输电装置及非接触供电系统的制作方法

1.本发明涉及输电装置及非接触供电系统。


背景技术：

2.作为非接触地传输电力的技术之一，已知利用输电电极和受电电极之间的电容耦合的方法。在使用该方法的供电系统中，首先将输入的直流电力通过电力变换器变换为交流电力，使存在于输电电极间的电容耦合和与输电电极串联连接的电感共振，由此使输电电极产生高电压。而且，产生的电压通过输电电极和受电电极之间的电容耦合而供给至受电装置，对电力进行传输。
3.在对负载状态变动的受电装置供电的情况下，根据负载状态而对负载输出的电压发生变动。因此，为了将对负载输出的电压保持恒定，需要掌握负载状态，与负载状态相应地对电力变换器的输出电力进行控制(例如，参照专利文献1)。
4.专利文献1所公开的电力传输系统对2个输电电极间电压进行电容分压，根据电容分压后的交流电压而掌握负载状态，基于负载状态，以电力传输效率提高的方式对输电电路进行驱动控制。
5.专利文献1：日本专利第5093386号公报


技术实现要素：

6.在专利文献1所公开的方法、即对2个输电电极间电压进行电容分压，对电容分压后的电压进行检测的方法中，通常插入无源部件的电容器，因此输电电路内的共振条件会受到影响而变化。另外，在通过串联的电容器进行的电容分压中，受到电容器的电容特性的波动或者寄生电感的影响。由于这些原因，难以高精度地对电压进行检测，有可能无法进行掌握受电侧的负载状态的适当的控制。
7.本发明公开了用于解决上述课题的技术，其目的在于提供能够适当地控制对受电装置供给的电力的输电装置及非接触供电系统。
8.在本发明中公开的输电装置非接触地对具有受电电极的受电装置供给电力，输电装置具有：直流电源，其输出直流电力；电力变换器，其将从所述直流电源输出的直流电力变换为交流电力；输电电极，其被施加由所述电力变换器变换后的交流电力；电压检测部，其对所述输电电极的电压进行检测；以及控制部，其基于由所述电压检测部检测出的电压，对所述直流电源或者所述电力变换器进行控制，通过所述输电电极和所述受电电极之间的电容耦合对所述受电装置供给电力，所述电压检测部具有电压检测用电极，通过所述输电电极和所述电压检测用电极之间的电容耦合对所述输电电极的电压进行检测。
9.在本发明中公开的非接触供电系统具有：直流电源，其输出直流电力；电力变换器，其将从所述直流电源输出的直流电力变换为交流电力；输电电极，其被施加由所述电力变换器变换后的交流电力；受电装置，其具有与所述输电电极相对地配置的受电电极，通过所述输电电极和所述受电电极之间的电容耦合对电力进行受电，对负载供电；电压检测部，
其对所述输电电极的电压进行检测；以及控制部，其基于由所述电压检测部检测出的电压，对所述直流电源或者所述电力变换器进行控制，所述电压检测部具有电压检测用电极，通过所述输电电极和所述电压检测用电极之间的电容耦合对所述输电电极的电压进行检测。
10.发明的效果
11.根据在本发明中公开的输电装置及非接触供电系统，能够适当地控制对受电装置供给的电力。
附图说明
12.图1是表示实施方式1所涉及的非接触供电系统的结构的功能框图。
13.图2a是表示实施方式1所涉及的非接触供电系统的输电电路的结构的图。
14.图2b是表示实施方式1所涉及的非接触供电系统的输电电路的另一结构的图。
15.图2c是表示实施方式1所涉及的非接触供电系统的输电电路的其他结构的图。
16.图3a是表示在实施方式1所涉及的非接触供电系统中，输电电极、受电电极及电压检测用电极的配置的斜视图。
17.图3b是表示在实施方式1所涉及的非接触供电系统中，输电电极、受电电极及电压检测用电极的其他配置的斜视图。
18.图4是表示实施方式1所涉及的非接触供电系统的电压检测部的结构的图。
19.图5是表示实施方式2所涉及的非接触供电系统的结构的功能框图。
20.图6是表示实施方式2所涉及的非接触供电系统的受电装置的结构的图。
21.图7是实施方式1、2所涉及的非接触供电系统的控制部的硬件结构图。
具体实施方式
22.下面，参照附图，对本实施方式进行说明。此外，在各图中，同一标号表示相同或者相当的部分。
23.实施方式1.
