电磁耦合状态检测电路、电力输送装置、非接触式电力输送系统以及电磁耦合状态检测方法
【专利摘要】采用了一种构造，其中，测量包括与次级侧线圈电磁耦合的初级侧线圈（15）的电路的初级侧Q值和在初级侧线圈（15）与次级侧线圈之间的电力输送效率，使用该初级侧线圈（15）的Q值校正该电力输送效率，并且基于所获得的校正值检测其中初级侧线圈（15）电磁耦合至次级侧线圈的状态。
【专利说明】电磁耦合状态检测电路、电力输送装置、非接触式电力输送系统以及电磁耦合状态检测方法
【技术领域】
[0001]本公开涉及电磁耦合状态检测电路、电力输送装置、非接触式电力输送系统以及电磁耦合状态检测方法。
【背景技术】
[0002]近年来，已积极地开发出了无线供电(B卩，以非接触的方式)的非接触式电力输送系统。引起关注的实现非接触式电力输送方法是磁谐振法。磁谐振法使用传输线圈与接收线圈之间的电磁耦合来进行电力输送。通过积极地利用谐振现象，磁谐振法的特征在于，在供电电源与供电目的地之间共用的磁通量的量会很小。
[0003]根据广泛熟知的电磁感应法，传输侧与接收侧之间的耦合度是非常高的并且能够高效率地供电。然而，因为需要将耦合系数保持在高水平，故如果传输侧与接收侧相距很远或被移动，则传输侧与接收侧上的线圈之间的电力输送效率(在下文中，称为“线圈间效率”)将大幅降低。另一方面，磁谐振法的特征在于，当Q值很大时，即使耦合系数小，线圈间效率也不会降低。即，有利地消除了对传输侧线圈与接收侧线圈的轴进行调整的需要，并且还提供了传输侧与接收侧的位置以及其间的距离的高度灵活性。Q值是具有传输侧或接收侧线圈的电路中用以表示能量的保持与损失之间的关系(指示谐振电路的谐振强度)的指标。稍后将再次描述线圈间效率。
[0004]非接触式电力输送系统中最重要的要素之一在于，应对金属异物的发热的对策。当以无论是电磁感应法还是磁谐振法的非接触方式供电时，如果传输侧与接收侧之间存在金属，则产生涡电流，并且金属会被加热。为了减少发热，已提出了很多技术来检测金属异物。例如，已知的有使用光学传感器或者温度传感器的技术。然而，当类似于使用磁谐振法时供电范围很大，则使用传感器的检测方法将很昂贵。此外，当使用温度传感器时，温度传感器的输出结果取决于其附近的热传导率，这将对传输侧与接收侧的设备施加设计上的制约。
[0005]因此，提出了当在传输侧与接收侧之间存在金属异物时，通过检查参数(电流、电压等)的变化来判断是否存在金属异物的技术。这种技术能够降低成本而无需强加设计限制等。例如，专利文献I提出了在传输侧与接收侧之间进行通信期间，基于调制度检测金属异物的方法，以及专利文献2提出了基于涡流损耗检测金属异物的方法(通过DC-DC效率检测异物)。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献I JP2008-206231A
[0009]专利文献2 JP2001-275280A
【发明内容】
[0010]技术问题
[0011]然而，根据在专利文献1、专利文献2中所提出的技术，没有考虑位于接收侧的金属壳的影响。当考虑普通的便携设备(移动设备)的充电时，很可能一些金属(诸如金属壳、金属部件等)用在便携设备中并且难以断定参数变化是由“金属壳等的影响”还是“金属异物的混入”所引起的。对于采用专利文献2作为示例，涡流损耗是由便携设备的金属壳还是在传输侧与接收侧之间混入金属异物引起的是未知的。
[0012]此外，当考虑到类似于磁谐振法的配置自由度高的供电范围时，金属壳对接收侧上的设备的影响根据接收侧上的设备(诸如便携式电话的便携设备)相对于供电范围如何布置而改变。因而，将参照图1 (a)至图1 (C)描述便携设备相对于传输侧线圈(初级侧线圈)的位置与金属异物的影响之间的关系。
[0013]图1 (a)示出了其中便携设备4被布置在环形初级侧线圈I (螺旋线圈)的一端(接近铁芯3的位置)的示例，其中例如通过绕着环形铁芯3缠绕细导线2来构成环形初级侧线圈I。在这种情况下，对于包含在便携设备4中的初级侧线圈I与次级侧线圈之间的线圈间效率，获得了相对较大的值。图1 (b)示出了其中便携设备4被布置在初级侧线圈I的一端并且在传输侧与接收侧之间存在金属异物5的示例。在这种情况下，线圈间效率的值处于中等水平。此外，图1 (c)示出了其中便携设备4被布置在初级侧线圈I的中心的示例，并且在这种情况下，线圈间效率的值处于中等水平。
