非接触供电装置及非接触供电方法
非接触供电装置及非接触供电方法
【专利摘要】在至少通过磁耦合，从电连接到交流电源上的输电线圈对受电线圈以非接触方式输送电力，并对电连接到受电线圈上的负载输出电力的非接触供电装置中，包括：耦合状态估计装置，对输电线圈和受电线圈之间的耦合状态进行估计；以及可输出电力运算装置，基于具有输电线圈及受电线圈的供电电路的电路元件的限制值和耦合状态，运算对负载可输出的可输出电力。
【专利说明】非接触供电装置及非接触供电方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及非接触供电装置及非接触供电方法。
[0002] 本申请要求2012年3月13日申请的日本专利申请特愿2012-55749的优先权，对 于认可引入文献参照的指定国，将上述申请中记载的内容通过参照引入本申请，作为本申 请的记载的一部分。
【背景技术】
[0003] 在对负载装置供电之前，将负载装置断电，从而并联连接无源元件，并将可变电压 高频电源的输出电压设定到测定用的低电压Vm，测定那时的可变电压高频电源的输出电流 值Im。使用该Vm和Im，计算用于将负载装置连接到二次侧线圈时的二次侧线圈或整流器 的输出电压设定为目标值的可变电压高频电源的电压VIN。已知即使在一次侧和二次侧之 间通信装置不进行信息交换，也控制可变电压高频电源1的电压，将二次侧线圈的电压或 整流器的输出电压设定为目标值的非接触供电装置（专利文献1)。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本特开2011-45195号公报
【发明内容】
[0007] 发明要解决的问题
[0008] 但是，在上述非接触供电装置中，不考虑二次线圈或电容器等的耐压或耐电流就 设定输出电压，所以在来自基于该耐压等的二次线圈的可输出电力上设定输出电力时，存 在电压控制上需要时间，达到该可输出电力的时间长的问题。
[0009] 本发明提供能够缩短达到对电连接到受电线圈的负载可输出电力为止的控制时 间的非接触供电装置以及非接触供电方法。
[0010] 解决问题的方案
[0011] 本发明通过对输电线圈和受电线圈之间的耦合状态进行估计，基于具有输电线圈 及受电线圈的供电电路的电路元件的限制值和该耦合状态，运算对负载可输出的可输出电 力，从而解决上述课题。
[0012] 发明的效果
[0013] 本发明根据估计出的耦合状态，通过运算而掌握考虑了电路元件的限制值的对负 载的可输出电力，所以能够缩短达到该可输出电力为止的控制时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本例的非接触供电装置的电路图。
[0015] 图2a是图1的一次绕组及二次绕组的平面图和立体图。
[0016] 图2b是图1的一次绕组及二次绕组的平面图和立体图。
[0017] 图3是表示相对图1的一次绕组和二次绕组之间的距离的耦合系数的特性曲线。 [0018] 图4是表示相对图1的二次绕组的高度方向的偏移的耦合系数的变化的图。
[0019] 图5a是表示相对图1的非接触供电单元中的耦合系数（k)的输电线圈（一次绕 组）（VI)的电压特性的曲线。
[0020] 图5b是表示相对图1的非接触供电单元中的耦合系数（K )的可输出电力（Pwt) 的电力特性的曲线。
[0021] 图6a是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的对非 接触供电单元10的一次侧的输入电压（v in)的电压特性的曲线。
[0022] 图6b是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的可输 出电力（P。」的电力特性的曲线。
[0023] 图7a是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的电容 器202的电压（V。）的特性的曲线。
[0024] 图7b是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的可输 出电力（Pout)的电力特性的曲线。
[0025] 图8是表示在比较例中对负载单元的输出电力的时间特性的曲线。
[0026] 图9是表示图1的控制器的控制步骤的流程图。
[0027] 图10表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0028] 图11是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0029] 图12是说明由图11的控制器控制的非接触供电单元的耦合系数的误差范围的 图。
[0030] 图13是表示图11的控制器的控制步骤的流程图。
[0031] 图14表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0032] 图15是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0033] 图16是表示在由图15的控制器控制的非接触供电装置中，对负载单元7的输出 电力特性与时间的曲线。
[0034] 图17是表示在由图15的控制器控制的非接触供电装置中，对负载单元7的输出 电力特性与时间的曲线。
[0035] 图18是表示在由图15的控制器控制的非接触供电装置中，逆变器电流与耦合系 数的特性的曲线。
[0036] 图19是表示图15的控制器的控制步骤的流程图。
[0037] 图20表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0038] 图21表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0039] 图22是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的方框图。
