电力传输系统以及受电装置制造方法
【专利摘要】压电变压器(32)以电容元件(C1、C2)、电感元件(Lp)、电容元件(Cp)、电阻(Rp)以及理想变压器(Tp)来表示。通过压电变压器(32)、和受电装置(201)的耦合电极部的电容元件(CL)的电容器以及送电装置(101)的耦合电极部的电容元件(CG)的电容构成第1谐振电路(RC1)。另一方面，通过压电变压器(32)的等效输出电容(C2)和电感元件(L2)构成第2谐振电路(RC2)。并且，高频高电压发生电路(11)产生的高频高电压的频率在由第1谐振电路(RC1)和第2谐振电路(RC2)的复合谐振确定的2个谐振频率之间确定。
【专利说明】电力传输系统以及受电装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电场耦合型的以无线来传输电力的电力传输系统以及受电装置。
【背景技术】
[0002]作为代表性的无线电力传输系统，已知利用磁场从送电装置的一次线圈向受电装置的二次线圈传输电力的磁场耦合方式的电力传输系统。但是，在以磁场耦合传输电力的情况下，由于通过各线圈的磁通的大小对电动势有较大的影响，因此一次线圈和二次线圈的相对位置关系要求较高的精度。另外，由于利用线圈，因此装置的小型化困难。
[0003]另一方面，还知道专利文献I所公开那样的电场耦合方式的无线电力传输系统。在该系统中，介由电场从送电装置的I禹合电极向受电装置的I禹合电极传输电力。该方式对耦合电极的相对位置精度要求比较宽松，另外，能实现耦合电极的小型、薄型化。
[0004]图1是表示专利文献I的电力传输系统的基本构成的图。该电力传输系统由送电装置和受电装置构成。在送电装置具备高频高电压发生电路1、被动电极2以及主动电极
3。在受电装置具备高频高电压负载电路5、被动电极7以及主动电极6。并且，通过使送电装置的主动电极3和受电装置的主动电极6隔着高电压电场区域4而接近，该2个电极彼此电场f禹合。
[0005]如此，在电场耦合方式的无线电力传输中，需要在送电装置侧、受电装置侧都配置主动电极和被动电极，使送电装置和受电装置的主动电极彼此、以及被动电极彼此耦合。传输电力以及传输效率依赖于电极间耦合的强度。为了增强电极间的耦合，考虑缩短电极间距离、增大电极面积。
[0006]先行技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献I JP特表2009-531009号公报
[0009]发明的概要
[0010]发明要解决的课题
[0011]—般,作为提高电力传输系统的传输效率的手法，嵌入低损耗的谐振电路是有效的。该谐振电路由送电装置和受电装置的耦合部的静电容和电感器构成。一般，由于电感器的Q值低于电容的Q值，因此，在作为谐振电路组合的情况下谐振电路的Q值会受到电感器的Q值的制约。另外，小型且低损耗的电感器的实现成为课题。作为解决该课题的一个方法，在电感器中使用压电设备(压电谐振器、压电变压器)是有效的。然而，压电设备虽然小型低损耗，但存在频率特性陡峭，且在负载变动时输出电压(受电装置侧电压V2和送电装置侧Vl之比V2/V1)较大变动的课题。
[0012]另外，在不使用压电设备的情况下，也有输出电压相对于负载变动或驱动频率的变动而变动的问题。
【发明内容】
[0013]因此，本发明的目的在于提供使产生受电装置的负载变动或驱动频率变动的情况下的受电装置侧电压V2和送电装置侧电压Vl之比V2/V1稳定化的电力传输系统以及受电
>j-U ρ?α
装直。
[0014]用于解决课题的手段
[0015](I)本发明的电力传输系统具有:送电装置，其具备由主动电极以及被动电极构成的送电装置侧耦合电极、和对该送电装置侧耦合电极施加高频高电压的高频高电压发生电路；和受电装置，其具备与所述送电装置侧耦合电极耦合的由主动电极以及被动电极构成的受电装置侧耦合电极、以及与所述受电装置侧耦合电极连接的受电电路，通过所述送电装置侧耦合电极以及所述受电装置侧耦合电极进行电场耦合，从所述送电装置向所述受电装置传输电力。
[0016]并且，特征在于，所述受电电路具备--第I谐振电路，其串联连接在所述受电装置侧耦合电极的主动电极和被动电极之间，包含电感分量以及电容分量；第2谐振电路，其包含所述电容分量、和与该电容分量并联连接的电感分量；和负载电路，其与该第2谐振电路并联连接，所述高频高电压发生电路产生的高频高电压的频率在由第I谐振电路和第2谐振电路的复合谐振确定的2个谐振频率之间设定。