24.下面，使用附图，对实施方式1所涉及的非接触供电系统进行说明。首先，对实施方式1所涉及的非接触供电系统1的结构进行说明。
25.＜非接触供电系统1的结构＞
26.图1是表示实施方式1所涉及的非接触供电系统1的结构的功能框图。非接触供电系统1具有输电装置2、受电装置3及从受电装置3被供给电力的负载35。
27.输电装置2具有直流电源21、电力变换器22、输电电路23、输电电极24、电压检测部26及控制部27。
28.直流电源21例如包含由开关电路构成的dcdc转换器，对从外部输入的直流电力的电压进行变换，对变换为规定的电压后的直流电力进行输出。通过开关电路的开关元件的通断动作而决定从直流电源21输出的电压。
29.电力变换器22例如包含由电桥电路构成的逆变器或者e级逆变器，将从直流电源21输出的直流电力变换为交流电力，对变换后的交流电力进行输出。在本实施方式中，电力变换器22是对高频电压或者高频电流进行输出的电源，输出波形可以是矩形波形状等包含多个频率成分的波形。
30.输电电路23接受从电力变换器22输出的交流电力，使输电电极24产生共振电压。输电电路23的详细内容在后面记述。
31.电压检测部26具有电压检测用电极25及电压检测电路251，利用输电电极24和电压检测用电极25之间的电容耦合而对输电电极24的电压进行检测。电压检测电路251的详细内容在后面记述。
32.控制部27基于由电压检测部26检测出的电压，对直流电源21进行控制。
33.受电装置3具有受电电极31、受电电路32、整流电路33及滤波器34。
34.如果对输电电极24施加电压，则通过输电电极24和受电电极31之间的电容耦合而传输交流电力。
35.受电电路32对传输至受电电极31的交流电力进行受电，对整流电路33输出交流电力。
36.整流电路33例如是将4个二极管元件进行全桥连接的电路结构，接受从受电电路32输出的交流电力，输出直流电力。
37.滤波器34例如是由电容器构成的c滤波器，使从整流电路33输出的电压及电流所包含的高频成分衰减。也可以与系统结构相应地，应用由电容器和电抗器构成的lc滤波器等不同的滤波器结构。
38.负载35进行从受电装置3供电的电力的消耗，例如是电动机或者蓄电用的电池等。另外，也可以是包含用于对负载电压进行调整的电力变换器在内的负载结构。在该情况下，负载35可以设置于受电装置3。
39.图2a是表示输电电路23的结构例的图。在图中，输电电路23包含输电侧共振电感231和输电侧共振电容器232。输电电极24由一对输电电极24a、24b构成，输电侧共振电感231和输电电极24a、24b串联连接，输电侧共振电容器232与输电电极24a、24b并联连接。在图2a中对输电侧共振电感231和输电侧共振电容器232的组合为1组的情况进行了说明，但如图2b所示，也可以是输电侧共振电感231和输电侧共振电容器232的组进行多组串联连接的输电电路23a的结构。另外，如图2c的输电电路23b那样，也可以以对输电侧共振电感231进行等分割而成为上下对称的方式连接。输电电路23只要是能够电容耦合的共振构造的电路即可，并不限定于这些。
40.图3a是表示在实施方式1所涉及的非接触供电系统1中，输电电极24、受电电极31及电压检测用电极25的配置的斜视图。输电电极24、受电电极31及电压检测用电极25各自具有正负的电极。在图中，正极侧的电压检测用电极25a配置为与输电电极24a的一面相对，受电电极31a配置为与输电电极24的另一面相对。同样地，负极侧的电压检测用电极25b配置为与输电电极24b的一面相对，受电电极31b配置为与输电电极24的另一面相对。如图所示，在各个电极的相对的面为长方形的情况下，输电电极24a、24b可以是比受电电极31a、31b及电压检测用电极25a、25b更长的形状。另外，如图3b所示，电压检测用电极25a、25b和受电电极31a、31b各自可以配置为与输电电极24a、24b的相同面相对。
41.此外，只要得到按照设计的电极间电容，则输电电极24、受电电极31及电压检测用电极25的大小、电极形状、配置等不受限制。如上所述如果面为长方形的形状，则电容的设计变得简便。
42.图4是表示电压检测部26的结构例的图。电压检测电路251具有与电压检测用电极