[0040] 图23是用于说明图22的非接触供电单元的代表性的电路结构和谐振条件之间的 关系的图。
[0041] 图24是表示图22的控制器的控制步骤的流程图。
[0042] 图25是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的非接触供电单元及负载的电 路图。
[0043] 图26是包括了图25的电路的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0044] 图27是表示图26的控制器的控制步骤的流程图。
[0045] 图28是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的非接触供电单元及负载的电 路图。
[0046] 图29是包括了图28的电路的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0047] 图30是表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0048] 图31是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0049] 图32是表示图31的一次绕组及电容器的施加电压、电流、限制值、检测值及使用 率的关系的图。
[0050] 图33是表示图31的控制器的控制步骤的流程图。
[0051] 图34表示本实施方式的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0052] 图35是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0053] 图36表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0054] 图37是表示图35的控制器的控制步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0055] 以下，基于【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0056]《第1实施方式》
[0057] 作为本发明的实施方式的非接触供电装置的一例，说明电动汽车等的车辆用电池 及电力负载共同使用的非接触供电装置。
[0058] 图1表示非接触供电装置的电路图。本实施方式的非接触供电装置包括：高频交 流电源6;进行从高频交流电源6输出的电力的非接触供电的非接触供电单元10;以及由 非接触供电单元10供给电力的负载单元7。
[0059] 高频交流电源6包括：三相交流电源64;连接到三相交流电源64,将三相交流整 流为直流的整流器61 ;以及通过平滑电容器62连接到整流器61，将整流后的电流反变换为 高频电力的电压型逆变器63。整流器61将二极管61a和二极管61b、二极管61c和二极管 61d、以及二极管61e和二极管61e三并联地连接，在各个的中间连接点上连接三相交流电 源64的输出。电压型逆变器63将在M0SFET的功率晶体管等上反向并联连接二极管的开 关元件63a和同样的开关元件63b的串联电路及同样的开关元件63c和开关元件63d的串 联电路并联地连接，并通过平滑电容器62,连接到整流器61。而且，开关元件63a和开关元 件63b之间的中间连接点及开关元件63c和开关元件63d之间的中间连接点分别连接到非 接触供电单元10的一次侧即输电电路单元100。电压型逆变器63对非接触供电单元100 供给数k?100kHz左右的交流电力。
[0060] 非接触供电单元10具有变压器的输入侧即输电电路单元100、以及变压器的输出 侧即受电电路单元200。输电电路单元100具有一次绕组（Li) 101和串联地连接到一次绕 组101的电容器（Cls) 102,受电电路单元200具有二次绕组（L2) 201和串联地连接到二次绕 组201的电容器（C2s) 202。
[0061] 负载单元7具有将由非接触供电单元10供给的交流电力整流为直流的整流单元 71、以及连接到整流单元71的负载72。整流单元71将二极管71a和二极管71b、以及二极 管71c和二极管7Id并联地连接，在各个的中间连接点上连接受电电路单元200的输出。而 且，将整流单元71的输出连接到负载72。负载72是电池等负载。
[0062]控制器20是控制本例的非接触供电装置的整体的控制单元，包括耦合系数估计 单元21、可输出电力运算单元22及电压指令值运算单元23。耦合系数估计单元21通过从 位置传感器99的检测值，估计一次绕组101和二次绕组201之间的耦合系数（k)，从而估 计一次绕组101和二次绕组201之间的耦合状态。耦合系数估计单元21将估计出的耦合 系数（k)发送到可输出电力运算单元22。
[0063] 可输出电力运算单元22基于非接触供电单元10中包含的一次绕组101等的电 压、电流等的限制值和耦合系数（k)，运算对负载单元7的可输出的可输出电力（Pwt)，并 对电压指令值运算单元23发送可输出电力（P^)。
[0064] 这里说明限制值及可输出电力（Pwt)。限制值是根据形成非接触供电单元10的各 元件的耐压、耐电流、逆变器63的元件耐压、或交流电源64的电源容量等而预先确定的值。 例如，一次绕组101、二次绕组201的耐压是根据用于高电压的安全规定所确定的值，耐电 流是根据线圈直径或粗细等所确定的值。此外，电容器1〇2、202的耐压以电容器的使用耐 压确定，逆变器63的耐压或耐电流根据晶体管63a?63d的元件耐压、元件容许电流而预 先确定。
