专利名称：无线供电系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及基于用于电力的非接触(无线)供给和接收的非接触供电方式的无线 供电系统。
背景技术：
电磁感应方式被认为是无线供应电力的方式。此外，近年来，利用基于电磁共振现象的方式(被称为磁场共振方式)的无线供电 和充电系统引起了关注。目前，在已经广泛使用的基于电磁感应方式的非接触供电方式中，供电源和供电 目标(受电侧)需要共享磁通量。因此，供电源和供电目标为了高效率地传送电力需要被 设置得彼此非常接近，同时耦合的轴对准也很重要。相反地，由于电磁共振现象的原理，利用电磁共振现象的非接触供电方式相比于 电磁感应方式具有的优势是能够跨越更长的距离传输电力，并且即使轴对准的精度有些 低，传输效率也不会大幅度降低。除了磁场共振方式之外，电场共振方式也被认为是基于电磁共振现象的方式。例如，日本专利公开第2001-185939号(在下文中称为专利文献1)公开了利用磁 场共振方式的无线供电系统。在专利文献1中公开的技术具有这样的构造，其中通过电磁感应将电力从与供电 电路相连接的供电线圈传输至共振线圈(resonant coil)(也称为共鸣线圈(resonance coil)),并且频率由连接至共振线圈的电容和电阻来调节。近年来，在无线电力传输技术上已经有这样的报导，其中利用了基于磁场共振现 象的磁场共振方式，实现了跨越an的距离传输60W的电力。此外，在高效的“无线供电系统”的研发上已经有这样的报导，其中利用磁场共振 方式并传输60W的电力以驱动位于50cm距离处的电子设备。通过此无线电力传输技术，能够跨越几米的距离实现几十瓦电力的无线传输。从 而，期望将该技术应用于办公室和家庭中新概念的商用产品。
发明内容
然而，磁场共振型的无线供电系统存在这样的问题，S卩，当送电/受电的距离缩短 时，频率特性发生变化，并且传输效率相反还降低了。存在解决此问题的方法，例如，下列方法。具体地，响应于频率特性的变化，1)改变电源频率本身，以进行调整，2)调整送电侧上线圈的感应系数和电容以抵消该变化，和3)将调节阻抗的电路插入到送电侧的电源回路中。然而，在所有的方法中，都需要用于检测频率特性的变化并进行调整的某种装置，这阻碍了系统的简化和尺寸的减小。在磁场共振型的无线供电系统中，在送电侧和受电侧都需要具有高品质因数和大 尺寸的线圈。这尤其阻碍了受电侧的无线装置的尺寸减小。在电磁感应型的无线供电系统中，为了增强磁通量，使用了具有大量线圈匝数、铁 氧体核等等的线圈。这增加了重量，又阻碍了尺寸减小。本发明期望提供一种能够防止传输效率降低并实现系统简化和尺寸减小的无线 供电系统。根据本发明的第一实施方式，提供了一种无线供电系统，包括供电装置；和受电 装置，被构造为接收从供电装置传输的电力。供电装置包括电力发生器，用于产生将要给 供给的电力；和共振元件，被供给有由电力发生器产生的电力。受电装置包括受电元件， 接收从供电装置传输的电力；和匹配单元，包括用于在电力与受电元件的负载之间的连接 部分处进行阻抗匹配的功能。本发明的实施方式能够防止传输效率的降低，并能够实现系统的简化和尺寸减
图1是示出根据本发明的实施方式的无线供电系统的构造实例的框图。图2是示意性示出在根据实施方式的无线供电系统中的送电侧上的线圈和受电 侧上的线圈之间的关系的示图。图3是示出受电线圈的阻抗特性的Smith图，根据本实施方式的匹配电路连接至 该受电线圈；图4是示出了作为比较实例的受电线圈的阻抗特性的Smith图，其中该受电线圈 无匹配电路；图5是示出根据本实施方式的无线供电系统的传输损耗特性的特征图；图6是示出根据本实施方式的无线供电系统的传输距离、传输损耗和频率之间的 彼此相关联的关系的示图；图7是示意性地示出了在根据本实施方式的无线供电系统中的送电线圈和受电 线圈的示图；图8是示出了作为比较实例的共振型无线供电系统的传输损耗特性的特征图；图9是示出了作为比较实例的共振型无线供电系统的传输距离、传输损耗和频率 