[0014]在图1 (a)至图1 (C)的示例中，将具有其中细导线缠绕在具有磁体的铁芯3上的结构的线圈作为初级侧线圈I的示例，但从具有无铁芯的结构的线圈中也获得了相似的
测量结果。
[0015]因此，当便携设备相对于初级侧线圈被布置在某个位置时，根据是否如同图1 (a)与I (b)的情况存在金属异物而在线圈间效率的值之间产生差值，并且该差值能够用于检测金属异物。然而，例如，通过使便携设备的位置更接近于环形初级侧线圈的中心，增加了便携设备的金属壳的影响并且与便携设备处于初级侧线圈的端部时的情况相比时，线圈间效率会降低。如果金属外壳的影响程度超过金属异物的影响程度，则非接触式电力输送系统不可能检测到金属异物。因为混入传输侧与接收侧之间的金属异物通常被假定为小于接收侧上的金属壳，故当通过将金属壳的影响考虑在内并还保持配置的自由度来构造非接触式电力输送系统时，检测金属异物的精确度成为问题。
[0016]考虑到上述情况创作了本公开，并且通过减少金属壳对接收侧(次级侧)的影响来提高检测存在于非接触电力输送系统中的传输侧与接收侧之间的金属异物的精确度。
[0017]问题的解决方案
[0018]本公开的一个方面采用了这样的构造:S卩，其中测量包括初级侧线圈的电路的初级侧Q值以及至次级侧线圈的电力输送效率的构造，其中初级侧线圈与次级侧线圈电磁耦合；基于初级侧线圈的Q值校正电力输送效率；并基于所获得的电力输送效率的校正值检测与次级侧线圈电磁耦合的状态。
[0019]根据本公开的一个方面，即使在次级侧存在金属壳，也能够校正其影响。
[0020]发明的有益效果
[0021]根据本公开，校正了金属壳等对接收侧(次级侧)的影响，使得可提高检测金属异物的精确度。此外，能够减少在初级侧线圈的平面中改变次级侧线圈的位置的影响。【专利附图】
【附图说明】
[0022][图1](a)?(C)是示出了便携设备相对于初级侧线圈的位置与金属异物的影响之间的关系的不图。
[0023][图2](a)?(C)是示出了当通过改变金属的位置测量初级侧的Q值时的测量条件的示图。
[0024][图3]是示出了在根据本公开第一实施方式的非接触式电力输送系统中所使用的电力输送装置的概要的说明图。
[0025][图4]是在图3中所示的电力输送装置的电压Vl和电压V2的波形图。
[0026][图5]是示出了根据本公开第一实施方式的电力输送装置(初级侧)的内部构造示例的框图。
[0027][图6]是示出了根据本公开第一实施方式的电力接收装置(次级侧)的内部构造示例的框图。
[0028][图7](a)?(C)是示出了当通过改变便携设备的金属壳的类型来测量每个参数时的测量条件的示图。
[0029][图8]是示出了根据本公开第一实施方式的金属异物检测处理的示例的流程图。
[0030][图9](a)、(b)是示出了谐振电路的其他示例(并联谐振电路)的电路图。
[0031][图10]是示出了在根据本公开第二实施方式的串联谐振电路中的阻抗的频率特性的曲线图。
[0032][图11]是示出了在根据本公开第二实施方式的并联谐振电路中的阻抗的频率特性的曲线图。
[0033][图12]图12是根据本公开第三实施方式的从阻抗的实部与虚部的比计算Q值的电路图。
【具体实施方式】
[0034]下面将参考附图描述实施本公开的实施方式。将以以下顺序进行描述。对于每个图共同的元件将被赋予相同的参考标号，以省略重复的描述。
[0035]1.第一实施方式(检测单元:从初级侧上的Q值与线圈间效率检测金属异物的示例)
[0036]2.第二实施方式(Q值运算单元:通过半功率带宽法计算Q值的示例)
[0037]3.第三实施方式(Q值运算单元:从阻抗的实部与虚部的比计算Q值的示例)
[0038]4.其他(各种变形)
[0039]〈1.第一实施方式>
[0040][介绍性说明]
[0041]在本公开的第一实施方式(在下文中，也被称为“本示例”)中，将描述通过使用非接触式电力输送系统的这些装置检测在电力输送装置或者电力接收装置附近的诸如金属的导体的构造和方法。在下文中，检测诸如金属的导体也可被描述为“检测金属”。本文中的导体包括广义上的导体，即，半导体。