[0065]而且，可输出电压（P。」表示在非接触供电装置的驱动中，将非接触供电单元10 的电路元件及逆变器63的电路元件上加入的电压或电流设为上述限制值以下，从非接触 供电单元10对负载单元7可输出的最大电力。换句话说，可输出电压（P。」是，在非接触 供电单元10及逆变器63中包含的电路元件之中，在至少一个电路元件的电压或电流相当 于限制值的情况下的、非接触供电单元10的输出电力。再有，该一个电路元件的电压或电 流相当于限制值的情况，包含电路元件的电压或电流等于限制值的情况，或者电路元件的 电压或电流相对于限制值具有余量，与较低的值相等的情况。
[0066] 电压指令值运算单元23生成用于使从负载需要的需要电力（P^m)或可输出电 力（PJ从非接触供电单元10输出到负载单元7的电压指令值（Vin Mf)，并输出到逆变器 63。电压指令值相当于晶体管63a?63d的开关信号。
[0067] 位置传感器99是检测一次绕组101和二次绕组的相对位置的传感器，例如设置在 一次绕组101的附近，使用红外线等的电波，测量二次绕组202的位置。
[0068] 接着，使用图2及图3,说明在车辆和停车场中包括图1所示的非接触供电装置的 情况下，一次绕组101和二次绕组201的耦合系数（k)。
[0069] 本例中，例如在车辆中具备包含二次绕组201的受电电路单元200及负载单元7， 作为地面侧例如在停车场具备包含一次绕组101的输电电路单元100及高频交流电源6。 在电动汽车的情况下，负载72例如对应于二次电池。例如在车辆的底盘中具备二次绕组 201。而且，车辆的驾驶员在该停车场停车，以使该二次绕组201在一次绕组701之上，电力 从一次绕组101供给到二次绕组201，负载72中包含的二次电池被充电。
[0070] 图2a及图2b表示一次绕组101及二次绕组201的平面图和立体图。在图2a及 图2b中，X轴及Y轴表示一次绕组101及二次绕组201的平面方向，Z轴表示高度方向。在 图2a及图2b中，a)表示一次绕组101及二次绕组201的平面图，b)表示二次绕组201的 立体图，c)表示一次绕组101的立体图。再有，为了说明，一次绕组101及二次绕组201都 为圆形的同一形状，但本例不一定为圆形，此外也不必将一次绕组101和二次绕组201设为 相同的形状。
[0071] 如图2a所示，在平面方向即X轴、Y轴方向中，如二次绕组201与一次绕组101重 合那样，将车辆停车在停车场即可，但因驾驶员的技能，如图2b所示，有时一次绕组101和 二次绕组201之间的相对位置在平面方向中会有偏移。此外，车辆的高度因车辆的种类而 不同，所以一次绕组101和二次绕组201之间的高度也因车高度而不同。
[0072] 图3表示耦合系数相对图2a、2b所示的X轴方向（Y轴方向）和Z轴方向的二次 绕组201的变化。图4表示耦合系数k相对于图2所示的Z轴方向的二次绕组201的偏 移的变化。再有，图4的横轴L，使用二次绕组202的平面方向（X轴方向）及高度方向（Z 轴方向），以式（1)表示，是二次绕组202相对于地面上固定的一次绕组101的距离。
【权利要求】
1. 非接触供电装置，至少通过磁耦合，从电连接到交流电源上的输电线圈对受电线圈 以非接触方式输送电力，并对电连接到所述受电线圈上的负载输出电力，其特征在于，该装 置包括： 耦合状态估计装置，对所述输电线圈和所述受电线圈之间的耦合状态进行估计；以及 可输出电力运算装置，基于具有所述输电线圈及所述受电线圈的供电电路的电路元件 的限制值和所述耦合状态，运算对所述负载可输出的可输出电力。
2. 如权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述可输出电力运算装置根据以包含了所述输电线圈的电感、所述受电线圈的电感、 所述交流电源的驱动频率、所述耦合状态、所述电路元件的电流或电压的理论式表示的关 系，使用由所述耦合状态估计装置估计出的耦合状态及所述限制值，运算所述可输出电力。
3. 如权利要求1或2所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 指令值生成装置，基于所述可输出电力生成使所述可输出电力输出到所述负载的、电 力变换装置的指令值， 所述电力变换装置设置在所述交流电源中，将输入的电力进行变换并输出到所述输电 线圈。
4. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 误差范围运算装置，运算基于所述耦合状态估计装置的估计误差的、所述耦合状态的 误差范围， 所述可输出电力运算装置 基于所述误差范围中包含的多个耦合状态，分别运算所述可输出电力， 所述指令值生成装置 基于运算出的多个可输出电力中的、最小的可输出电力生成所述指令值。
5. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 误差范围运算装置，运算基于所述耦合状态估计装置的估计误差的、所述耦合状态的 误差范围； 传感器，检测所述供电电路的电压或电流；以及 判别装置，基于所述传感器的检测值，判别对所述负载可输出的实际的电力属于与所 述误差范围的中间值和所述误差范围的下限值之间的范围相当的第一范围、或与所述中间 值和所述误差范围的上限值之间的范围相当的第二范围中的哪个范围， 所述指令值生成装置根据所述判别装置的判别结果，生成所述指令值。
6. 如权利要求5所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述指令值生成装置 在对所述负载可输出的实际的电力属于所述第一范围的情况下，基于运算出的多个所 述可输出电力中的、最小的可输出电力，生成所述指令值。