[0017](2)优选所述送电装置具备:电压检测电路，其检测所述高频高电压发生电路的产生电压；和电压稳定化电路，其控制所述高频高电压发生电路的产生电压，以使得该电压检测电路的检测电压成为恒定。
[0018](3)优选所述受电电路具备:压电变压器，其具有与所述受电装置侧耦合电极的主动电极连接的输入端子、与所述受电装置侧耦合电极的被动电极连接的输出端子、和基准电位端子，对施加在所述输入端子的电压进行降压，并将降压后的电压向所述输出端子输出，所述电容分量是所述压电变压器的等效输出电容。
[0019](4)优选所述第I谐振电路包含在所述送电装置侧耦合电极以及所述受电装置侧耦合电极产生的电容分量。
[0020](5)优选所述高频高电压发生电路具备:第3谐振电路，其在施加于所述送电装置侧耦合电极的所述高频高电压下谐振。
[0021](6)本发明的受电装置相对于送电装置成对，该送电装置具备由主动电极以及被动电极构成的送电装置侧耦合电极、以及对该送电装置侧耦合电极施加高频高电压的高频高电压发生电路，所述受电装置的特征在于，所述受电装置具有:受电装置侧耦合电极，其与所述送电装置侧耦合电极耦合，由主动电极以及被动电极构成；以及受电电路，其与所述受电装置侧耦合电极连接，所述受电电路具备:第I谐振电路，其串联连接在所述受电装置侧耦合电极的主动电极和被动电极之间，包含电感分量以及电容分量；第2谐振电路，其包含所述电容分量、和与该电容分量并联连接的电感分量；和负载电路，其与该第2谐振电路并联连接，所述高频高电压发生电路产生的高频高电压的频率在由第I谐振电路和第2谐振电路的复合谐振确定的2个谐振频率之间设定。
[0022]发明的效果
[0023]由于构成第I谐振器和第2谐振电路耦合的复合谐振系统，因此改善了送电装置和受电装置的匹配，降低了第I谐振电路内的驻波，通过顺畅地向负载传输电气振动能量，能使负载变动的情况下的负载侧电压V2和送电装置侧电压Vl之比V2/V1稳定化。【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是表示专利文献I的电力传输系统的基本构成的图。
[0025]图2是第I实施方式的电力传输系统的构成图。
[0026]图3是第I实施方式的电力传输系统401的电路图。
[0027]图4是第I实施方式的电力传输系统401的等效电路图。
[0028]图5(A)是送电装置101的高频高电压发生电路的方块构成图。图5(B)是表示开关电路56的构成和驱动控制电路55的关系的图。
[0029]图6是第I实施方式的电力传输系统401的其它的等效电路图。
[0030]图7 (A)是表不对第I实施方式的电力传输系统的受电装置201的稱合电极施加的电压V2相对于对送电装置101的耦合电极施加的电压Vl的比率(电压变换比)的频率依赖性的图。图7(B)是表示比较对照用的电力传输系统O的电压变换比的频率依赖性的示例的图。
[0031]图8是第2实施方式的电力传输系统的构成图。
[0032]图9是第2实施方式的电力传输系统402的等效电路图。
[0033]图10是第2实施方式的电力传输系统402的等效电路图。
[0034]图11是表示对第2实施方式的电力传输系统的受电装置202的耦合电极施加的电压V2相对于对送电装置102的耦合电极施加的电压Vl的比率(电压变换比)的频率依赖性。
[0035]图12是第3实施方式的电力传输系统403的等效电路图。
【具体实施方式】
[0036]《第I实施方式》
[0037]图2是第I实施方式的电力传输系统的构成图。在此，特别表示将受电装置201安装在送电装置101上的状态。在送电装置101设有由送电装置侧的主动电极13以及被动电极12构成的送电装置侧耦合电极。在受电装置201设有由受电装置侧主动电极16以及被动电极17构成的受电装置侧耦合电极。
[0038]在受电装置201设有受电电路15。该受电电路15具备压电变压器32、电感元件L2以及负载电路RL。在受电装置侧的被动电极17连接有压电变压器32的基准电位端子E12，在被动电极17和输出端子Ell之间连接有电感元件L2以及负载电路RL。如在后面详述那样，由压电变压器32降压的电压被提供给负载电路RL。负载电路RL由整流平滑电路、以及以从该整流平滑电路输出的直流电压动作的负载构成。
[0039]在如此将受电装置201安装在送电装置101的状态下，介由高电压电场区域4从送电装置101向受电装置201进行电力传输。
[0040]本发明的电力传输系统以使用了电场耦合(准静态的电场)的短距离能量传输为基本原理。在波长λ相对于电场振荡源的尺寸或动作范围(距离d)充分长的情况下，即只要是d/λ〈〈I的关系，准静态的电场都会滞留(被束缚)在电场发生源的附近，向远方的辐射量小到能无视的程度。即，几乎没有作为电磁波辐射能量。
