非接触供电装置制造方法
【专利摘要】本发明的非接触供电装置包括：次级线圈(20)，通过交流电源从初级线圈(10)以非接触方式被供给电力；第1电路单元(21)，与次级线圈(20)并联连接；以及第2电路单元(22)，与次级线圈(20)和第1电路单元(21)的并联电路串联连接，第1电路单元(21)的阻抗比第2电路单元的阻抗大。
【专利说明】非接触供电装置
【技术领域】
[0001] 本发明涉及非接触供电装置。
[0002] 本申请要求要求基于2012年7月30日提出申请的日本专利申请特愿2012 - 168490号的优先权，对认可通过文献的参照而引入的指定国，将上述的申请中记载的内容 通过参照引入本申请，成为本申请的记载的一部分。
【背景技术】
[0003] 已公开了非接触供电装置，在交流电源中包括从初级线圈提供电力的次级线圈， 次级线圈和电容器的并联电路上串联连接电容器，将初级侧的阻抗（Z1)的特性设为，在交 流电源的基波分量的频率的附近具有最大值，将次级侧的阻抗（Z2)的特性设为，在取极大 值并且与基波分量的频率最接近的频率、与取极小值并且与基波分量的频率最接近的频率 之间，具有基波分量的频率。（专利文献1)。
[0004] 现有技术文献
[0005] 专利文献
[0006] 专利文献1:特开2010 - 288441号公报
【发明内容】
[0007] 发明要解决的课题
[0008] 但是，在次级线圈和与次级线圈并联连接的电容器的谐振电路的阻抗的大小较小 的情况下，存在以下问题：在次级线圈中流过的电流中，在负载侧流过的电流变小，输出电 力变小。
[0009] 本发明要解决的课题是，提供提高输出电力的非接触供电装置。
[0010] 用于解决课题的手段
[0011] 本发明通过具有：与以非接触方式提供电力的次级线圈并联连接的第1电路单 元；以及与次级线圈和第1电路单元的并联电路串联连接的第2电路单元，使第1电路单元 的阻抗大于第2电路单元的阻抗来解决上述课题。
[0012] 发明的效果
[0013] 按照本发明，由于第1电路单元的阻抗大于第2电路单元的阻抗，所以可以增大从 次级线圈流过负载侧的电流。因此，具有可以提高非接触供电装置的输出电力的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1是本发明的实施方式的非接触供电装置的电气电路图。
[0015] 图2a是表示图1的初级线圈以及次级线圈为对置的状态的平面图和立体图。
[0016] 图2b是表示图1的初级线圈以及次级线圈为对置的状态的平面图以及立体图，是 表示在X轴方向错开的情况的图。
[0017] 图3是表示相对图2a、图2b所示的X轴方向（Y轴方向）以及Z轴方向的次级线 圈201的、耦合系数的变化的曲线图。
[0018] 图4是图1的非接触供电单元5的电路图。
[0019] 图5的（a)是比较例的受电电路单元的电路图，（b)是图1的受电电路单元的电 路图。
[0020] 图6是用于说明电流的大小的电路图，（a)是比较例的非接触供电装置的电路图， (b) 是图1的非接触供电装置的电路图。
[0021] 图7是图1的非接触供电单元的电路图。
[0022] 图8是用于说明仅初级侧的阻抗〇的电路图。
[0023] 图9是用于说明仅次级侧的阻抗（Z2)的电路图。
[0024] 图10是表示图8的电路中的、相对频率的阻抗（ZJ特性的曲线图。
[0025] 图11是表示图9的电路中的、相对频率的阻抗（Z2)特性的曲线图。
[0026] 图12的（a)是表示图1的非接触供电单元的输入阻抗（Zin)的绝对值特性以及相 位（9 )的特性的曲线图，（b)是表示图7的初级线圈的电流（I)的频率特性的曲线图， (c) 是表示次级线圈的电流（12)的频率特性的曲线图，（d)是表示流过与图7的次级线圈 并联连接的电容器以及线圈的电流的频率特性的曲线图，（e)是表示图7的负载侧中流过 的电流的频率特性的曲线图。
[0027] 图13是表示在图1的非接触供电装置中，供电效率相对耦合系数的特性的曲线 图。
[0028] 图14是表示在图1的非接触供电装置中，输出电力相对耦合系数的特性的曲线 图。
[0029] 图15是表示在将耦合系数（k)设为〇.1、〇. 6的情况下的、输出电力的大小的曲 线图。
[0030] 图16是本发明的变形例的非接触供电单元的电路图。