之间彼此相关联的关系的示图；图10是示意性地示出了作为比较实例的共振型无线供电系统中的送电线圈和受 电线圈的示图；图11是示出了作为比较实例的电磁感应型无线供电系统的传输损耗特性的特征 图；图12是示出了作为比较实例的电磁感应型无线供电系统的传输距离、传输损耗 和频率之间彼此相关联的关系的示图；图13是示意性地示出了作为比较实例的电磁感应型无线供电系统中的送电线圈 和受电线圈的示图14是示出了根据本发明第二实施方式的无线供电系统的构造实例的框图；图15是示出了根据本发明第三实施方式的无线供电系统的构造实例的框图；以 及图16是示出了根据本发明实施方式的无线供电系统的应用实例的示图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明的实施方式进行描述。描述顺序如下。1.第一实施方式(无线供电系统的第一构造实例)2.第二实施方式(无线供电系统的第二构造实例)3.第三实施方式(无线供电系统的第三构造实例)4.第四实施方式(无线供电系统的应用)<1.第一实施方式>图1是示出了根据本发明第一实施方式的无线供电系统的构造实例的框图。图2是示意性地示出了在根据第一实施方式的无线供电系统中的送电侧上的线 圈和受电侧上的线圈之间的关系的示图。此无线供电系统10形成为电力传输系统。此无线供电系统10具有供电装置20和受电装置30。供电装置20包括送电线圈单元21和高频电力发生器22。送电线圈单元21具有作为供电元件的供电线圈211和作为共振元件的共振线圈 212。尽管也将共振线圈称之为共鸣线圈，但是在本实施方式的描述中将使用术语“共 振线圈”。供电线圈211由被提供有交流(AC)电流的环形线圈来形成。共振线圈212由通过电磁感应耦合至供电线圈211的空心线圈来形成，并高效地 无线传输由供电线圈211所供给的AC电力。在供电侧，供电线圈211和共振线圈212通过电磁感应而相互强烈地耦合。高频电力发生器22产生用于无线电力传输的高频电力(AC电力)。将由高频电力发生器22所产生的高频电力提供给(施加于)送电线圈单元21的 供电线圈211。受电装置30包括受电线圈单元31、检测电路32，以及诸如发光二极管(LED)的负 载33，作为所接收电力的供给目标。受电线圈单元31具有受电线圈311和作为匹配单元的匹配电路312。受电线圈311与供电装置20侧的共振线圈212具有耦合关系，并接收由供电装置 20所传输的AC电力。匹配电路312具有根据控制器(未示出)提供的控制信号在受电线圈311的负载 端进行阻抗匹配的功能。检测(整流)电路32将所接收到的AC电力进行整流以将其转换为直流(DC)电 力。随后，在电压调节电路(未示出)中，将所提供的DC电力转换为适于作为供给目标的电子装置的规格的DC电压，并将经调节的DC电压提供给诸如LED的负载33。下面将结合图2描述送电线圈和受电线圈的构造实例。在此无线供电系统10中，共振线圈是唯一的一个线圈，也就是，在送电侧的共振 线圈212。送电侧的供电线圈211和共振线圈212通过电磁感应彼此耦合。此外，受电侧的受电线圈311和共振线圈212彼此耦合，以向负载33提供电力。将送电侧的供电线圈211和共振线圈212集成作为送电(供电)装置，使得可以 使用在受电侧仅包括受电线圈311和匹配电路312的构造，从而允许受电装置30的尺寸减 小和简化。下面将描述此无线供电系统10的全部操作的概要。将由高频电力发生器22所产生的AC电力提供给供电线圈211，然后通过基于电磁 感应的耦合经由供电线圈211被传输至用于送电的共振线圈212。提供至用于送电的共振线圈212的电力在由共振线圈212确定的频率下经由与匹 配电路312连接的受电线圈311被提供至检测电路32。通过检测电路32将AC电力转换为DC电力。之后，在电压调节电路(未示出)中， 将DC电力转换为适于作为供给目标的电子装置的规格的DC电压，并将经调节的DC电压提 供至诸如LED的负载33。