25a、25b并联连接的共振电容器261、与电压检测用电极25a、25b串联连接的共振电感262、整流电路263、滤波器264及电压检测电阻265。在这里，对共振电容器261和共振电感262的组合为1组的情况进行了说明，但也可以如图2b所示的输电电路23a那样，是连接有多组共振电容器261和共振电感262的结构。另外，也可以如图2c所示的输电电路23b那样，共振电感262以进行等分割而成为上下对称的方式连接。
43.整流电路263例如是将4个二极管元件进行全桥连接的电路结构，接受对电压检测用电极25a、25b施加的交流电压，对直流电压进行输出。
44.滤波器264例如是由电容器构成的c滤波器，使从整流电路263输出的电压所包含的高频成分衰减。也可以与系统结构相应地应用由电容器和电抗器构成的lc滤波器等不同的滤波器结构。
45.从滤波器264输出的直流电压由电压检测电阻265进行检测。
46.＜非接触供电系统1的动作＞
47.接下来，对本实施方式所涉及的非接触供电系统1的动作进行说明。
48.从输电装置2的直流电源21供给的直流电力由电力变换器22变换为高频的交流电力而输送至输电电路23。在输电电路23中，由于输电侧共振电感231和输电侧共振电容器232的共振，使输电电极24产生共振电压。对输电电极24施加电压，由此通过输电电极24和受电电极31之间的电容耦合，对受电装置3供给电力。
49.另外，如图4所示，如果对输电电极24施加电压，则通过输电电极24和电压检测用电极25之间的耦合电容cm，对电压检测用电极25施加电压vs。对电压检测用电极25施加的电压vs是将对输电电极24施加的电压vp乘以输电电极24和电压检测用电极25之间的耦合电容cm、相对于电压检测部26的共振电容器261的电容cs之比而得到的电压。即，以下的关系式成立。
50.【式1】
[0051][0052]
对电压检测用电极25施加的电压vs被整流后的直流电压由电压检测电阻265进行检测，输送至控制部27。
[0053]
在这里，使电压检测部26的共振电容器261的电容cs相对于输电电极24和电压检测用电极25之间的耦合电容cm而变大，由此由电压检测电阻265检测的电压成为低电压。因此，在对高电压进行检测的情况下，将电压检测电阻265设为将大于或等于2个电阻串联连接的结构，将对电压检测电阻265施加的直流电压进行分压而进行检测，但由于电压低，因此无需分压进行检测。在此基础上，对电压检测部26的共振电容器261施加的电压降低，电流几乎不流动，因此电容器的特性也不变。因此，对于通过输电电极24和受电电极31之间的电容耦合进行的电力的输电而言，由输电电极24和电压检测用电极25的电容耦合造成的影响能够忽略。
[0054]
控制部27根据由电压检测电阻265检测出的电压，对负载35的阻抗和向负载35输出的电压进行推定，对直流电源21的输出电力进行控制以使得向负载35输出的电压成为恒定。控制部27进行控制以使得由电压检测部26检测出的电压与作为目标的指令值接近。因此，从电力接通开始时起，直至作为目标的电压为止阶段性地使指令值不断增加，由此使得
能够防止输电电极24的电压急剧地升高。
[0055]
如以上所述，根据实施方式1，在电容耦合型的非接触供电系统1中，将电压检测用电极25与输电电极24相对地配置，根据电压检测用电极25和输电电极24之间的耦合电容对输电电极24的电压进行检测，对负载状态进行推定，因此与负载状态相应地对受电装置3的输入电力进行控制，由此能够适当地控制对受电装置3供给的电力。另外，不直接将电压检测部26与输电电极24进行连接，而是利用与电压检测用电极25的电容耦合对输电电极24的电压进行检测，因此也不会对输电电路23的共振条件造成影响。
[0056]
另外，作为电压检测部26而具有与电压检测用电极25连接的电压检测电路251，使电压检测电路251所具有的共振电容器261的电容cs大于电压检测用电极25和输电电极24之间的耦合电容cm，由此能够降低被检测的电压。被检测的电压降低，由此也无需设置电压分压电路，能够进一步实现装置的小型化。
[0057]
并且，对共振电容器施加的电压也降低，因此电容器的特性不变化，能够进行没有检测电压的变动的精度高的电压的检测。
[0058]
实施方式2.