[0031] 图17是表示图16的电路中的、相对频率的阻抗（ZJ特性的曲线图。
[0032] 图18是表示图16的电路中的、相对频率的阻抗（Z2)特性的曲线图。
[0033] 图19是本发明的变形例的非接触供电单元的电路图。
[0034] 图20是本发明的变形例的非接触供电单元的电路图。
[0035] 图21是表示在本发明的其它实施方式的非接触供电单元中，相对频率的阻抗（Z2) 特性的曲线图。
【具体实施方式】
[0036] 以下，根据【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式。
[0037] 《第1实施方式》
[0038] 作为发明的实施方式的非接触电源电路装置的一例，说明与电动汽车等车辆用电 池以及电力负载一起使用的非接触供电装置。
[0039] 图1表示非接触供电装置的电气电路图。本实施方式的非接触供电装置包括：高 频交流电源单元6 ;进行从高频交流电源电路6输出的电力的非接触供电的非接触供电单 元5 ;以及通过非接触供电单元5提供电力的负载单元7。
[0040] 高频交流电源单元6包括：三相交流电源64 ;与三相交流电源64连接，将三相交 流整流为直流的整流器61 ;以及经由平滑电容器62与整流器61连接，将整流后的电流变 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61f三者并联连接，在各自的中间连接点连接三相交流 电源64的输出。电压型逆变器63将在MOSFET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、以及同样的开关元件63c和开关元件63d 的串联电路进行并联连接，并通过平滑电容器62与整流器61连接。然后，开关元件63a和 开关元件63b的中间连接点以及开关元件63c和开关元件63d的中间连接点，分别与作为 非接触供电单元5的初级侧的输电电路单元1连接。电压型逆变器63将数k?数100kHz 左右的交流电力提供给非接触供电单元50。
[0041] 这里，从高频交流电源单元6对非接触供电单元5输出的输出波形是周期性变化 的波形，将该输出波形的频率设为f〇。而且，在该输出波形中包含失真的情况（或者输出波 形例如为矩形波的情况）下，包含失真的波形的周期函数所具有的基本正弦波（基波）的 频率为频率（&)。而且，频率（&)也是高频交流电源单元6的驱动频率。以下，在本发明 中，将这些频率总称，称为高频交流电源单元6的基波分量的频率（&)。而且，整流器61之 后也可以连接功率因数改善电路（PFC)，在整流器71之后也可以设置IX：DC转换器等而进行 电力调整。而且，高频交流电源单元6不需要一定是图1所示的电路，也可以是其它电路。
[0042] 非接触供电单元5具有作为变压器的输入侧（初级侧）的输电电路1、和作为变压 器的输出侧（次级侧）的受电电路单元2。输电电路单元1包括初级线圈10、和与初级线 圈10串联连接的电容器11。受电电路单元2包括次级线圈20、与次级线圈20并联连接的 第1电路单元21、和与次级线圈20和第1电路单元21的并联电路串联连接的第2电路单 元22。而且，第1电路单元21以及第2电路单元22的具体结构如后所述。
[0043] 负载单元7包括将由非接触供电单元5提供的交流电力整流为直流的整流单元 71、和与整流单元71连接的负载72。整流单元71将二极管71a和二极管71b、以及二极管 71 c和二极管71 d并联连接，在各自的中间连接点连接受电电路单元4的输出。然后，将整 流单元71的输出与负载72连接。
[0044] 接着，使用图2a、图2b以及图3,说明在车辆和停车场具有图1所示的非接触电源 电路装置的情况下，初级线圈10和次级线圈20的耦合系数（k )。
[0045] 本例是，例如在车辆上具有包含次级线圈20的受电电路单元2以及负载单元7,作 为地面侧例如在停车场具有包含初级线圈10的输电电路单元1以及高频交流电源6。在 电动汽车的情况下，负载72例如与二次电池对应。次级线圈20例如安装在车辆的底盘上。 然后，车辆的驾驶员在该停车场停车，使得该次级线圈20位于初级线圈10的上方，电力从 初级线圈10提供给次级线圈20,负载72中包含的二次电池被充电。