[0041]另外，电磁波是横模(电场和磁场的两者相对于传播方向垂直)，与此相对，在如本发明那样使用了准静态的电场的电力传输中，在与电场相同的方向上传输能量。在处置准静电场的低频带，即适用“z = V/I” (Z:阻抗、V:电压、1:电流)的公式。
[0042]前述负载例如具备受电装置201的电源用的二次电池，通过将受电装置201安装在送电装置101，对受电装置201内的二次电池进行充电。
[0043]图3是第I实施方式的电力传输系统401的电路图。送电装置101的高频高电压发生电路11产生例如IOOkHz?数十MHz的高频电压。将该高频高电压发生电路11产生的电压施加在被动电极12和主动电极13之间。电容元件CG是主要由被动电极12和主动电极13产生的电容。
[0044]在受电装置201的被动电极17和主动电极16间连接有由压电变压器32以及电感元件L2构成的降压电路。电容元件CL是主要由被动电极17和主动电极16产生的电容。
[0045]压电变压器32对施加在基准电位端子El和输入端子E20间的电压进行降压后，向输出端子Ell输出。
[0046]由送电装置101的被动电极和主动电极构成的耦合电极、和由受电装置201的被动电极和主动电极构成的稱合电极的稱合，能表现为介由互电容Cm来进行f禹合。
[0047]例如，高频高电压发生电路11产生100?3kV的高频高电压，压电变压器32将在电容元件CL感应的电压100?3kV降压为5?12V后输出给负载电路RL。
[0048]另外，也可以在受电装置201的被动电极17连接压电变压器32的输出端子E11，在被动电极17和基准电位端子E12之间连接电感元件L2以及负载电路RL。S卩，可以交换基准电位端子E12和输出端子ElI。
[0049]图4是第I实施方式的电力传输系统401的等效电路图。如图4所示，压电变压器32以电容元件Cl、C2、电感元件Lp、电容元件Cp、电阻Rp以及理想变压器Tp表现。
[0050]电容元件C2是压电变压器的等效输出电容，电容元件Cp以及电感元件Lp是电气机械的参数。压电变压器32的谐振频率主要由以电容元件Cp和电感元件Lp构成的谐振电路的谐振确定。电能变换由于介由弹性振动进行，因此具有由压电体陶瓷的弹性波传播速度和尺寸决定的固有谐振频率。通过该压电变压器32、和受电装置201的耦合部的电容元件CL的电容、以及送电装置101的耦合电极部的电容元件CG构成第I谐振电路RCl。通过该第I谐振电路RCl的电路常数来确定第I谐振电路RCl的谐振频率。
[0051]另外，虽然若增强送电装置和受电装置的耦合就能谋求传输电力的提高，但若为此增大互电容Cm，则对方侧(=送电装置侧)的电容的影响就变得不能忽视，因此，这种情况下，优选将在送电装置侧耦合电极以及受电装置侧耦合电极产生的电容分量CG包含在第I谐振电路RCl的电容分量内来进行设计。
[0052]另一方面，由压电变压器32的等效输出电容的电容元件(电容分量)C2和电感元件L2构成第2谐振电路RC2，通过该电容元件C2的电容和电感元件L2的电感来确定第2谐振电路RC2的谐振频率。
[0053]高频高电压发生电路11产生的高频高电压的频率在第I谐振电路RCl和第2谐振电路RC2的复合谐振(耦合谐振)而引起的2个谐振频率间确定。
[0054]由于压电变压器32是容性设备，因此，前述电感元件L2还作为负载电路RL和压电变压器32的阻抗匹配电路发挥作用。为此，第I谐振电路RCl内的驻波降低，不在压电变压器32继续不需要的能量，能量顺畅地流向负载电路RL。由此，防止压电变压器32的过热。
[0055]另外，通过在降压电路使用容性设备的压电变压器，与使用绕组变压器的情况相比能使电力送电装置小型化，并能抑制漏磁场。
[0056]图5(A)是送电装置101的高频高电压发生电路的方块构成图。在此，驱动电源电路51是以商用电源为输入并产生恒定的直流电压(例如DC5V)的电源电路。控制电路52在与下面叙述的各部间输入输出信号来进行各部的控制。
[0057]驱动控制电路55遵循从控制电路52输出的接通/断开(0N/0FF)信号来使开关电路56的开关元件开关。开关电路56如后面所示那样交替驱动升压电路37的输入部。