还可以根据所使用的系统改变由送电侧的共振线圈212所确定的频率。然而，此 系统10中的受电线圈311不共振。因此，通过调节根据送电侧的共振线圈212和受电线圈311之间的距离而变化的 耦合强度以及由匹配电路312实现的阻抗调节，受电侧甚至可结合具有不同共振频率的送 电线圈来使用。即，在本实施方式的无线供电系统10中，频率由用于送电的共振线圈212来确定。此外，通过根据送电侧的共振线圈212和受电线圈311之间的距离D而变化的耦 合强度的调节以及由受电侧的匹配电路312实现的阻抗调节，可以调节传输特性。下面将考虑受电线圈的阻抗特性。图3是示出了根据本实施方式的匹配电路所相连至的受电线圈的阻抗特性的 Smith 图。图4是示出了作为比较实例的无匹配电路的受电线圈的阻抗特性的Smith图。由于受电线圈311具有线圈匝数小而较小结构，所以其感应系数和电容值小，并 且其阻抗低。因此，如果受电线圈311像在比较示例中一样不具有匹配电路，则阻抗相对于受 电侧的负载33来说不匹配，从而传输损耗较大。因此，如图4所示，如果利用这样的结构， 则不可能高效率地进行使用。相反，像在本实施方式中一样在受电线圈311和负载33之间增加匹配电路312，可 实现相对于负载的阻抗匹配，并如图3所示，能增强传输效率。下面，将考虑根据本实施方式的无线供电系统的传输损耗特性。作为比较实例，还将示出磁场共振型的无线供电系统和电磁感应型的无线供电系 统的传输损耗特性。
图5是示出了根据本实施方式的无线供电系统的传输损耗特性的特征图。图6是示出了根据本实施方式的无线供电系统的传输距离、传输损耗和频率之间 彼此相关联的关系示图。图7是示意性地示出了在根据本实施方式的无线供电系统中的送电线圈和受电 线圈的示图。在图7中，示出了共振线圈212和受电环形线圈311a之间的相应关系。在此实例中，共振线圈212被形成为矩形形状，其中线圈匝数是14，并且一边的长 度为170mm。受电环形线圈311a被形成为矩形形状，其中线圈匝数是1，并且一边的长度为 90mmo在这两个线圈中，线圈的导线直径为1mm。共振线圈212和受电线圈311a之间的距离为传输距离D。在图5中，横坐标指示频率，纵坐标指示传输损耗。在图5中，由K指示的曲线示出了在传输距离D为IOmm时的传输损耗特性，由L 指示的曲线示出了在传输距离D为30mm时的传输损耗特性。在图5中，由M指示的曲线示出了在传输距离D为50mm时的传输特性，由N指示 的曲线示出了在传输距离D为IOOmm时的传输特性。在根据本实施方式的无线供电系统10中，如图5和图6所示，当传输距离D为IOmm 时，传输损耗为-0. 22 [dB]，共振频率为13. 0 [MHz]。当传输距离D为30mm时，传输损耗为-0. 26 [dB]，频率为12. 9 [MHz]。当传输距离D为50mm时，传输损耗为-0. 64[dB]，频率为12. 8 [MHz]。当传输距离D为IOOmm时，传输损耗为-4. 13 [dB]，频率为12. 8 [MHz]。如刚才所述，在根据本实施方式的无线供电系统10中，即使在传输距离D缩短时， 共振线圈212的频率特性不发生变化，因此传输特性不会恶化。图8是示出了作为比较实例的共振型无线供电系统的传输损耗特性的特征图。图9是示出了作为比较实例的共振型无线供电系统的传输距离、传输损耗和频率 之间彼此相关联的关系的示图。图10是示意性地示出了作为比较实例的共振型无线供电系统中的送电线圈和受 电线圈的示图。在图10中，示出了送电侧的共振线圈212和受电侧的共振线圈313之间的相应关系。在此实例中，送电侧的每个共振线圈212和受电侧的每个共振线圈313被形成为 矩形形状，其中线圈匝数为14，一边的长度为170mm。在这两个线圈中，线圈的导线直径为1mm。送电侧的共振线圈212和受电侧的受电线圈311之间的距离为传输距离D。在图8中，横坐标指示频率，纵坐标指示传输损耗。在图8中，由M指示的曲线示出了在传输距离D为50mm时的传输特性，由N指示 的曲线示出了在传输距离D为IOOmm时的传输特性。