专利名称：供电装置、受电装置、无线供电系统和无线输电方法
技术领域：
本发明涉及供电装置、受电装置、无线供电装置、以及以非接触(无线)方式供电和受电的方法。
背景技术：
已知无线供电的电磁感应方法。近年来，使用依靠电磁共振现象的称为磁场共振法的无线供电和充电系统已受到关注。当前流行的基于电磁感应方法的非接触式供电方法要求电力源和电力目的地 (受电侧)必须共享磁通量。对于有效的电力传送，电力源和电力的目的地必须设置为彼此极其接近。此外，耦合共轴也重要。另一方面，基于电磁共振现象的非接触式供电方法是有利的，因为其允许在比电磁感应方法更长的距离上送电，这得益于电磁共振现象的原理，即使共轴有些差，传输效率不会降低很多。应注意，电场共振方法是基于电磁共振现象的另一方法。基于电磁共振现象的无线供电系统不要求共轴且允许延伸供电距离。然而，需要动态的阻抗控制来充分利用该特性。日本专利公开No.Hei 10-163889 (下文中称为专利文献1)公开了自动阻抗匹配方法，该方法在电力增幅器中输出阻抗改变的情况中可靠地匹配输入和输出阻抗。图1是示出使用专利文献1中公开的自动阻抗控制方法的传送器(供电装置)的方框图。图1中所示的供电装置(传送器)包括电力增幅器1、负载阻抗检测器2、匹配电路3、天线4、AD转换器5、CPU 6、马达或中继驱动电路7和确定阈值设定器8。在供电装置中，负载阻抗检测器2设置在电力增幅器1和天线(负载)4之间。匹配电路3通过来自该负载阻抗检测器2的检测信号控制，由此匹配输入和输出阻抗。当电力增幅器1的输出阻抗和负载阻抗匹配时，负载阻抗检测器2已校准获得的输入和输出阻抗，使得负载阻抗检测信号电压是检测电压的中心值。适于控制匹配电路3的CPU 6通过使用检测输出驱动马达或中继驱动电路7来控制阻抗匹配。CPU 6执行的匹配控制程序的阻抗确定阈值根据电力增幅器1中的输出阻抗的改变而改变。阻抗确定阈值通过确定阈值设定器8而改变。图2是示出专利文献1中公开的现有传送器的实例的示图。
在该情况中，由于不需要动态改变最优控制，所以没有设置确定阈值设定器。
发明内容
配置为如以上专利文献1中公开的供电装置需要目标装置之间的阻抗检测器和可变匹配电路。此外，受电装置需要阻抗检测器和可变匹配电路。因此，以上技术导致包括更大电路规模、成本增加和插入电路引起的电力损失的缺点。因此，本发明提供供电装置、受电装置、无线供电系统和无线输电的方法，其可防止电路规模和成本增加、确保电力损失减小、并调整供电侧和受电侧上的阻抗。根据一个实施方式，提供了包括阻抗检测器、控制器、电力传送器、可变匹配电路和信号传送器的供电装置。控制器被配置为基于阻抗检测器检测的阻抗提供第一控制信息和第二控制信息。电力传送器被配置为无线传送电力，电力传送器包括具有可变直径的供电线圈。可变匹配电路被配置为根据第一控制信息改变供电线圈的可变直径。信号传送器被配置为无线传送第二控制信息。在一个实施方式的供电装置中，第一控制信息基于可变匹配电路的当前状态和阻抗检测器检测的阻抗。在一个实施方式的供电装置中，第二控制信息基于与外部装置相关的外部可变匹配电路的外部当前状态和外部装置的外部阻抗。在一个实施方式的供电装置中，信号传送器被配置为从外部装置接收包括外部当前状态的信息。一个实施方式的供电装置还包括配置为存储阻抗特性信息的存储装置，该阻抗特性信息包括供电装置的阻抗特性和外部装置的外部阻抗特性之间的关系。在一个实施方式的供电装置中，控制器被配置为基于阻抗检测器检测的阻抗和阻抗特性信息估计外部阻抗。在一个实施方式的供电装置中，第二控制信息至少包括直径改变信息、阻抗检测结果信息、和与外部可变匹配电路相关的设定信息中的一种。根据一个实施方式，提供了包括电力接收器、信号接收器、和可变匹配电路的受电装置。电力接收器被配置为无线接收电力，电力接收器包括具有可变直径的供电线圈。信号接收器被配置为无线接收控制信息，其中，控制信息基于在外部装置中检测的阻抗。可变匹配电路被配置为根据控制信息改变供电线圈的可变直径。在一个实施方式的受电装置中，可变匹配电路独立于检测受电装置中的阻抗而改变供电线圈的可变直径。在一个实施方式的受电装置中，信号接收器被配置将包括可变匹配电路的当前状态的信号传送至外部装置。在一个实施方式的受电装置中，控制信息至少包括直径改变信息、阻抗检测结果信息、和与可变匹配电路相关的设定信息中的一种。根据一个实施方式，提供了包括供电装置和受电装置的无线供电系统。根据一个实施方式，提供了从供电装置向受电装置无线输电的方法。该方法包括检测供电装置中的阻抗、基于在供电装置中检测的阻抗控制供电装置中的送电、以及基于供电装置中检测的阻抗控制受电装置中的受电。