[0059]
下面，使用附图对实施方式2所涉及的非接触供电系统进行说明。与实施方式1的不同点在于，实施方式2所涉及的非接触供电系统1具有多个受电装置3及负载35。下面，以与实施方式1的差异点为中心进行说明，对与实施方式1相同或者相当的点省略说明。此外，在实施方式2中，多个受电装置3是同等的受电装置。
[0060]
＜非接触供电系统1的结构＞
[0061]
图5是表示实施方式2所涉及的非接触供电系统1的结构的功能框图。非接触供电系统1以与输电装置2的1组输电电极24相对的方式，配置有受电装置3a、3b、3n的各受电电极31a、31b、31n，从1个输电装置2对多个受电装置3a、3b、3n进行供电。
[0062]
图6是表示受电装置3的结构例的图。图6的受电装置3相当于图5的受电装置3a、3b、3n的任意者。
[0063]
受电电路32具有受电侧共振电感321和受电侧共振电容器322。受电侧共振电感321和受电侧共振电容器322按照下述方式设计。关于输电侧共振电容器232的电容c1、输电电极24和受电电极31之间的耦合电容c＿12、受电侧共振电感321的电感l2、受电侧共振电容器322的电容c2和输电电力的频率f，以下关系成立。
[0064]
【式2】
[0065][0066]
由于该关系成立，因此关于对负载35输出的电压vout，使用对输电电极24施加的电压vp、输电侧共振电容器232的电容c1、输电电极24和受电电极31之间的耦合电容c＿12和受电侧共振电容器322的电容c2，通过下式表示。
[0067]
【式3】
[0068]
[0069]
因此，输电电极24的电压vp和对负载35输出的电压vout，不根据负载35的阻抗而变化。
[0070]
受电侧共振电感321可以如图2c所示的输电电路的发送侧共振电感231那样以进行等分割而成为上下对称的方式连接。另外，在这里，对受电侧共振电感321和受电侧共振电容器322的组合为1组的情况进行了说明，但也可以是将图2b所示的输电电路的发送侧共振电感231和发送侧共振电容器232进行多组连接的结构。
[0071]
整流电路33例如是将4个二极管元件进行全桥连接的结构，接受从受电电路32输出的交流电力，对直流电力进行输出。
[0072]
滤波器34例如是由电容器构成的c滤波器，使从整流电路33输出的电压及电流所包含的高频成分衰减。可以与系统结构相应地应用由电容器和电抗器构成的lc滤波器等不同的滤波器结构。
[0073]
负载35进行从受电装置3供电的电力的消耗，例如是电动机或者蓄电用的电池等。另外，可以是包含有用于对负载电压进行调整的电力变换器的负载结构。在该情况下，负载35可以设置于受电装置3。
[0074]
＜非接触供电系统1的动作＞
[0075]
接下来，对本实施方式2所涉及的非接触供电系统1的动作进行说明。
[0076]
从输电装置2的直流电源21供给的直流电力，通过电力变换器22变换为高频的交流电力而输送至输电电路23。在输电电路23中，由于输电侧共振电感231和输电侧共振电容器232的共振，使输电电极24产生共振电压。对输电电极24施加电压，由此通过输电电极24和各受电装置3的受电电极31之间的电容耦合，对各受电装置3供给电力。
[0077]
控制部27进行控制，以使得由电压检测部26检测出的电压vs成为使对负载35输出的电压vout乘以受电侧共振电容器的电容c2相对于电压检测部26的共振电容器261的电容cs之比而得到的电压。即，控制部27对直流电源21的输出电压进行控制，以使得成为
[0078]
【式4】
[0079][0080]
。控制部27以上述方式对电压vs进行控制，由此针对同等的受电装置3及负载35的连接，与负载35的负载状态无关，能够将对负载35输出的电压设为恒定。