在共振型的无线供电系统中，如图8和图9所示，当传输距离D为IOOmm时，传输损耗为-0. 21[dB]，频率为 13. 4 [MHz]。当传输距离D为50mm时，传输损耗为-6. 45 [dB]，频率为13. 4 [MHz]。如刚才所述，在共振型的无线供电系统中，在传输距离D缩短时，正相反，频率特 性发生变化，在所使用频带中的传输特性恶化。图11是示出了作为比较实例的电磁感应型的无线供电系统的传输损耗特性的特 征图。图12是示出了作为比较实例的电磁感应型无线供电系统的传输距离、传输损耗 和频率之间彼此相关联的关系的示图。图13是示意性地示出了作为比较实例的电磁感应型无线供电系统中的送电线圈 和受电线圈的示图。在图13中，示出了送电侧的供电线圈(送电线圈)211b和受电侧的供电线圈(受 电线圈)31 Ib之间的相应关系。送电侧的供电线圈211b和受电侧的供电线圈311b之间的距离是传输距离D。在图11中，横坐标指示频率，纵坐标指示传输损耗。在图11中，由J指示的曲线示出了在传输距离D为5mm时的传输特性。由K指示 的曲线示出了在传输距离D为IOmm时的传输特性。由L指示的曲线示出了在传输距离D 为50mm时的传输特性。在电磁感应型的无线供电系统中，如图11和图12所示，当传输距离D为5mm时， 传输损耗为-0. 09 [dB]，频率为0. 7 [MHz]。当传输距离D为IOmm时，传输损耗为-4. 22[dB]，频率为0.7 [MHz]。当传输距离D为50mm时，传输损耗为_10. 40[dB]，频率为0. 3 [MHz]。如刚才所述，在电磁感应型的无线供电系统中，传输特性在传输距离D增加时变差。也就是，在电磁感应型的无线供电系统中，传输距离是几个毫米。相反，在根据本实施方式的无线供电系统10中，传输距离相比于电磁感应型能够 被延长。从而，无线供电系统10在放置方面具有高度的灵活性，并适于小装置的供电和充此外，如上所述，与共振型不同，根据本实施方式的无线供电系统10不存在这样 的问题，即，当传输距离缩短时，相反地，频率特性发生变化，并且传输特性恶化了。也就是，在根据本实施方式的无线供电系统10中，即使在传输距离缩短时，共振 线圈的频率特性不发生变化，从而传输特性不会恶化。<2.第二实施方式〉图14是示出了根据本发明的第二实施方式的无线供电系统的构造实例的框图。根据第二实施方式的无线供电系统IOA与根据第一实施方式的无线供电系统10 的不同之处在于，匹配电路213连接至供电装置20A的送电线圈单元21A中的供电线圈 211。在此无线供电系统IOA中，将由高频电力发生器22所产生的AC电力经由连接至 匹配电路213的供电线圈211通过基于电磁感应的耦合而传输至用于送电的共振线圈212。 在匹配电路213中，进行送电侧上的阻抗调节。
供给至用于送电的共振线圈212的电力在共振频率下经由连接至匹配电路312的 受电线圈311而被供给至检测电路32。通过以这种方式将匹配电路213连接至供电线圈211 (同样在送电线圈单元21A 中)，能够实现送电侧的阻抗调节，并且能够增强传输效率。<3.第三实施方式〉图15是示出了根据本发明的第三实施方式的无线供电系统的构造实例的框图。根据第三实施方式的无线供电系统IOB与根据第一实施方式的无线供电系统10 的不同之处在于，在供电装置20B的送电线圈单元21B中设置供电位置变换器214而不是 供电线圈211。供电位置变换器214包括(例如)改变AC电力供给线和共振线圈212之间的连 接节点的开关。供电位置变换器214能够将供电位置改变至共振线圈212，并能调节共振线 圈的共振频率和共振线圈的阻抗。在此无线供电系统IOB中，由高频电力发生器22产生的AC电力经由供电位置变 换器214通过基于电磁感应的耦合而被传输至用于送电的共振线圈212。提供至用于送电的共振线圈212的电力在共振频率下经由连接至匹配电路312的 受电线圈311而提供至检测电路32。