7. 如权利要求5或6所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述指令值生成装置 在对所述负载可输出的实际的电力属于所述第二范围的情况下，基于从所述中间值的 耦合状态所运算的所述可输出电力，生成所述指令值。
8. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 检测装置，检测从所述电力变换装置至所述供电电路的输入电压及输入电流， 所述指令值生成装置生成用于估计所述耦合状态的所述指令值即估计指令值，输出到 所述电力变换装置， 所述耦合状态估计装置 在使所述电力变换装置的驱动频率和所述供电电路的谐振频率一致的状态下，基于以 所述估计指令值驱动中的所述电力变换装置的所述输入电压、以所述估计指令值驱动中的 所述电力变换装置的所述输入电流、以及所述负载的电阻，估计所述耦合状态。
9. 如权利要求8所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述耦合状态估计装置 从以包含了所述输电线圈的电感、所述受电线圈的电感、所述输入电压、所述输入电 流、所述负载的电阻值、以及所述电力变换装置的驱动频率的理论式表示的关系，使用以所 述估计指令值驱动中的所述电力变换装置的输入电压以及以所述估计指令值驱动中的所 述电力变换装置的输入电流，估计所述耦合状态。
10. 如权利要求8或9所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 调整电路，具有使所述供电电路的二次侧的谐振电路的谐振频率与所述驱动频率一致 的电阻、以及切换所述电阻和所述受电线圈之间导通及关断的开关单元， 所述耦合状态估计装置在所述开关单元的导通状态下，估计所述耦合状态。
11. 如权利要求8或9所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 谐振电路，使所述供电电路的二次侧的谐振频率与所述驱动频率一致；以及 开关单元，切换所述谐振电路和所述受电线圈之间的接通及关断， 所述耦合状态估计装置在所述开关单元的导通状态下，估计所述耦合状态。
12. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 第一检测装置，检测所述供电电路之中受电侧的电路的电压、电流或电力；以及 耦合状态运算装置，基于所述第一检测装置的检测值运算所述耦合状态， 所述可输出电力运算装置 基于由所述耦合状态估计装置估计出的耦合状态，运算对所述负载可输出的第一可输 出电力， 基于由所述耦合状态运算装置运算出的耦合系数，运算对所述负载可输出的第二可输 出电力， 所述指令值生成装置 在基于所述第一可输出电力生成第一指令值从而控制所述电力变换装置后，基于所述 第二可输出电力生成第二指令值从而控制所述电力变换装置。
13. 如权利要求12所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述耦合状态估计装置基于在输电侧设置的传感器的检测值的检测信息估计所述耦 合状态， 所述指令值生成装置 使所述第一指令值及所述第二指令值以规定的周期上升， 每个所述周期的所述第二指令值的变化量大于每个所述周期的所述第一指令值的变 化量。
14. 如权利要求12所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述指令值生成装置 使所述第2指令值逐级地上升。
15. 如权利要求3或权利要求12至14中任意一项所述的非接触供电装置，其特征在 于，还包括： 第二检测装置，检测所述电路元件的电压或电流；以及 使用率运算装置，运算以所述第二检测装置的检测值与所述限制值的比例表示的使用 率， 所述指令值生成装置 在所述使用率成为为了维持所述非接触供电装置的供电性能、或为了保护所述电路元 件而设定的第一限制值以上的情况下，保持所述指令值。
16. 如权利要求3或权利要求12至15中任意一项所述的非接触供电装置，其特征在 于，还包括： 第二检测装置，检测所述电路元件的电压或电流；以及 使用率运算装置，运算以所述第二检测装置的检测值与所述限制值的比例表示的使用 率， 所述指令值生成装置 在所述使用率为根据所述第二检测装置的检测误差、或所述电路元件的制造上的偏差 所设定的第二限制值以上的情况下，保持在所述使用率为所述第二限制值以上之前生成的 指令值。
17. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 误差范围运算装置，运算基于所述耦合状态估计装置的估计误差的、所述耦合状态的 误差范围；以及 分割装置，分割可输出电力范围， 所述可输出电力运算装置 通过基于所述误差范围中包含的多个耦合状态，分别运算所述可输出电力，运算与所 述误差范围对应的所述可输出电力范围， 所述指令值生成装置 在由所述分割装置分割后的多个所述可输出电力范围中，从小的可输出电力范围起顺 序地基于所述可输出电力范围中包含的所述可输出电力而生成所述指令值，并输出到所述 电力变换装置。
18. -种非接触供电方法， 该方法至少通过磁耦合，从电连接到交流电源上的输电线圈对受电线圈以非接触方式 输送电力，并对电连接到所述受电线圈上的负载输出电力，其特征在于，该方法包括： 估计所述输电线圈和所述受电线圈之间的耦合状态的步骤； 基于具有所述输电线圈及所述受电线圈的供电电路的电路元件的限制值和所述耦合 状态，运算对所述负载可输出的可输出电力的步骤。
【文档编号】B60L11/18GK104335451SQ201380011023
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年3月5日 优先权日:2012年3月13日