[0046] 图2a以及图2b是表示初级线圈10以及次级线圈20为对置的状态的平面图a) 和立体图b)、c)。在图2a和图2b中，X轴以及Y轴表示初级线圈10以及次级线圈20的平 面方向，Z轴表示高度方向。而且，为了本说明，初级线圈10以及次级线圈20都被设为相 同的圆形形状，但本例不需要一定设为圆形，而且也不需要将初级线圈10和次级线圈20设 为同一形状。
[0047] 现在，如图2a所示，在作为平面方向的X轴、Y轴方向中，虽然只要将车辆停车在 停车场，使得次级线圈20与初级线圈10匹配即可，但是由于驾驶员的技能，如图2b所示， 初级线圈10和次级线圈20的相对的位置有时在平面方向上错开。而且，由于车辆的高度 因车辆的种类或载重量而不同，所以初级线圈10和次级线圈20的高度方向Z的距离也因 车高而不同。
[0048] 在使从高频交流电源6对初级线圈10提供的电力固定的情况下，通过次级线圈 201受电的电力的效率，在次级线圈20与初级线圈10匹配的状态（相当于图2a的状态） 最高，在次级线圈20的中心点远离初级线圈10的中心点时降低。
[0049] 图3表示相对图2a、图2b所示的X轴方向（Y轴方向）以及Z轴方向的次级线圈 20的、耦合系数的变化。如图3所示，在初级线圈10的中央和次级线圈20的中央一致的 情况下，初级线圈10和次级线圈20之间的漏磁少，图3的X轴的值相当于零，耦合系数k 变大。另一方面，相对于图2a，如图2b所示，在初级线圈10和次级线圈20的位置在X轴 方向上偏移时，漏磁增多，如图3所示，耦合系数k变小。而且，在初级线圈10和次级线圈 20的Z轴（高度）方向的偏移变大时，耦合系数k变小。
[0050] 接着使用图4以及图5,说明非接触供电单元5的电路结构。图4表示图1的非接 触供电单元5的电路图。在图4中，将输电电路单元1的输入侧（高频交流电源单元6侧） 表示为"交流电源侧"，将受电电路单元2的输出侧（负载单元7侧）表示为"负载侧"。在 其它的图中也同样表示。
[0051] 如图4所示，将对于次级线圈20并联连接的第1电路单元21的阻抗设为Zp，将对 于次级线圈20以及第1电路单元21的并联电路串联连接的第2次路元件的阻抗设为Zs。 第1电路单元21和次级线圈20之间形成谐振电路，第2电路单元22至少与次级线圈20 之间形成与包含第1电路单元21的谐振电路不同的谐振电路。即，受电电路单元2包括： 具有次级线圈20和第1电路单元21的谐振电路；以及与该谐振电路不同的、具有第2电路 单元22的谐振电路。
[0052] 图5表示图4的电路中的次级侧的电路，（a)表示比较例的电路图，（b)表示本例 的电路图。如图5 (a)所示，比较例的非接触供电装置的受电电路单元2设置电容器211作 为第1电路单元21，设置电容器212作为第2电路单元22。即，比较例1的受电电路单元2 包括：次级线圈20 ;与次级线圈20并联连接的电容器211 ;对次级线圈20和电容器211的 并联电路串联连接的电容器212。电容器211的电容量为C2p，电容器212的电容量为C2s。
[0053] 如图5(b)所示，本例的非接触供电装置的受电电路单元2设置电容器213以及线 圈214的串联电路作为第1电路元件，设置电容器215作为第2电路单元22。即，本例的受 电电路单元2包括：次级线圈20 ;与次级线圈20并联连接的电容器213以及线圈214的串 联电路；对次级线圈20和该串联电路的并联电路串联连接的电容器215。电容器213的电 容量为C2p，线圈214的电感SLP，电容器215的电容量为C2s。
[0054] 本例的电容器213的电容量（C2p)与比较例的电容器211的电容量（C 2p)相同，本 例的电容器215的电容量（C2s)与比较例的电容器212的电容量（C2s)相同。而且，本例的 次级线圈20的电感与比较例的次级线圈20的电感相同。
[0055] 这里，说明在图4以及图5所示的非接触供电单元5中的、仅次级侧的阻抗&和 在次级侧形成的谐振电路的阻抗。在图4的非接触供电单元5中，在将耦合系数（k )设为 零时，从负极侧（受电侧）观察的仅次级侧的阻抗为Z2。而且，在本例中，在图4的次级侧 的电路中形成有包含第1电路单元21的谐振电路和包含第2电路单元22的谐振电路。