通过在送电线圈单元21B中设置供电位置变换器214并以这种方式改变供电位 置，能够实现共振线圈的共振频率的调节和共振线圈的阻抗的调节，并且能够增强传输效率。<4.第四实施方式〉图16是示出了根据本发明实施方式的无线供电系统的应用实例的示图。在此应用实例中，供电装置(送电装置)20C形成为能够放置在桌子等上面并具有 例如矩形平行六面体形状的装置。在图16中，作为受电装置的实例，示出了诸如便携式终端的小装置的充电器30C 和电子照明器30D。用于受电的环形线圈311结合在小装置30C和电子照明器30D中。对于放置在供电装置20C的主表面上或者与供电装置20C相距几十毫米的小装置 的充电器30C和电子照明器30D，电力从结合在供电装置20C中的共振线圈212传输出来， 使得被传输的电力可用于对小装置的充电器30C、电子照明器30D等供电。这个无线供电系统IOC(类似于共振型)在位置对齐方面具有高灵活性，并能够同 时并行地向装置的多个部分供电。如上所述，本发明实施方式的无线供电系统能够获得下列有益效果。具体地，根据这些实施方式，共振线圈的数量可以是一个。因此，受电侧可仅由单 个环状线圈和匹配电路来构造，从而可实现受电侧的尺寸减小。即使跨越一个短距离，共振频率也不会发生变化。因此，在不需要频率调节电路等 的条件下可高效地进行供电，从而简化了构造。不需要像电磁感应系统中那样严格的位置对齐，从而给用户提供了高的可用性。即使在与不同共振频率的送电线圈结合使用时，可以通过取决于至受电侧的距离 的耦合强度的调节和由匹配电路进行的调节来使用受电侧。
本申请包含涉及于2010年1月7日向日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-002187中披露的主题，其全部内容通过引用方式结合于此。本领域技术人员应该理解的是，可以根据设计要求和其他因素进行各种改变、组 合，子组合和替换，只要它们都在所附的权利要求或者其等同物的范围内。
权利要求
1.一种无线供电系统，包括 供电装置；和受电装置，被构造为接收从所述供电装置传输的电力，其中， 所述供电装置包括，电力发生器，用于产生将要被供给的电力，和共振元件，被供给由所述电力发生器产生的电力，并且所述受电装置包括， 受电元件，用于接收从所述供电装置传输的电力，和匹配单元，包括用于在所述电力与所述受电元件的负载之间的连接部分进行阻抗匹配 的功能。
2.根据权利要求1所述的无线供电系统，其中， 所述供电装置包括，电力发生器，用于产生将要被供给的电力，和供电元件，被供给由所述电力发生器产生的电力并且通过电磁感应被耦合至所述共振 元件，并且所述共振元件通过电磁感应被耦合至所述供电元件。
3.根据权利要求2所述的无线供电系统，其中，包括匹配单元，所述匹配单元包括在所述电力发生器向所述供电元件供给电力的供电 点上进行阻抗匹配的功能。
4.根据权利要求1所述的无线供电系统，其中，包括供电位置变换器，所述供电位置变换器用于改变所述电力发生器向所述共振元件 供给电力的位置。
5.根据权利要求1所述的无线供电系统，其中， 频率由所述共振元件确定，并且通过根据送电侧的所述共振元件和所述受电元件之间的距离而变化的耦合强度的调 节以及由受电侧的所述匹配单元进行的阻抗调节，能够调节传输特性。
全文摘要
本发明披露了一种无线供电系统，包括供电装置；和受电装置，被构造为接收从供电装置传输的电力。供电装置包括电力发生器，用于产生将要被供给的电力；和共振元件，被供给由电力发生器产生的电力。受电装置包括受电元件，接收从供电装置传输的电力，和匹配单元，包括用于在连接部分进行电力和受电元件的负载之间的阻抗匹配的功能。
文档编号H01F38/14GK102122847SQ20101061642
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月30日 优先权日2010年1月7日
发明者和田浩嗣, 宫本宗 申请人:索尼公司