【发明者】山内雄哉, 皆川裕介, 特龙农斋·盖颂, 甲斐敏佑 申请人:日产自动车株式会社
【专利摘要】在至少通过磁耦合，从电连接到交流电源上的输电线圈对受电线圈以非接触方式输送电力，并对电连接到受电线圈上的负载输出电力的非接触供电装置中，包括：耦合状态估计装置，对输电线圈和受电线圈之间的耦合状态进行估计；以及可输出电力运算装置，基于具有输电线圈及受电线圈的供电电路的电路元件的限制值和耦合状态，运算对负载可输出的可输出电力。
【专利说明】非接触供电装置及非接触供电方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及非接触供电装置及非接触供电方法。
[0002] 本申请要求2012年3月13日申请的日本专利申请特愿2012-55749的优先权，对 于认可引入文献参照的指定国，将上述申请中记载的内容通过参照引入本申请，作为本申 请的记载的一部分。
【背景技术】
[0003] 在对负载装置供电之前，将负载装置断电，从而并联连接无源元件，并将可变电压 高频电源的输出电压设定到测定用的低电压Vm，测定那时的可变电压高频电源的输出电流 值Im。使用该Vm和Im，计算用于将负载装置连接到二次侧线圈时的二次侧线圈或整流器 的输出电压设定为目标值的可变电压高频电源的电压VIN。已知即使在一次侧和二次侧之 间通信装置不进行信息交换，也控制可变电压高频电源1的电压，将二次侧线圈的电压或 整流器的输出电压设定为目标值的非接触供电装置（专利文献1)。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1 :日本特开2011-45195号公报
【发明内容】
[0007] 发明要解决的问题
[0008] 但是，在上述非接触供电装置中，不考虑二次线圈或电容器等的耐压或耐电流就 设定输出电压，所以在来自基于该耐压等的二次线圈的可输出电力上设定输出电力时，存 在电压控制上需要时间，达到该可输出电力的时间长的问题。
[0009] 本发明提供能够缩短达到对电连接到受电线圈的负载可输出电力为止的控制时 间的非接触供电装置以及非接触供电方法。
[0010] 解决问题的方案
[0011] 本发明通过对输电线圈和受电线圈之间的耦合状态进行估计，基于具有输电线圈 及受电线圈的供电电路的电路元件的限制值和该耦合状态，运算对负载可输出的可输出电 力，从而解决上述课题。
[0012] 发明的效果
[0013] 本发明根据估计出的耦合状态，通过运算而掌握考虑了电路元件的限制值的对负 载的可输出电力，所以能够缩短达到该可输出电力为止的控制时间。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本例的非接触供电装置的电路图。
[0015] 图2a是图1的一次绕组及二次绕组的平面图和立体图。
[0016] 图2b是图1的一次绕组及二次绕组的平面图和立体图。
[0017] 图3是表示相对图1的一次绕组和二次绕组之间的距离的耦合系数的特性曲线。 [0018] 图4是表示相对图1的二次绕组的高度方向的偏移的耦合系数的变化的图。
[0019] 图5a是表示相对图1的非接触供电单元中的耦合系数（k)的输电线圈（一次绕 组）（VI)的电压特性的曲线。
[0020] 图5b是表示相对图1的非接触供电单元中的耦合系数（K )的可输出电力（Pwt) 的电力特性的曲线。
[0021] 图6a是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的对非 接触供电单元10的一次侧的输入电压（v in)的电压特性的曲线。
[0022] 图6b是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的可输 出电力（P。」的电力特性的曲线。
[0023] 图7a是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的电容 器202的电压（V。）的特性的曲线。
[0024] 图7b是表示在本发明的变形例的非接触供电单元中，相对耦合系数（K)的可输 出电力（Pout)的电力特性的曲线。
[0025] 图8是表示在比较例中对负载单元的输出电力的时间特性的曲线。
[0026] 图9是表示图1的控制器的控制步骤的流程图。
[0027] 图10表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0028] 图11是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0029] 图12是说明由图11的控制器控制的非接触供电单元的耦合系数的误差范围的 图。
[0030] 图13是表示图11的控制器的控制步骤的流程图。
[0031] 图14表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0032] 图15是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0033] 图16是表示在由图15的控制器控制的非接触供电装置中，对负载单元7的输出 电力特性与时间的曲线。
[0034] 图17是表示在由图15的控制器控制的非接触供电装置中，对负载单元7的输出 电力特性与时间的曲线。
[0035] 图18是表示在由图15的控制器控制的非接触供电装置中，逆变器电流与耦合系 数的特性的曲线。
[0036] 图19是表示图15的控制器的控制步骤的流程图。
[0037] 图20表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0038] 图21表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0039] 图22是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的方框图。