[0056] 将本例中的由次级线圈20和第1电路单元21构成的谐振器的特性阻抗设为Za， 将比较例中的由次级线圈20和第1电路单元21构成的谐振器的特性阻抗设为Zb。而且， 将由次级线圈20、和对次级线圈20并联连接的电路元件构成的谐振电路（以图5的虚线的 箭头表示的闭循环的电路）的特性阻抗设为Z22 (即，在本例的电路中Z22 = Z a，在比较例的 电路中Z22= Zb)。
[0057] 在本例中，为了增大对负载侧的输出电力，作为图4所示的阻抗的条件，设定各电 路单元的电路参数，使得第1电路单元21的阻抗（Zp)大于第2电路单元22的阻抗（Zs)。
[0058] 而且，在本例中，与比较例的电路相比，为了增大对负载侧的输出电力，设定第1 电路单元21的阻抗而不改变次级线圈20的电感（L2)，使得本例的谐振电路（Z22)的特性阻 抗&比比较例的谐振电路（Z22)的特性阻抗Zb大。
[0059] 在本例的谐振电路（Z22)的特性阻抗Za和比较例的谐振电路（Z 22)的特性阻抗Zb之间，以下式（1)的关系成立。
【权利要求】
1. 一种非接触供电装置，其特征在于， 所述非接触供电装置包括： 次级线圈，通过交流电源从初级线圈以非接触方式被供给电力； 第1电路单元，与所述次级线圈并联连接；以及 第2电路单元，与所述次级线圈和所述第1电路单元的并联电路串联连接， 所述第1电路单元的阻抗的大小大于所述第2电路单元的阻抗的大小。
2. 如权利要求1所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述第1电路单元包含第1电容器， 所述第2电路单元包含第2电容器， 满足下式：
其中， Za表示所述次级线圈和所述第1电路单元的谐振电路之间的阻抗， C2p表不所述第1电容器的电容量， L2表示所述次级线圈的电感。
3. 如权利要求1或2所述的非接触供电装置，其特征在于， Z1的相对频率的阻抗特性在所述交流电源的基波分量的频率附近具有极小值或者极 大值， Z2的相对频率的阻抗特性在最接近所述基波分量的频率取极小值的频率、和最接近所 述基波分量的频率取极大值的频率之间，具有所述基波分量的频率， 其中， Z1表示，所述初级线圈和所述次级线圈之间的耦合系数为零的值的、从所述交流电源 的输出侧观察的仅初级侧的阻抗， Z2表示，所述初级线圈和所述次级线圈之间的耦合系数为零的值的、从与所述次级线 圈连接的负载侧观察的仅次级侧的阻抗。
4. 如权利要求3所述的非接触供电装置，其特征在于， 在非接触供电装置中具有与所述初级线圈串联连接或者并联连接的第3电容器， 所述第1电路单元具有第1电容器以及线圈的串联电路， 所述第2电路单元具有第2电容器， 取所述Z1的极小值或者极大值的频率满足下式，
取所述Z2的极小值的频率满足下式，
其中， :^表示所述Z极小值或者极大值的频率， f21表示所述Z2的最接近基波分量的频率的极小值的频率， f22表示所述Z2的最接近基波分量的频率的极大值的频率， (^表不所述第3电容器的电容量， L1表示所述初级线圈的电感， C2p表不所述第1电容器的电容量， C2s表不所述第2电容器的电容量， 1^表示所述线圈的电感， L2表示所述次级线圈的电感。
5. 如权利要求3或4所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述Z2对于所述次级线圈和所述第1电路单元的谐振电路的谐振频率的大小，根据在 所述Z2的阻抗特性中取极小值的多个频率中的、对于所述基波分量的频率第二接近的频率 来设定。
6. 如权利要求1至3的任意一项所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述第1电路单元具有电容器和线圈的串联电路， 所述第2电路单元具有电容器。
7. 如权利要求1至3的任意一项所述的非接触供电装置，其特征在于， 所述第1电路单元具有电容器和电阻的串联电路， 所述第2电路单元具有电容器。
【文档编号】H02J17/00GK104508945SQ201380040102
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2013年7月12日 优先权日:2012年7月30日
【发明者】甲斐敏佑, 特龙农斋.盖颂, 山内雄哉, 皆川裕介 申请人:日产自动车株式会社