[0058]ACV检测电路58，对以被动电极12为基准的对主动电极13的施加电压进行电容分压，生成对分压的交流电压整流而得到的直流电压，作为检测信号V(ACV)。该ACV检测电路58相当于本发明所涉及的“电压检测电路”。控制电路52读取该检测信号V(ACV)，对高频高电压发生电路的产生电压进行反馈控制，以使得该检测信号V(ACV)成为恒定。进行该反馈控制的控制电路52相当于本发明所涉及的“电压稳定化电路”。
[0059]图5 (B)是表不如述开关电路56的构成和驱动控制电路55的关系的图。开关电路56通过高侧的开关元件和低侧的开关元件的接通/断开来进行推挽动作，交替驱动升压电路37。
[0060]图6是第I实施方式的电力传输系统401的其它的等效电路图。该等效电路使复合了前述第I谐振电路和第2谐振电路的等效电路。在此，电容器Co相当于在送电装置以及受电装置的耦合电极部产生的电容分量，电容器C相当于图4所示的电容器Cp，电感器L相当于图4所示的电感器Lp。
[0061]图7 (A)是表不对第I实施方式的电力传输系统的受电装置201的负载施加的电压V2相对于对送电装置101的耦合电极施加的电压Vl的比率(电压变换比)的频率依赖性的图。在此，示出将由送电装置101的被动电极和主动电极构成的耦合电极、与由受电装置201的被动电极和主动电极构成的耦合电极的耦合度设为恒定，使负载变化的情况。
[0062]在图7⑷中，谐振频率f0的角频率ω O ( = 2 f0)如下式所示。
[0063
【权利要求】
1.一种电力传输系统，具有: 送电装置，其具备由主动电极以及被动电极构成的送电装置侧耦合电极、和对该送电装置侧稱合电极施加闻频闻电压的闻频闻电压发生电路；和 受电装置，其具备与所述送电装置侧耦合电极耦合的由主动电极以及被动电极构成的受电装置侧耦合电极、以及与所述受电装置侧耦合电极连接的受电电路， 通过所述送电装置侧耦合电极以及所述受电装置侧耦合电极进行电场耦合，从所述送电装置向所述受电装置传输电力， 所述电力传输系统的特征在于， 所述受:电电路具备: 第I谐振电路，其串联连接在所述受电装置侧耦合电极的主动电极和被动电极之间，包含电感分量以及电容分量； 第2谐振电路,其包含所述电容分量、和与该电容分量并联连接的电感分量；和 负载电路，其与该第2谐振电路并联连接， 所述闻频闻电压发生电路广生的闻频闻电压的频率在由第I谐振电路和第2谐振电路的复合谐振确定的2个谐振频率之间设定。
2.根据权利要求1所述的电力传输系统，其特征在于， 所述送电装置具备: 电压检测电路，其检测所述高频高电压发生电路的产生电压；和电压稳定化电路，其控制所述高频高电压发生电路的产生电压，以使得该电压检测电路的检测电压成为恒定。
3.根据权利要求1或2所述的电力传输系统,其特征在于， 所述受:电电路具备: 压电变压器，其具有与所述受电装置侧耦合电极的主动电极连接的输入端子、与所述受电装置侧耦合电极的被动电极连接的输出端子、和基准电位端子，对施加在所述输入端子的电压进行降压，并向所述输出端子输出， 所述电容分量是所述压电变压器的等效输出电容。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的电力传输系统,其特征在于， 所述第I谐振电路包含在所述送电装置侧耦合电极以及所述受电装置侧耦合电极产生的电容分量。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的电力传输系统,其特征在于， 所述闻频闻电压发生电路具备: 第3谐振电路，其在施加于所述送电装置侧耦合电极的所述高频高电压下谐振。
6.一种受电装置，相对于送电装置成对，该送电装置具备由主动电极以及被动电极构成的送电装置侧耦合电极、以及对该送电装置侧耦合电极施加高频高电压的高频高电压发生电路， 所述受电装置的特征在于， 所述受电装置具有: 受电装置侧耦合电极，其与所述送电装置侧耦合电极耦合，由主动电极以及被动电极构成；和受电电路，其与所述受电装置侧耦合电极连接， 所述受电电路具备: 第I谐振电路，其串联连接在所述受电装置侧耦合电极的主动电极和被动电极之间，包含电感分量以及电容分量； 第2谐振电路，其包含所述电容分量、和与该电容分量并联连接的电感分量；和 负载电路，其与该第2谐振电路并联连接， 所述1?频1?电压发生电路广生的1?频1?电压的频率在由第I谐振电路和第2谐振电路的复合谐振确定的2个谐振 频率之间设定。
【文档编号】H02J17/00GK103477534SQ201280015569
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2012年5月21日 优先权日:2011年6月13日
【发明者】市川敬一 申请人:株式会社村田制作所