[0081]
以往，针对多个受电装置3，为了将向各个负载35的输出电压保持恒定，需要使用高成本的光学传感器或者高频传感器，掌握从输电装置2被供给电力的受电装置3的数量，根据受电装置3的数量，进行对多个阻抗匹配电路进行切换的控制或者电力控制。但是，根据本实施方式2，无需这些追加部件及追加电路，即使受电装置3的数量变动，也能够将向从1个输电装置2被供给电力的全部受电装置3的负载35输出的电压保持恒定。
[0082]
如以上所示，根据实施方式2，在电容耦合型的非接触供电系统1中，具有对多个同等的受电装置3输电的结构，作为电压检测部26而具有与电压检测用电极25连接的电压检测电路251，将电压检测用电极25与输电电极24相对地配置，根据电压检测用电极25和输电电极24之间的耦合电容对输电电极24的电压进行检测，并且使用受电侧共振电容器的电容c2相对于电压检测电路251所具有的共振电容器261的电容cs之比对受电装置3的输入电力进行控制，因此在实施方式1的效果的基础上，针对多个受电装置3，与负载35的负载状态无
关，能够将对负载35输出的电压保持恒定。
[0083]
其他实施方式.
[0084]
在上述实施方式1、2中，控制部27对直流电源21的输出电力进行控制，但也可以取代为，控制部27基于由电压检测部26检测出的电压，对电力变换器22的输出电力进行控制以使得对负载35输出的电压成为恒定。在该情况下，直流电源21例如可以输出对来自系统的ac200v进行整流后的直流电压。另外，直流电源21也可以是蓄电装置。
[0085]
在上述实施方式1、2中，从电力变换器22经由输电电路23对输电电极24施加交流电压，但也可以从电力变换器22对输电电极24直接地施加交流电压。
[0086]
在上述实施方式1中，省略了受电装置3的详细内容，但当然能够将实施方式2的图6所示的受电装置3应用于实施方式1。
[0087]
此外，控制部27在图7示出硬件的一个例子，由处理器271和存储装置272构成。存储装置未图示，但具有随机存取存储器等易失性存储装置和闪存等非易失性的辅助存储装置。另外，也可以取代闪存而是具有硬盘的辅助存储装置。处理器271执行从存储装置272输入的程序。在该情况下，从辅助存储装置经由易失性存储装置对处理器271输入程序。另外，处理器271也可以将运算结果等数据输出至存储装置272的易失性存储装置，也可以经由易失性存储装置在辅助存储装置中对数据进行保存。
[0088]
本发明记载了各种例示性的实施方式及实施例，但在1个或者多个实施方式中记载的各种特征、方式及功能并不限定于特定的实施方式的应用，也能够单独或者通过各种组合而应用于实施方式。
[0089]
因此，在本说明书中所公开的技术范围内会想到没有例示的无数变形例。例如，包含至少将1个结构要素变形的情况、追加的情况或者省略的情况、并且包含至少对1个结构要素进行提取而与其他实施方式的结构要素组合的情况。
[0090]
标号的说明
[0091]
1：非接触供电系统，2：输电装置，3、3a、3b、3n：受电装置，21：直流电源，22：电力变换器，23、23a、23b：输电电路，24、24a、24b：输电电极，25、25a、25b：电压检测用电极，26：电压检测部，27：控制部，31、31a、31b、31a、31b、31n：受电电极，32、32a、32b、32n：受电电路，33、33a、33b、33n：整流电路，34、34a、34b、34n：滤波器，35、35a、35b、35n：负载，231：共振电感，232：共振电容器，251：电压检测电路，261：共振电容器，262：共振电感，263：整流电路，264：滤波器，265：电压检测电阻，271：处理器，272：存储装置，321：共振电感，322：共振电容器。