在该方法的一个实施方式中，在供电装置中控制送电基于供电装置中可变匹配电路的当前状态和供电装置中检测的阻抗。在该方法的一个实施方式中，控制受电装置中的电力接收基于受电装置中可变匹配电路的当前状态和受电装置中的阻抗。该方法的一个实施方式还包括从受电装置向供电装置无线传送信息，该信息包括受电装置中可变匹配电路的当前状态。该方法的一个实施方式还包括在供电装置中存储阻抗特性信息，阻抗特性信息包括供电装置的第一阻抗特性和受电装置的第二阻抗特性之间的关系。该方法的一个实施方式还包括基于在供电装置中检测的阻抗和阻抗特性信息估计受电装置的阻抗。该方法的一个实施方式还包括从供电装置向受电装置无线传送控制信息，该控制信息至少包括直径改变信息、阻抗检测结果信息和与受电装置中可变匹配电路相关的设定信息中的一种。在该方法的一个实施方式中，控制受电装置中的电力接收独立于检测受电装置中的阻抗。本文描述了其它的特征和优点，其将从以下详细说明和附图中变得显而易见。
图1是示出使用专利文献1中公开的自动阻抗匹配方法的传送器(供电装置)的结构的方框图。图2是示出专利文献1中公开的现有传送器的实例的示图。图3是示出根据一个实施方式的无线供电系统的结构实例的方框图。图4是示意性地示出根据本实施方式的送电侧和受电侧上线圈之间关系的示图。图5是示意性地示出具有直径改变能力的供电线圈和可变匹配电路的结构的示图。图6是示出一般的可变匹配电路的实例的示图。图7是示意性地示出适于改变根据本实施方式的供电装置和受电装置中供电线圈的直径的结构的示图。图8是示出随着本实施方式和比较例中共振线圈之间的间隔(送电侧和受电侧之间的距离)改变而改变的输电特性的示图。图9是示出根据本实施方式的阻抗检测器的结构实例的示图。图IOA和IOB是示出当送电线圈和受电线圈之间的距离改变时送电侧和受电侧上线圈的阻抗特性的实例的示图。图11是示出特性范围被划分为第一象限至第四象限的史密斯圆图的示图。图12以表格示出送电侧上的阻抗的当前状态和可变匹配电路要转移的状态之间的关系的示图。图13A和13B是示出送电侧和受电侧上的阻抗根据匹配电路的状态改变的实例的示图。图14是描述磁场共振方法原理的示图。
图15是示出在磁场共振方法中耦合量的频率特性的示图。图16是示出在磁场共振方法中在共振线圈之间的距离和耦合量之间关系的示图。图17是示出在磁场共振方法中在共振频率和共振线圈之间的距离之间提供最大耦合量的关系的示图。图18是示出根据第二实施方式的无线供电系统的结构实例的方框图。
具体实施例方式以下将参照
本发明实施方式。应注意，将以下面的顺序给出说明1.无线供电系统的第一实施方式2.供电线圈和可变匹配电路的直径改变能力3.适于控制供电线圈直径的控制处理4.控制器的控制处理5.磁场共振方法的原理6.阻抗控制操作7.无线供电系统的第二实施方式1.无线供电系统的第一实施方式图3是示出根据第一实施方式的无线供电系统的结构实例的方框图。图4是示意性地示出根据本实施方式的无线供电系统的送电侧和受电侧上线圈之间关系的示图。无线供电系统10包括供电装置20和受电装置30。在根据第一实施方式的无线供电系统10中，供电装置20包括阻抗检测器和可变匹配电路，受电装置30包括可变匹配电路而不包括阻抗检测器。如以下所述，供电(送电)侧上的阻抗检测器和可变匹配电路均由用作控制部的控制器控制以执行类似的阻抗转换。供电装置20包括送电元件部21、第一可变匹配电路22、阻抗检测器23、高频电力发生电路24和用作第一控制部的控制器25。此外，供电装置20包括用作存储部的存储装置(存储器)26和用作第一通信部的无线信号传送器/接收器27。送电元件部21包括用作供电元件的供电线圈211和用作共振元件的共振线圈 212。供电线圈211通过空心线圈形成。供电线圈211被配置为使得其直径可通过可变匹配电路22响应于切换控制信号而改变。可变匹配电路22还用作直径改变部。共振线圈212是通过与供电线圈211电磁感应耦合的空心线圈形成。磁场共振关系在共振线圈212的自共振频率与受电装置30的共振线圈312的自共振频率匹配时建立， 因此允许高效的电力传送。2.供电线圈和可变匹配电路的直径改变能力
图5是示意性地示出包括直径改变能力的供电线圈和可变匹配电路的结构的示图。图5中所示的供电线圈211包括干线部(main line section)MLl，其一端连接至用作供电部的前端部F/E。供电线圈211的干线部MLl的另一端连接至空心线圈部SL1、SL2和SL3中的每个的一端。空心线圈部SL1、SL2和SL3分别具有彼此不同的直径al、a2和a3。形成空心线圈部SL1、SL2和SL3，使得直径al、a2和a3之间保持关系al < a2 < a3。供电线圈211和可变匹配电路22具有适于改变直径“a”的开关部SWl和SW2。例如，开关部SWl和SW2可配置为可变匹配电路22的一部分或送电元件部21的一部分。