[0042]首先，将描述在磁谐振法的非接触式电力输送系统中传输侧(初级侧)与接收侧(次级侧)的线圈之间的电力输送效率(线圈间效率)。
[0043]由公式(I)给出已知的线圈间效率的理论最大值nmax:
[0044][数学式I]
【权利要求】
1.一种电磁耦合状态检测电路，包括: 检测单元，所述检测单元测量包括与次级侧线圈电磁耦合的初级侧线圈的电路的初级侧Q值以及向所述次级侧线圈的电力输送效率；基于所述初级侧线圈的所述Q值校正所述电力输送效率；以及根据所获得的所述电力输送效率的校正值检测与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
2.根据权利要求1所述的电磁耦合状态检测电路， 其中，通过检测与所述次级侧线圈电磁耦合的状态确定所述次级侧线圈附近是否存在导体。
3.根据权利要求2所述的电磁耦合状态检测电路， 其中，所述Q值是谐振电路的Q值，所述谐振电路包括所述初级侧线圈和电容器。
4.根据权利要求3所述的电磁耦合状态检测电路，其中，所述检测单元包括: Q值运算单元，获取施加至所述谐振电路的所述初级侧线圈与所述电容器之间的第一电压以及施加于所述初级侧线圈两端间的第二电压，并由所述第一电压与所述第二电压之间的比率计算所述初级侧Q值，所述谐振电路包括所述初级侧线圈和所述电容器， 校正值运算单元，当所述初级侧Q值是Ql并且所述电力输送效率是Hmax时，根据以下公式计算校正值:
5.根据权利要求3所述的电磁耦合状态检测电路， 其中，所述检测单元包括: Q值运算单元，使用半功率带宽法计算所述初级侧Q值，所述半功率带宽法由阻抗是串联谐振电路的谐振频率处的阻抗的绝对值的倍的频带确定所述Q值，所述串联谐振电路包括所述初级侧线圈和所述电容器， 校正值运算单元，当所述初级侧Q值是Ql并且所述电力输送效率是Hmax时，根据以下公式计算校正值
6.根据权利要求3所述的电磁耦合状态检测电路，进一步包括: Q值运算单元，使用半功率带宽法计算所述初级侧Q值，所述半功率带宽法由阻抗是并联谐振电路的谐振频率处的阻抗的绝对值的1/>/?倍的频带确定所述Q值，所述并联谐振电路包括所述初级侧线圈和所述电容器； 校正值运算单元，当所述初级侧Q值是Ql并且所述电力输送效率是Hmax时，根据以下公式计算校正值:
L 1-1et 以及确定单元，通过对由所述校正值运算单元计算出的校正值和根据在所述初级侧线圈附近没有导体时预先测量出的校正值所设定的阈值进行比较，来确定与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
7.根据权利要求3所述的电磁耦合状态检测电路，进一步包括: Q值运算单元，使用自平衡电桥电路和矢量比检测器确定所述谐振电路的阻抗的实部分量和虚部分量，并由所述实部分量和所述虚部分量的比计算所述初级侧Q值；以及 确定单元，通过对由所述Q值运算单元确定出的所述初级侧Q值与根据在所述初级侧线圈附近不存在导体时预先测量出的初级侧Q值所设定的阈值进行比较，来确定与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
8.根据权利要求4所述的电磁耦合状态检测电路， 其中，所述电力输送效率是初级侧功率与次级侧功率的比值，所述初级侧功率为所述初级侧线圈的感应电压和感应电流的乘积，以及所述次级侧功率为所述次级侧线圈的感应电压和感应电流的乘积。
9.一种电力输送装置，包括: 初级侧线圈，与次级侧线圈电磁耦合；以及 检测单元，测量包括所述初级侧线圈的电路的初级侧Q值以及向所述次级侧线圈的电力输送效率；基于所述初级侧线圈的所述Q值校正所述电力输送效率；以及根据所获得的所述电力输送效率的校正值检测与所述次级侧线圈的电磁耦合的状态。
10.根据权利要求9所述的电力输送装置， 其中，通过检测与所述次级侧线圈电磁耦合的状态确定在所述次级侧线圈附近是否存在导体。
11.根据权利要求10所述的电力输送装置， 其中，所述Q值是谐振电路的Q值，所述谐振电路包括所述初级侧线圈和电容器。