[0040] 图23是用于说明图22的非接触供电单元的代表性的电路结构和谐振条件之间的 关系的图。
[0041] 图24是表示图22的控制器的控制步骤的流程图。
[0042] 图25是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的非接触供电单元及负载的电 路图。
[0043] 图26是包括了图25的电路的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0044] 图27是表示图26的控制器的控制步骤的流程图。
[0045] 图28是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的非接触供电单元及负载的电 路图。
[0046] 图29是包括了图28的电路的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0047] 图30是表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0048] 图31是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0049] 图32是表示图31的一次绕组及电容器的施加电压、电流、限制值、检测值及使用 率的关系的图。
[0050] 图33是表示图31的控制器的控制步骤的流程图。
[0051] 图34表示本实施方式的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0052] 图35是本发明的另一实施方式的非接触供电装置的控制器的方框图。
[0053] 图36表示本实施方式及比较例的非接触供电装置中的、输出电力的时间特性。
[0054] 图37是表示图35的控制器的控制步骤的流程图。
【具体实施方式】
[0055] 以下，基于【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0056]《第1实施方式》
[0057] 作为本发明的实施方式的非接触供电装置的一例，说明电动汽车等的车辆用电池 及电力负载共同使用的非接触供电装置。
[0058] 图1表示非接触供电装置的电路图。本实施方式的非接触供电装置包括：高频交 流电源6;进行从高频交流电源6输出的电力的非接触供电的非接触供电单元10;以及由 非接触供电单元10供给电力的负载单元7。
[0059] 高频交流电源6包括：三相交流电源64;连接到三相交流电源64,将三相交流整 流为直流的整流器61 ;以及通过平滑电容器62连接到整流器61，将整流后的电流反变换为 高频电力的电压型逆变器63。整流器61将二极管61a和二极管61b、二极管61c和二极管 61d、以及二极管61e和二极管61e三并联地连接，在各个的中间连接点上连接三相交流电 源64的输出。电压型逆变器63将在M0SFET的功率晶体管等上反向并联连接二极管的开 关元件63a和同样的开关元件63b的串联电路及同样的开关元件63c和开关元件63d的串 联电路并联地连接，并通过平滑电容器62,连接到整流器61。而且，开关元件63a和开关元 件63b之间的中间连接点及开关元件63c和开关元件63d之间的中间连接点分别连接到非 接触供电单元10的一次侧即输电电路单元100。电压型逆变器63对非接触供电单元100 供给数k?100kHz左右的交流电力。
[0060] 非接触供电单元10具有变压器的输入侧即输电电路单元100、以及变压器的输出 侧即受电电路单元200。输电电路单元100具有一次绕组（Li) 101和串联地连接到一次绕 组101的电容器（Cls) 102,受电电路单元200具有二次绕组（L2) 201和串联地连接到二次绕 组201的电容器（C2s) 202。
[0061] 负载单元7具有将由非接触供电单元10供给的交流电力整流为直流的整流单元 71、以及连接到整流单元71的负载72。整流单元71将二极管71a和二极管71b、以及二极 管71c和二极管7Id并联地连接，在各个的中间连接点上连接受电电路单元200的输出。而 且，将整流单元71的输出连接到负载72。负载72是电池等负载。
[0062]控制器20是控制本例的非接触供电装置的整体的控制单元，包括耦合系数估计 单元21、可输出电力运算单元22及电压指令值运算单元23。耦合系数估计单元21通过从 位置传感器99的检测值，估计一次绕组101和二次绕组201之间的耦合系数（k)，从而估 计一次绕组101和二次绕组201之间的耦合状态。耦合系数估计单元21将估计出的耦合 系数（k)发送到可输出电力运算单元22。
[0063] 可输出电力运算单元22基于非接触供电单元10中包含的一次绕组101等的电 压、电流等的限制值和耦合系数（k)，运算对负载单元7的可输出的可输出电力（Pwt)，并 对电压指令值运算单元23发送可输出电力（P^)。
[0064] 这里说明限制值及可输出电力（Pwt)。限制值是根据形成非接触供电单元10的各 元件的耐压、耐电流、逆变器63的元件耐压、或交流电源64的电源容量等而预先确定的值。 例如，一次绕组101、二次绕组201的耐压是根据用于高电压的安全规定所确定的值，耐电 流是根据线圈直径或粗细等所确定的值。此外，电容器1〇2、202的耐压以电容器的使用耐 压确定，逆变器63的耐压或耐电流根据晶体管63a?63d的元件耐压、元件容许电流而预 先确定。