开关部SWl和SW2均具有端子“ χ，，、“ y，，和“ ζ ”。开关SWl具有连接至前端部F/E的端子“X”、保持非连接状态的端子“y”、以及连接至空心线圈部SLl的另一端的端子“ζ”。开关SW2具有连接至前端部F/E的端子“X”、连接至空心线圈部SL2的另一端的端子“y”、以及连接至空心线圈部SL3的另一端的端子“ζ”。响应于例如控制器25提供的切换控制信号CSWl和CSW2，开关SWl和SW2分别彼此独立地从一个端子切换到另一个。S卩，当切换控制信号CSWl和CSW2指示例如第一状态时，端子“X”和“y”连接开关 Sffl禾口 SW2中的每个。在该情况中，供电线圈211的直径等于空心线圈部SL2的直径a2。当切换控制信号CSWl和CSW2指示第二状态时，端子“X”和“ζ”连接开关SWl和 SW2中的每个。在该情况中，供电线圈211的直径基本等于空心线圈部SLl的直径al。此时，虽然空心线圈部SLl和SL3保持彼此连接，但是供电线圈211的直径等于两个直径中的较小直径，或直径al。可变匹配电路22具有响应于控制器25提供的控制信号CSWl和CSW2在供电线圈 211的供电点实现阻抗匹配的能力。3.适于控制供电线圈直径的控制处理图4示出磁场共振无线供电系统10的基本结构。在无线供电系统10中，在供电点和负载端的阻抗匹配非常重要。阻抗匹配通常是通过调节共振线圈之间的间隔D和在送电侧和受电侧上的两个线圈的直径比来进行。图6是示出一般的可变匹配电路的实例的示图。串联和并联电抗元件通常要求调节阻抗的实部。为了在这些电抗元件之间切换， 需要四个开关SW11、SW12、Sff 13和SW14。图7是示意性地示出适于改变根据本实施方式的供电装置和受电装置中供电线圈直径的结构的示图。本实施方式通过利用磁场共振阻抗匹配结构改变供电线圈211和供电线圈311的直径，因此以低损失提供匹配切换电路。具有高Q因子的共振线圈通常用于磁场共振无线供电系统。因此，将电路连接至共振线圈导致大损失。相反，供电线圈的阻抗转换为低阻抗。因此，将电路连接至供电线圈仅导致小损失。此外，在图6中所示的一般的可变匹配电路中，需要八个开关SWll至SW18提供阻抗的实部的三个可能值。相反，根据图5和图7所示的本实施方式的方法可仅通过两个开关或开关SWl和SW2提供三个可能值，因此以低成本提供可变匹配电路。图8是示出随着本实施方式和比较例中共振线圈之间的距离(送电侧和受电侧之间的距离)改变而改变的电力特性的示图。在图8中，横轴表示共振线圈之间的间隔D，纵轴表示受电水平。在图8中，字母K所示的曲线表示当根据本实施方式的供电线圈的直径“a”可改变时的特性。字母L所示的曲线表示比较例所示的特性。该曲线表示供电线圈的直径“a”固定为272mm时的特性。字母M所示的曲线表示比较例所示的特性。该曲线表示供电线圈的直径“a”固定为179mm时的特性。当送电侧和受电侧上的共振线圈之间的间隔(送电侧和受电侧之间的距离)改变时，通常需要再调整磁场共振无线供电系统中的阻抗。例如，如果在图8中供电线圈的直径“a”固定为272mm，如曲线L所示，则共振线圈之间距离D为550mm的输电效率特性显著劣化。如果供电线圈的直径“a”固定为179mm，如曲线N所示，则共振线圈之间的距离D 为550mm的输电效率特性良好，但距离D为约250mm的输电效率特性劣化。另一方面，如果在本实施方式中的供电线圈的直径“a”可变，如曲线K所示，则即使共振线圈之间距离D从250mm改变至550mm，输电效率特性良好，具有最小的劣化。虽然在图5和图7所示的实施方式中描述了直径在两个可选值之间切换的情况， 但可以形成更多空心线圈部并使用开关部SWl切换直径。控制器25和控制器36执行控制，使得共振线圈之间距离D (共振线圈彼此越近) 越短，供电线圈211和311的直径“a”越大，并且距离D越长(共振线圈彼此越远)，其直径 “a”越小。阻抗检测器23具有例如基于高频电力发生电路24产生的高频电力检测供电装置 20的供电(送电)侧上的阻抗的能力，并将检测结果作为信号S23提供至控制器25。图9是示出根据本实施方式的阻抗检测器的结构实例的示图。阻抗检测器23包括电压检测器231和电流检测器232。电压检测器231将电阻元件Rl和R2提供的电压分压以检测电压VL。电流检测器232包括变压器Tl和电阻器R3和R4并从提供的电压检测电流IL。然后，通过以检测的电流IL除以检测的电压VL计算阻抗Z ( Ω )。此外，阻抗检测器23将由高频电力发生电路24产生的高频电力提供至可变匹配电路22ο