12.根据权利要求11所述的电力输送装置， 其中，所述检测单元包括: Q值运算单元，获取施加至所述谐振电路的所述初级侧线圈与所述电容器之间的第一电压以及施加于所述初级侧线圈两端间的第二电压，并从所述第一电压与所述第二电压之间的比率计算所述初级侧Q值，所述谐振电路包括所述初级侧线圈和所述电容器， 校正值运算单元，当所述初级侧Q值是Ql并且所述电力输送效率是Hmax时，根据以下公式计算校正值:"J I / mac.2Ia 以及确定单元，通过对由所述校正值运算单元算出的所述校正值与根据在所述初级侧线圈附近不存在导体时预先测量出的校正值所设定的阈值进行比较，来确定与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
13.根据权利要求11所述的电力输送装置， 其中，所述检测单元包括: Q值运算单元，使用半功率带宽法计算所述初级侧Q值，所述半功率带宽法由阻抗是串联谐振电路的谐振频率处的阻抗的绝对值的倍的频带确定所述Q值，所述串联谐振电路包括所述初级侧线圈和所述电容器， 校正值运算单元，当所述初级侧Q值是Ql并且所述电力输送效率是Hmax时，根据以下公式计算校正值 ,1?=
I Qi
^7mm.1 以及确定单元，通过对由所述校正值运算单元计算出的校正值与根据在所述初级侧线圈附近不存在导体时预先测量出的校正值所设定的阈值进行比较，来确定与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
14.根据权利要求11所述的电力输送装置，进一步包括: Q值运算单元，使用半功率带宽法计算所述初级侧Q值，所述半功率带宽法由阻抗是并联谐振电路的谐振频率处的阻抗的绝对值的I/万倍的频带确定所述Q值，所述并联谐振电路包括所述初级侧线圈和所述电容器； 校正值运算单元，当所述初级侧Q值是Ql并且所述电力输送效率是Hmax时，根据以下公式计算校正值: 以及确定单元，通过对由所述校正值运算单元计算出的校正值和根据在所述初级侧线圈附近没有导体时预先测量出的校正值所设定的阈值进行比较，来确定与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
15.根据权利要求11所述的电力输送装置，进一步包括: Q值运算单元，使用自平衡电桥电路和矢量比检测器确定所述谐振电路的阻抗的实部分量和虚部分量，并由所述实部分量和所述虚部分量的比计算所述初级侧Q值；以及 确定单元，通过对由所述Q值运算单元确定出的所述初级侧Q值与根据在所述初级侧线圈附近不存在导体时预先测量出的初级侧Q值所设定的阈值进行比较，来确定与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
16.根据权利要求12所述的电力输送装置， 其中，所述电力输送效率是初级侧功率与次级侧功率的比值，所述初级侧功率为所述初级侧线圈的感应电压和感应电流的乘积，以及所述次级侧功率为所述次级侧线圈的感应电压和感应电流的乘积。
17.—种非接触式电力输送系统,包括: 电力输送装置，无线输送电力；以及 电力接收装置，从所述电力输送装置接收所述电力， 其中，所述电力接收装置包括: 次级侧线圈，与所述电力输送装置的初级侧线圈电磁耦合，以及 次级侧通信单元，与所述电力输送装置通信，并且 其中，所述电力输送装置包括: 所述初级侧线圈，与所述电力接收装置的所述次级侧线圈电磁耦合， 初级侧通信单元，与所述电力接收装置通信，以及 检测单元，根据所述初级侧通信单元接收的关于所述电力接收装置的信息，测量包括所述初级侧线圈的电路的初级侧 Q值以及向所述次级侧线圈的电力输送效率；基于所述初级侧线圈的所述Q值校正所述电力输送效率；以及根据所获得的所述电力输送效率的校正值检测与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
18.—种电磁耦合状态检测方法，包括: 测量包括与次级侧线圈电磁耦合的初级侧线圈的电路的初级侧Q值以及向所述次级侧线圈的电力输送效率；以及 基于所述初级侧的Q值校正所述电力输送效率，并根据所获得的所述电力输送效率的校正值检测与所述次级侧线圈电磁耦合的状态。
【文档编号】H02J17/00GK103548237SQ201280022828
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年4月10日 优先权日:2011年5月18日
【发明者】中野裕章, 村上知伦, 福田伸一, 小堺修, 藤卷健一 申请人:索尼公司