓和感應電流的乘積，以及所述次級側功率為所述次級側線圈的感應電壓和感應電流的乘積。
17.—種非接觸式電力輸送系統,包括: 電力輸送裝置，無線輸送電力；以及 電力接收裝置，從所述電力輸送裝置接收所述電力， 其中，所述電力接收裝置包括: 次級側線圈，與所述電力輸送裝置的初級側線圈電磁耦合，以及 次級側通信單元，與所述電力輸送裝置通信，并且 其中，所述電力輸送裝置包括: 所述初級側線圈，與所述電力接收裝置的所述次級側線圈電磁耦合， 初級側通信單元，與所述電力接收裝置通信，以及 檢測單元，根據所述初級側通信單元接收的關于所述電力接收裝置的信息，測量包括所述初級側線圈的電路的初級側 Q值以及向所述次級側線圈的電力輸送效率；基于所述初級側線圈的所述Q值校正所述電力輸送效率；以及根據所獲得的所述電力輸送效率的校正值檢測與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
18.—種電磁耦合狀態檢測方法，包括: 測量包括與次級側線圈電磁耦合的初級側線圈的電路的初級側Q值以及向所述次級側線圈的電力輸送效率；以及 基于所述初級側的Q值校正所述電力輸送效率，并根據所獲得的所述電力輸送效率的校正值檢測與所述次級側線圈電磁耦合的狀態。
【文檔編號】H02J17/00GK103548237SQ201280022828
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年4月10日 優先權日:2011年5月18日
【發明者】中野裕章, 村上知倫, 福田伸一, 小堺修, 藤卷健一 申請人:索尼公司