高频电力发生电路24为无线电力传送发生高频电力。由于以高效率发生高频电力应该是所期望的，所以将例如切换放大器用作高频电力发生电路24。由高频电力发生电路24发生的高频电力经由阻抗检测器23提供至可变匹配电路 22，并被供给(施加)至送电元件部21的供电线圈211。响应于阻抗检测器23的检测结果，控制器25将第一控制信号S25输出至可变匹配电路22，使得由可变匹配电路22执行的阻抗匹配确保送电的高效率。换句话说，控制器25执行控制，使得共振线圈212的自共振频率匹配受电装置30 的共振线圈312的自共振频率，从而建立磁场共振关系，因此确保送电的高效率。应注意，控制信号S25包括提供至可变匹配电路22的切换控制信号CSWl和CSW2。4.控制器的控制处理当供电(送电)侧和受电侧在磁场共振无线供电系统10中强耦合时，控制器25 根据阻抗检测结果执行高精度控制。这里，术语“强耦合”指送电元件部和受电元件部以允许电力传送的距离彼此设置的事实，还指供电效率为约80%以上的情况。在本实施方式中，阻抗特性估计信息存储在存储装置26中作为参考表(关系表)。 阻抗特性估计信息用于从送电侧的阻抗特性估计受电侧的阻抗特性。控制器25接收由阻抗检测器23检测的电压VL和电流IL的信息，并计算供电(送电)侧的当前阻抗Z( = VL/IL)。当检测的阻抗Z为例如50Ω时，控制器25确定VSWR(电压驻波比)为1，这是理
术目的
> LH、U J ο如果检测的阻抗Z为25 Ω或100 Ω时，则控制器25确定VSWR为2。在本实施方式中，控制器25例如从检测的阻抗Z确定当前阻抗特性是在史密斯圆图的第一至第四象限中哪个象限，如下所述。然后，控制器25控制可变匹配电路22，使得VSWR接近1，换句话说，使得VSWR接近为史密斯圆图的中心的象限的边界。根据本实施方式的控制器25控制阻抗匹配，使得VSWR实际上例如约为1. 2至 1. 5。控制器25从阻抗Ζ、可变匹配电路22的设定状态信息以及存储装置26的阻抗信息和参考表信息计算送电侧和受电侧的阻抗状态和可变匹配电路22的最优设定状态。控制器25改变可变匹配电路22的状态，使得可变匹配电路22呈现设定状态。这里，可变匹配电路22不允许阻抗连续改变。相反，如参照图5至图8所述，可变匹配电路22可在几个可能状态中的一个状态切换到另一个状态。作为以上控制的结果，控制器25提供送电侧和受电侧的最优阻抗状态，因此允许良好的无线供电操作。图IOA和IOB是示出当送电元件和受电元件之间的距离改变时送电侧和受电侧上线圈的阻抗特性的实例的示图。图IOA将送电(供电)侧的阻抗特性示为史密斯圆图1。图IOB将送电(供电)侧的阻抗特性示为史密斯圆图2。
虽然形成送电侧和受电侧的阻抗特性曲线的方向不同，但这不是实质。两个特性曲线具有提供实质阻抗匹配的对应关系。图IOA和IOB中示出的值“m”越小，送电元件和受电元件之间的距离越短。另一方面，值“III”越大，其间的距离越长。图11是示出特性范围被划分为第一象限SCl至第四象限SC4的史密斯圆图的示图。史密斯圆图由两条线划分为第一象限SCl至第四象限SC4，线Ll连接0度和180 度，而线L2连接90度和-90度。第一象限SCl包括图11的右上的0度至90度的特性范围。第二象限SC2包括图11的左上的90度至180度的特性范围。第三象限SC3包括图11的左下的180度至-90度的特性范围。第四象限SC4包括图11的右下的-90度到0度的特性范围。图12是以表格示出送电侧上的阻抗的当前状态和可变匹配电路要转移的状态之间关系的示图。图13A和13B是示出送电侧和受电侧上的阻抗根据匹配电路的状态改变的实例的示图。STl表示阻抗转换的第一状态，ST2表示其第二状态，ST3表示其第三状态，ST4表示其第四状态。在送电(供电)侧，起点阻抗在第一状态(STl)中被转换为稍低的水平。在第四状态(ST4)中，起点阻抗被转换为显著低的水平。即，阻抗转换比的顺序为ST4 > ST3 > ST2
>STl。结果，在受电侧，起点阻抗的虚部在第一状态(STl)被转换为稍小的负水平，使得起点阻抗在史密斯圆图中直接向上转移。在第四状态(ST4)中，起点阻抗的虚部被转换为正水平，以便起点阻抗在史密斯圆图中显著地直接向上转移。即，阻抗转换比的顺序是ST4
>ST3 > ST2 > STl。例如，如果从送电侧的阻抗计算的VSWR为3以上，则根据本实施方式的控制器25 改变匹配电路的状态。在该情况中，根据匹配电路22的当前状态，通过参照图12中的表格，控制器25计算匹配电路22要转移的下一状态，并将控制信号S25提供至可变匹配电路22，使得可变匹配电路22进行状态转移。此时，例如，如果送电元件和受电元件分别具有图IOA和IOB中所示的阻抗特性， 则事先制作表，使得送电线圈的匹配电路执行适于图13所示的匹配电路的状态的阻抗转换。类似地，准备表格，使得受电侧上的匹配电路执行适于图13B中所示的匹配电路的状态的阻抗转换。如上所述，阻抗改变和与其相关的匹配电路的状态的组合必须事先可用。在图12中，如果送电侧上的阻抗的当前状态在第一象限SCl或第四象限SC4，且当可变匹配电路22当前在第一状态STl时，则控制器25生成控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第二状态ST2。