技术特征：
1.一种输电装置，其非接触地对具有受电电极的受电装置供给电力，输电装置具有：直流电源，其输出直流电力；电力变换器，其将从所述直流电源输出的直流电力变换为交流电力；输电电极，其被施加由所述电力变换器变换后的交流电力；电压检测部，其对所述输电电极的电压进行检测；以及控制部，其基于由所述电压检测部检测出的电压，对所述直流电源或者所述电力变换器进行控制，通过所述输电电极和所述受电电极之间的电容耦合，对所述受电装置供给电力，所述电压检测部具有电压检测用电极，通过所述输电电极和所述电压检测用电极之间的电容耦合，对所述输电电极的电压进行检测。2.根据权利要求1所述的输电装置，其中，所述控制部对所述直流电源或者所述电力变换器进行控制，以使得由所述电压检测部检测的电压维持恒定的值。3.根据权利要求1或2所述的输电装置，其中，在所述电力变换器和所述输电电极之间具有输电电路，所述输电电路具有共振电感及共振电容器，从所述电力变换器输入交流电力，通过所述共振电感和所述共振电容器，使所述输电电极产生共振电压。4.一种非接触供电系统，其具有：直流电源，其输出直流电力；电力变换器，其将从所述直流电源输出的直流电力变换为交流电力；输电电极，其被施加由所述电力变换器变换后的交流电力；受电装置，其具有与所述输电电极相对地配置的受电电极，通过所述输电电极和所述受电电极之间的电容耦合对电力进行受电，对负载供电；电压检测部，其对所述输电电极的电压进行检测；以及控制部，其基于由所述电压检测部检测出的电压，对所述直流电源或者所述电力变换器进行控制，所述电压检测部具有电压检测用电极，通过所述输电电极和所述电压检测用电极之间的电容耦合，对所述输电电极的电压进行检测。5.根据权利要求4所述的非接触供电系统，其中，所述控制部对所述直流电源或者所述电力变换器进行控制，以使得由所述电压检测部检测的电压维持恒定的值。6.根据权利要求4或5所述的非接触供电系统，其中，在所述电力变换器和所述输电电极之间具有输电电路，所述输电电路具有共振电感及共振电容器，从所述电力变换器输入交流电力，通过所述共振电感和所述共振电容器，使所述输电电极产生共振电压。7.根据权利要求4至6中任一项所述的非接触供电系统，其中，
所述受电装置具有受电电路，该受电电路包含与所述受电电极并联连接的电容器，所述电压检测部具有与所述电压检测用电极并联连接的电容器，如果将由所述电压检测部检测的电压设为vs，将对所述负载供电的电压设为vout，将所述电压检测部的电容器电容设为cs及将所述受电电路的电容器电容设为c2，则所述控制部对所述直流电源或者所述电力变换器进行控制以使得满足【式5】8.根据权利要求7所述的非接触供电系统，其中，具有多个所述受电装置，相对于1组所述输电电极将多个所述受电装置的各所述受电电极进行电容耦合而对各所述受电装置供给电力。

技术总结
非接触供电系统(1)具有：电力变换器(22)，其将从直流电源(21)输出的直流电力变换为交流电力；输电电极(24)，其被施加由电力变换器(22)变换后的交流电力；受电装置(3)，其具有受电电极(31)，通过输电电极(24)和受电电极(31)之间的电容耦合对电力进行受电，对负载(35)供电；电压检测部(26)，其对输电电极(24)的电压进行检测；以及控制部(27)，其基于由电压检测部(26)检测出的电压(Vs)，对直流电源(21)或者电力变换器(22)进行控制，电压检测部(26)具有电压检测用电极(25)，通过输电电极(24)和电压检测用电极(25)之间的电容耦合对输电电极(24)的电压进行检测。(24)的电压进行检测。(24)的电压进行检测。


技术研发人员：畑峻治
受保护的技术使用者：三菱电机株式会社
技术研发日：2020.12.14
技术公布日：2023/7/12