[0065]而且，可输出电压（P。」表示在非接触供电装置的驱动中，将非接触供电单元10 的电路元件及逆变器63的电路元件上加入的电压或电流设为上述限制值以下，从非接触 供电单元10对负载单元7可输出的最大电力。换句话说，可输出电压（P。」是，在非接触 供电单元10及逆变器63中包含的电路元件之中，在至少一个电路元件的电压或电流相当 于限制值的情况下的、非接触供电单元10的输出电力。再有，该一个电路元件的电压或电 流相当于限制值的情况，包含电路元件的电压或电流等于限制值的情况，或者电路元件的 电压或电流相对于限制值具有余量，与较低的值相等的情况。
[0066] 电压指令值运算单元23生成用于使从负载需要的需要电力（P^m)或可输出电 力（PJ从非接触供电单元10输出到负载单元7的电压指令值（Vin Mf)，并输出到逆变器 63。电压指令值相当于晶体管63a?63d的开关信号。
[0067] 位置传感器99是检测一次绕组101和二次绕组的相对位置的传感器，例如设置在 一次绕组101的附近，使用红外线等的电波，测量二次绕组202的位置。
[0068] 接着，使用图2及图3,说明在车辆和停车场中包括图1所示的非接触供电装置的 情况下，一次绕组101和二次绕组201的耦合系数（k)。
[0069] 本例中，例如在车辆中具备包含二次绕组201的受电电路单元200及负载单元7， 作为地面侧例如在停车场具备包含一次绕组101的输电电路单元100及高频交流电源6。 在电动汽车的情况下，负载72例如对应于二次电池。例如在车辆的底盘中具备二次绕组 201。而且，车辆的驾驶员在该停车场停车，以使该二次绕组201在一次绕组701之上，电力 从一次绕组101供给到二次绕组201，负载72中包含的二次电池被充电。
[0070] 图2a及图2b表示一次绕组101及二次绕组201的平面图和立体图。在图2a及 图2b中，X轴及Y轴表示一次绕组101及二次绕组201的平面方向，Z轴表示高度方向。在 图2a及图2b中，a)表示一次绕组101及二次绕组201的平面图，b)表示二次绕组201的 立体图，c)表示一次绕组101的立体图。再有，为了说明，一次绕组101及二次绕组201都 为圆形的同一形状，但本例不一定为圆形，此外也不必将一次绕组101和二次绕组201设为 相同的形状。
[0071] 如图2a所示，在平面方向即X轴、Y轴方向中，如二次绕组201与一次绕组101重 合那样，将车辆停车在停车场即可，但因驾驶员的技能，如图2b所示，有时一次绕组101和 二次绕组201之间的相对位置在平面方向中会有偏移。此外，车辆的高度因车辆的种类而 不同，所以一次绕组101和二次绕组201之间的高度也因车高度而不同。
[0072] 图3表示耦合系数相对图2a、2b所示的X轴方向（Y轴方向）和Z轴方向的二次 绕组201的变化。图4表示耦合系数k相对于图2所示的Z轴方向的二次绕组201的偏 移的变化。再有，图4的横轴L，使用二次绕组202的平面方向（X轴方向）及高度方向（Z 轴方向），以式（1)表示，是二次绕组202相对于地面上固定的一次绕组101的距离。
【权利要求】
1. 非接触供电装置，至少通过磁耦合，从电连接到交流电源上的输电线圈对受电线圈 以非接触方式输送电力，并对电连接到所述受电线圈上的负载输出电力，其特征在于，该装 置包括： 耦合状态估计装置，对所述输电线圈和所述受电线圈之间的耦合状态进行估计；以及 可输出电力运算装置，基于具有所述输电线圈及所述受电线圈的供电电路的电路元件 的限制值和所述耦合状态，运算对所述负载可输出的可输出电力。
2. 如权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述可输出电力运算装置根据以包含了所述输电线圈的电感、所述受电线圈的电感、 所述交流电源的驱动频率、所述耦合状态、所述电路元件的电流或电压的理论式表示的关 系，使用由所述耦合状态估计装置估计出的耦合状态及所述限制值，运算所述可输出电力。
3. 如权利要求1或2所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 指令值生成装置，基于所述可输出电力生成使所述可输出电力输出到所述负载的、电 力变换装置的指令值， 所述电力变换装置设置在所述交流电源中，将输入的电力进行变换并输出到所述输电 线圈。
4. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 误差范围运算装置，运算基于所述耦合状态估计装置的估计误差的、所述耦合状态的 误差范围， 所述可输出电力运算装置 基于所述误差范围中包含的多个耦合状态，分别运算所述可输出电力， 所述指令值生成装置 基于运算出的多个可输出电力中的、最小的可输出电力生成所述指令值。
5. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 误差范围运算装置，运算基于所述耦合状态估计装置的估计误差的、所述耦合状态的 误差范围； 传感器，检测所述供电电路的电压或电流；以及 判别装置，基于所述传感器的检测值，判别对所述负载可输出的实际的电力属于与所 述误差范围的中间值和所述误差范围的下限值之间的范围相当的第一范围、或与所述中间 值和所述误差范围的上限值之间的范围相当的第二范围中的哪个范围， 所述指令值生成装置根据所述判别装置的判别结果，生成所述指令值。
6. 如权利要求5所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述指令值生成装置 在对所述负载可输出的实际的电力属于所述第一范围的情况下，基于运算出的多个所 述可输出电力中的、最小的可输出电力，生成所述指令值。
7. 如权利要求5或6所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述指令值生成装置 在对所述负载可输出的实际的电力属于所述第二范围的情况下，基于从所述中间值的 耦合状态所运算的所述可输出电力，生成所述指令值。
8. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 检测装置，检测从所述电力变换装置至所述供电电路的输入电压及输入电流， 所述指令值生成装置生成用于估计所述耦合状态的所述指令值即估计指令值，输出到 所述电力变换装置， 所述耦合状态估计装置 在使所述电力变换装置的驱动频率和所述供电电路的谐振频率一致的状态下，基于以 所述估计指令值驱动中的所述电力变换装置的所述输入电压、以所述估计指令值驱动中的 所述电力变换装置的所述输入电流、以及所述负载的电阻，估计所述耦合状态。
9. 如权利要求8所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述耦合状态估计装置 从以包含了所述输电线圈的电感、所述受电线圈的电感、所述输入电压、所述输入电 流、所述负载的电阻值、以及所述电力变换装置的驱动频率的理论式表示的关系，使用以所 述估计指令值驱动中的所述电力变换装置的输入电压以及以所述估计指令值驱动中的所 述电力变换装置的输入电流，估计所述耦合状态。
10. 如权利要求8或9所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 调整电路，具有使所述供电电路的二次侧的谐振电路的谐振频率与所述驱动频率一致 的电阻、以及切换所述电阻和所述受电线圈之间导通及关断的开关单元， 所述耦合状态估计装置在所述开关单元的导通状态下，估计所述耦合状态。
11. 如权利要求8或9所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 谐振电路，使所述供电电路的二次侧的谐振频率与所述驱动频率一致；以及 开关单元，切换所述谐振电路和所述受电线圈之间的接通及关断， 所述耦合状态估计装置在所述开关单元的导通状态下，估计所述耦合状态。
12. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 第一检测装置，检测所述供电电路之中受电侧的电路的电压、电流或电力；以及 耦合状态运算装置，基于所述第一检测装置的检测值运算所述耦合状态， 所述可输出电力运算装置 基于由所述耦合状态估计装置估计出的耦合状态，运算对所述负载可输出的第一可输 出电力， 基于由所述耦合状态运算装置运算出的耦合系数，运算对所述负载可输出的第二可输 出电力， 所述指令值生成装置 在基于所述第一可输出电力生成第一指令值从而控制所述电力变换装置后，基于所述 第二可输出电力生成第二指令值从而控制所述电力变换装置。
13. 如权利要求12所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述耦合状态估计装置基于在输电侧设置的传感器的检测值的检测信息估计所述耦 合状态， 所述指令值生成装置 使所述第一指令值及所述第二指令值以规定的周期上升， 每个所述周期的所述第二指令值的变化量大于每个所述周期的所述第一指令值的变 化量。
14. 如权利要求12所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述指令值生成装置 使所述第2指令值逐级地上升。
15. 如权利要求3或权利要求12至14中任意一项所述的非接触供电装置，其特征在 于，还包括： 第二检测装置，检测所述电路元件的电压或电流；以及 使用率运算装置，运算以所述第二检测装置的检测值与所述限制值的比例表示的使用 率， 所述指令值生成装置 在所述使用率成为为了维持所述非接触供电装置的供电性能、或为了保护所述电路元 件而设定的第一限制值以上的情况下，保持所述指令值。
16. 如权利要求3或权利要求12至15中任意一项所述的非接触供电装置，其特征在 于，还包括： 第二检测装置，检测所述电路元件的电压或电流；以及 使用率运算装置，运算以所述第二检测装置的检测值与所述限制值的比例表示的使用 率， 所述指令值生成装置 在所述使用率为根据所述第二检测装置的检测误差、或所述电路元件的制造上的偏差 所设定的第二限制值以上的情况下，保持在所述使用率为所述第二限制值以上之前生成的 指令值。
17. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于，还包括： 误差范围运算装置，运算基于所述耦合状态估计装置的估计误差的、所述耦合状态的 误差范围；以及 分割装置，分割可输出电力范围， 所述可输出电力运算装置 通过基于所述误差范围中包含的多个耦合状态，分别运算所述可输出电力，运算与所 述误差范围对应的所述可输出电力范围， 所述指令值生成装置 在由所述分割装置分割后的多个所述可输出电力范围中，从小的可输出电力范围起顺 序地基于所述可输出电力范围中包含的所述可输出电力而生成所述指令值，并输出到所述 电力变换装置。
18. -种非接触供电方法， 该方法至少通过磁耦合，从电连接到交流电源上的输电线圈对受电线圈以非接触方式 输送电力，并对电连接到所述受电线圈上的负载输出电力，其特征在于，该方法包括： 估计所述输电线圈和所述受电线圈之间的耦合状态的步骤； 基于具有所述输电线圈及所述受电线圈的供电电路的电路元件的限制值和所述耦合 状态，运算对所述负载可输出的可输出电力的步骤。
【文档编号】B60L11/18GK104335451SQ201380011023
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2013年3月5日 优先权日:2012年3月13日
【发明者】山内雄哉, 皆川裕介, 特龙农斋·盖颂, 甲斐敏佑 申请人:日产自动车株式会社
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