在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变为较小尺寸。当可变匹配电路当前在第二状态ST2时，控制器25生成控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第三状态ST3。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变为较小尺寸。当可变匹配电路22当前在第三状态ST3时，控制器25生成控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第四状态ST3。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变为较小尺寸。当可变匹配电路22当前在第四状态ST4时，控制器25生成控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第三状态ST3。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变为较大尺寸。如上所述，本实施方式提供用于无线供电的自动阻抗匹配装置，其允许送电侧 (供电侧)和受电侧上的阻抗调整。虽然这里说明了阻抗是随送电元件和受电元件之间的距离的改变自动调整的情况，但本实施方式也适用于其他目的。例如，当距离保持固定时，如果本实施方式用于消除连接至受电装置的负载阻抗的改变引起的阻抗失配，则自动阻抗匹配装置可以下面的方式配置。S卩，送电侧和受电侧负载阻抗和线圈阻抗之间对应表是事先准备的。这使得可通过检测送电侧阻抗改变来调整送电侧和受电侧上的阻抗。无线信号传送器/接收器27包括无线通信能力，并可通过无线通信与受电装置30 侧上的控制器36交换信息，诸如包括直径改变信息、设置信息和阻抗检测结果信息的阻抗控制信息。可使用的无线通信方案为蓝牙和RFID。受电装置30包括受电元件部31、第二可变匹配电路32、整流电路33、电压稳定电路34、负载35、用作第二控制部的控制器36和用作第二通信部的无线传送器/接收器37。受电元件部31包括用作供电元件的供电线圈311和用作共振元件的共振线圈 312。AC电流从共振线圈312通过电磁感应供给至供电线圈311。配置供电线圈311，使得其直径可通过用作直径改变部的可变匹配电路32改变。包括供电线圈311和可变匹配电路32的供电线圈311的直径改变部可以与前述供电装置20相同的方式配置。因此，省略其详细说明。在该情况中，前端部F/E用作受电部。共振线圈312通过与供电线圈311电磁感应耦合的空心线圈形成。当共振线圈 312的自共振频率匹配供电装置20的共振线圈212的自共振频率时，建立磁场共振关系，因此允许高效受电。可变匹配电路32具有响应于包括从控制器36提供的控制信号CSW31和CSW32的控制信号S36，在供电线圈311的负载端实现阻抗匹配的能力。根据经由无线信号传送器/接收器37接收的供电装置20的控制器25的控制信息，可变匹配电路32以响应于在供电装置20中执行的控制的方式控制阻抗匹配。整流电路33将接收的AC电力整流为DC电力并将DC电力提供至电压稳定电路34。电压稳定电路34将从整流电流33提供的DC电力转化为与目标电子装置规范兼容的DC电压，将稳定的DC电压提供至负载35，即电子装置。控制器36可经由无线信号传送器/接收器37与供电装置20的无线信号传送器 /接收器27和控制器25交换阻抗控制信息和其他信息。根据经由无线信号传送器/接收器37接收的供电装置20的控制器25的控制信息，控制器36以响应于在供电装置20中执行的控制的方式控制可变匹配电路32。控制器36将控制信号S36输出至可变匹配电路32，使得可变匹配电路32执行的阻抗匹配确保高效率电力传送。下面说明上述配置的无线供电系统10的操作，重点强调了磁场共振方法的原理和适于控制供电线圈211和311的直径的处理。5.磁场共振方法的原理首先参照图14到17给出磁场共振方法的原理的说明。图14是说明磁场共振方法原理的示图。应注意，这里说明的原理假定供电线圈是供电元件且共振线圈是共振元件。电磁共振现象可分为两种类型，S卩，电场共振方法和磁场共振方法。在这两种方法中，图14示出了在供电侧和受电侧之间具有一对一关系的磁场共振类型的无线(非接触) 供电系统的基本块。当结合图3所示的结构考虑时，供电侧具有AC电源24、供电元件211和共振元件 212，受电侧具有共振元件312、供电元件311和整流电路33。图14是设计为说明基本原理的示图。因此，供电装置20中省略了可变匹配电路 22、阻抗检测器23、控制器25、存储装置26和无线信号传送器/接收器27。受电装置30中省略了可变匹配电路32、电压稳定电路34、负载35、控制器36和无线信号传送器/接收器37。供电元件211和311以及共振元件212和312通过空心线圈形成。在供电侧，供电元件211和共振元件212通过电磁感应强耦合。类似地，在受电侧， 供电元件311和共振元件312通过电磁感应强耦合。当空心线圈，即分别在供电侧和受电侧的共振元件212和312的自共振频率匹配时，磁场共振关系建立，提供最大耦合量和最小损失。AC电流从AC电源24提供至供电元件211，进一步引起通过电磁感应在共振元件 212中所感应的电流。由AC电源24发生的AC电流的频率被设定为等于共振元件212和312的自共振频率。共振元件212和312以其间建立磁场共振关系的方式设置。这允许AC电流以共振频率从共振元件212无线(以非接触方式)提供至共振元件312。在受电侧，电流从共振元件312通过电磁感应提供至供电元件311，然后通过整流电路33发生和输出DC电流。图15是示出在磁场共振方法中耦合量的频率特性的示图。在图15中，横轴表示AC电源的频率，纵轴表示耦合量。
图15示出AC电源的频率和耦合量之间的关系。从图15可看出磁共振显示频率选择性。图16是示出在磁场共振方法中在共振元件之间的距离和耦合量之间的关系的示图。在图16中，横轴表示共振元件之间的距离D，纵轴表示耦合量。图16示出供电侧上的共振元件212和受电侧上的共振元件312之间的距离D与耦合量之间的关系。从图16中看出在给定共振频率耦合量最大时的距离D存在。图17是示出在磁场共振方法中在共振频率和共振元件之间的距离之间提供最大耦合量的关系的示图。在图17中，横轴表示共振频率f，纵轴表示共振元件之间的距离D。图17示出共振频率与供电侧上的共振元件212和受电侧上的共振元件312之间的距离D之间提供最大耦合量的关系。从图17看出在电力频率低时可通过加宽共振元件之间的间隔，在共振频率高时可通过减小其间的间隔实现最大耦合量。6.阻抗控制操作在供电装置20中，电压VL和电流IL通过阻抗检测器23检测，检测结果作为信号 S23被提供至控制器25。响应于阻抗检测器23检测的电压VL和电流IL的信息，控制器25计算供电(送电)侧的当前阻抗Z( = VL/IL)。控制器25从阻抗Z、可变匹配电路22的设定状态信息以及存储装置26的阻抗信息和参考表信息计算送电侧和受电侧的阻抗状态和可变匹配电路22的最优设定状态。控制器25改变可变匹配电路22的状态，使得可变匹配电路22呈现所计算的设定状态。例如，如果从送电侧的阻抗计算的VSWR为3以上，则控制器25改变匹配电路22 的状态。在该情况中，控制器25参照图12中所示的表格以根据其当前状态计算匹配电路 22要转移的下一状态，并将控制信号S25提供至可变匹配电路22，使得可变匹配电路22进行状态转移。在图12中，如果送电侧上的阻抗的当前状态在第一象限SCl或第四象限SC4，且当可变匹配电路22当前在第一状态STl时，则控制器25生成控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第二状态ST2。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变至较小尺寸。当可变匹配电路22当前在第二状态ST2时，控制器25发生控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第三状态ST3。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变至较小尺寸。当可变匹配电路22当前在第三状态ST3时，控制器25发生控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第四状态ST4。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变至较小尺寸。
当可变匹配电路22当前在第四状态ST4时，控制器25发生控制信号S25，使得可变匹配电路22保持在第四状态ST4。在该情况中，可变匹配电路22不改变供电线圈211的直径。在图12中，如果送电侧上的阻抗的当前状态在第二象限SC2或第三象限SC3中， 且当可变匹配电路22当前在第一状态STl时，则控制器25发生控制信号S25，使得可变匹配电路22保持在第一状态STl。在该情况中，可变匹配电路22不改变供电线圈211的直径。当可变匹配电路22当前在第二状态ST2时，控制器25发生控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第一状态STl。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变至较大尺寸。当可变匹配电路22当前在第三状态ST3时，控制器25发生控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第二状态ST2。在该情况中，可变匹配电路22改变供电线圈211的直径到较大尺寸。当可变匹配电路22当前在第四状态ST4时，控制器25发生控制信号S25，使得可变匹配电路22转移至第三状态ST3。在该情况中，可变匹配电路22将供电线圈211的直径改变至较大尺寸。然后，控制信息从无线信号传送器/接收器27无线传送至受电装置30，使得以响应于在供电装置20的可变匹配电路22执行的控制的方式控制受电装置30的可变匹配电路32 ο在受电装置30中，控制器36根据经由无线信号传送器/接收器37接收的供电装置20的控制器25的控制信息以响应在供电装置20中执行的控制的方式控制可变匹配电路32 ο7.无线供电系统的第二实施方式图18是根据第二实施方式的无线供电系统的结构实例的方框图。根据第二实施方式的无线供电系统IOA不同于根据第一实施方式的无线供电系统10，因为阻抗检测器和存储装置设置在受电装置30A中，而不是供电装置20A中。在该情况中，根据受电装置30A的阻抗检测器38的检测结果以与第一实施方式中相同的方式控制匹配电路32。控制信息从用作第二通信部的无线信号传送器/接收器37无线传送至供电装置 20A的控制器25A，使得以响应于在受电装置30A的匹配电路32上执行的控制的方式控制供电装置20A的匹配电路22。在该情况中，可变匹配电路32包括响应于在适于供电的供电元件和负载之间的连接部分的控制信号实现阻抗匹配的能力。用作第二控制部的控制器36具有从检测的阻抗、可变匹配部的设定状态信息和存储装置39的参考表信息计算供电侧和受电侧的阻抗状态和可变匹配部的最优设定状态的能力。控制信息从无线信号传送器/接收器37无线传送至供电装置20A的控制器25A。供电装置20A的控制器25A根据经作为第一通信部的无线信号传送器/接收器27 接收的受电装置的控制器36的控制信息，以响应于受电装置30A中执行的控制的方式控制匹配电路22。第二实施方式在所有其他方面与第一实施方式相同。如上所述，本实施方式提供以下的有利效果。S卩，本实施方式防止增加电路规模和成本，确保电力损失减小，并进一步调整供电侧和受电侧上的阻抗。此外，本实施方式提供低成本和低损失的可变匹配能力。这确保在送电侧和受电侧上共振线圈之间的距离(送电侧和受电侧之间的距离) 变化时的最优阻抗匹配，因此允许保持良好特性。应理解，本文所述的实施方式的各种修改和更改将对本领域技术人员是显而易见的。在不背离本主题的精神和范围且不减少预期优点的前提下可进行这种修改和更改。因此，旨在使这些修改和更改由所附权利要求所覆盖。
权利要求
1.一种供电装置，包括 阻抗检测器；控制器，配置为基于所述阻抗检测器检测的阻抗提供第一控制信息和第二控制信息； 电力传送器，配置为无线传送电力，所述电力传送器包括具有可变直径的供电线圈； 可变匹配电路，配置为根据所述第一控制信息改变所述供电线圈的可变直径；以及信号传送器，配置为无线传送所述第二控制信息。
2.根据权利要求1所述的供电装置，其中，所述第一控制信息基于所述可变匹配电路的当前状态和由所述阻抗检测器检测的阻抗。
3.根据权利要求1所述的供电装置，其中，所述第二控制信息基于与外部装置相关的外部可变匹配电路的外部当前状态和所述外部装置的外部阻抗。
4.根据权利要求3所述的供电装置，其中，所述信号传送器被配置为从所述外部装置接收包括所述外部当前状态的信息。
5.根据权利要求3所述的供电装置，还包括存储装置，配置为存储阻抗特性信息，所述阻抗特性信息包括所述供电装置的阻抗特性和所述外部装置的外部阻抗特性之间的关系。
6.根据权利要求5所述的供电装置，其中，所述控制器被配置为基于所述阻抗特性信息和所述阻抗检测器检测的阻抗估计所述外部阻抗。
7.根据权利要求1所述的供电装置，其中，所述第二控制信息至少包括直径变化信息、 阻抗检测结果信息和与外部可变匹配电路相关的设定信息中的一种。
8.一种受电装置，包括电力接收器，配置为无线接收电力，所述电力接收器包括具有可变直径的供电线圈； 信号接收器，配置为无线接收控制信息，其中，所述控制信息基于在外部装置中检测的阻抗；以及可变匹配电路，配置为根据所述控制信息改变所述供电线圈的所述可变直径。
9.根据权利要求8所述的受电装置，其中，所述可变匹配电路独立于检测所述受电装置中的阻抗而改变所述供电线圈的所述可变直径。
10.根据权利要求8所述的受电装置，其中，所述信号接收器被配置为将包括所述可变匹配电路的当前状态的信息传送至所述外部装置。
11.根据权利要求8所述的受电装置，其中，所述控制信息至少包括直径改变信息、阻抗检测结果信息和与所述可变匹配电路相关的设定信息中的一种。
12.一种无线供电系统，包括 供电装置和受电装置，所述供电装置包括(a)阻抗检测器；(b)控制器，配置为基于所述阻抗检测器检测的阻抗提供第一控制信息和第二控制信息；(c)电力传送器，配置为将电力无线传送至所述受电装置，所述电力传送器包括具有第一可变直径的第一供电线圈；(d)第一可变匹配电路，配置为根据所述第一控制信息改变所述第一供电线圈的所述第一可变直径；以及(e)信号传送器，配置为将所述第二控制信息无线传送至所述受电装置；以及所述受电装置包括(a)电力接收器，配置为从所述供电装置无线接收电力，所述电力接收器包括具有第二可变直径的第二供电线圈；(b)信号接收器，配置为从所述供电装置无线接收所述第二控制信息；以及(c)第二可变匹配电路，配置为根据所述第二控制信息改变所述第二供电线圈的所述第二可变直径，其中，所述第二控制信息基于所述供电装置中检测的阻抗。
13.根据权利要求12所述的无线供电系统，其中，所述第一控制信息基于所述第一可变匹配电路的当前状态和所述阻抗检测器检测的阻抗。
14.根据权利要求12所述的无线供电系统，其中，所述第二控制信息基于所述第二可变匹配电路的当前状态和所述受电装置的阻抗。
15.根据权利要求14所述的无线供电系统，其中，所述信号传送器被配置为从所述受电装置接收包括所述第二可变匹配电路的当前状态的信息。
16.根据权利要求14所述的无线供电系统，其中，所述供电装置包括存储装置，配置为存储阻抗特性信息，所述阻抗特性信息包括所述供电装置的第一阻抗特性和所述受电装置的第二阻抗特性之间的关系。
17.根据权利要求16所述的无线供电系统，其中，所述控制器被配置为基于所述阻抗特性信息和所述阻抗检测器检测的阻抗估计所述受电装置的阻抗。
18.根据权利要求12所述的无线供电系统，其中，所述第二控制信息至少包括直径变化信息、阻抗检测结果信息和与所述第二可变匹配电路相关的设定信息中的一种。
19.根据权利要求12所述的无线供电系统，其中，所述第二可变匹配电路独立于检测所述受电装置中的阻抗而改变所述第二供电线圈的所述第二可变直径。
20.一种从供电装置向受电装置无线输电的方法，所述方法包括检测所述供电装置中的阻抗；基于所述供电装置中检测的阻抗控制所述供电装置中的电力传送；以及基于所述供电装置中检测的阻抗控制所述受电装置中的电力接收。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，控制所述供电装置中的电力传送基于所述供电装置中的可变匹配电路的当前状态和所述供电装置中检测的阻抗。
22.根据权利要求20所述的方法，其中，基于所述受电装置中可变匹配电路的当前状态和所述受电装置的阻抗来控制所述受电装置中的电力接收。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括从所述受电装置向所述供电装置无线传送信息，所述信息包括所述受电装置中可变匹配电路的当前状态。
24.根据权利要求22所述的方法，还包括在所述供电装置中存储阻抗特性信息，所述阻抗特性信息包括所述供电装置的第一阻抗特性和所述受电装置的第二阻抗特性之间的关系。
25.根据权利要求24所述的方法，还包括基于所述阻抗特性信息和所述供电装置中检测的阻抗估计所述受电装置的阻抗。
26.根据权利要求20所述的方法，还包括从所述供电装置向所述受电装置无线传送控制信息，所述控制信息至少包括直径改变信息、阻抗检测结果信息和与所述受电装置中可变匹配电路相关的设定信息中的一种。
27.根据权利要求20所述的方法，其中，对所述受电装置中的电力接收的控制独立于对所述受电装置中的阻抗的检测。
全文摘要
本发明提供了供电装置、受电装置、无线供电系统、以及无线输电的方法。该供电装置包括阻抗检测器、控制器、电力传送器、可变匹配电路和信号传送器。该控制器被配置为基于阻抗检测器检测的阻抗提供第一控制信息和第二控制信息。供电装置的可变匹配电路被配置为根据第一控制信息改变供电线圈的可变直径。受电装置包括电力接收器、信号接收器和可变匹配电路。受电装置的可变匹配电路被配置为根据由供电装置提供的第二控制信息改变供电线圈的可变直径。
文档编号H02J17/00GK102214954SQ20111008402
公开日2011年10月12日 申请日期2011年4月2日 优先权日2010年4月9日
发明者宫本宗, 小堺修, 村山雄二 申请人:索尼公司