输电装置、非接触供电系统以及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及以非接触的方式输送电力的输电装置、包括该输电装置的非接触供电 系统以及非接触供电系统的输电的控制方法，涉及例如应用于利用了电磁场的谐振耦合 (磁共振）的输电装置以及非接触供电系统的有效技术。
【背景技术】
[0002] 使用了不经由电源线等而以非接触的方式来向电子设备供电的非接触电能传输 的系统（以下称为"非接触供电系统"）的实用化在推进中。例如，已知有利用分离地配置 的天线（线圈）间的电磁感应的电磁感应方式、利用电磁场的谐振耦合的磁共振方式的非 接触供电系统。另外，作为与通过无线进行信息的传输的非接触通信技术有关的标准规格， 已知有NFC(NearFieldCommunication:近距离无线通信），遵照NFC规格的1C卡、小型便 携终端装置也开始普及。
[0003] 磁共振方式的非接触供电系统利用包括线圈和电容在内的谐振电路来实现。磁共 振方式的非接触供电系统具有如下的特点：通过提高线圈的Q值，与以往的电磁感应方式 相比能够增大输电用的线圈和受电（接收电力）用的线圈间的传输距离，并且能够应对输 电用的线圈和受电用的线圈的位置偏离。
[0004] 另外，磁共振方式的非接触供电系统具有比较难以受存在于输电侧和受电侧之间 的异物的影响的特点。但是，由于根据该异物的种类不同而导致被吸收的输送电量变大，所 以电力的传输效率下降，并且有可能因异物吸收的电力而导致发热并破损。
[0005] 在下述专利文献1以及专利文献2中公开了用于在磁共振方式的非接触供电系统 中检测异物或供电对象的异常的技术。
[0006] 例如，在专利文献1中公开了如下的技术：通过在路上设置输电线圈并在车辆侧 搭载受电用的线圈来对车辆以非接触的方式进行充电的、磁共振方式的非接触供电系统 中，用于检测存在于输电侧和受电侧之间的异物。具体来说，根据专利文献1所述的结构， 通过对搭载在车辆上的基于受电电力来充电的电池的端子电压进行检测，来推断阻抗值， 在该推断值与实际测量的阻抗值的差超过阈值的情况下报知异物的存在，并且停止供电。
[0007] 另外，在专利文献2中公开了如下的技术：通过在路上设置输电线圈并在车辆侧 搭载受电用的线圈来对车辆以非接触的方式进行充电的、磁共振方式的非接触供电系统 中，通过检测反射功率的增大来检测车辆的异常。具体来说，根据专利文献2的结构，通过 根据在可疑人物搭乘充电中的车辆时的车高的变化而产生的阻抗不匹配，检测出反射功率 增大，并将该检测结果作为车辆的异常进行通知。
[0008] 现有技术文献
[0009] 专利文献
[0010] 专利文献1 :日本特开2011-244531号公报
[0011] 专利文献2 :日本特开2011-219007号公报
【发明内容】
[0012] 针对以往的磁共振方式的非接触供电系统，本发明的发明人的研究结果为，明确 了存在如下的课题。
[0013] 本发明的发明人发现，在磁共振方式的非接触供电系统中，即使在输电侧和受电 侧之间存在异物，但该异物是否是对非接触电能传输有影响的异物，因从输电侧作为输送 电力而输出的输电信号的频率（以下称为"输电频率"）而不同。
[0014] 例如，在使用了电磁烹调器所用的100kHz频段的输电频率的非接触电能传输中， 在异物是金属的情况下，由于被吸收的输送电力很大，所以传输效率大幅度下降，金属的发 热量也可能变大。与之相对，在异物是遵照NFC规格（频率13. 65MHz)的1C卡等的情况下， 由于被吸收的电力很小，所以传输效率不会大幅度下降，因1C卡的发热而导致破损的可能 性很低。另一方面，在使用了近年在研究中推进的接近于NFC通信的频率的数MHz频段的 输电频率的非接触电能传输中，在异物是遵照NFC规格的1C卡等的情况下，由于被吸收的 输送电力很大所以传输效率大幅度下降，且有可能因1C卡等的发热而导致破损，但是在异 物是金属的情况下，由于被吸收的电力很小所以传输效率不会大幅度下降，金属的发热量 也小。
[0015] 在专利文献1所述的技术中，虽然在阻抗的推断值与实际测量值的差超过阈值的 情况下判断为异物，但并没有考虑该异物是否是对非接触电能传输有影响的异物，因此，很 难说异物的检测精度很高。例如，在专利文献1所述的非接触供电系统中，可能即使在存在 对非接触电能传输没有影响的异物的情况下也检测为异物，从而启动了使供电动作停止等 的安全控制，很难说非接触电能传输系统的可靠性很高。此外，专利文献2所述的技术，只 是检测反射功率增加的结束，没有特别考虑如何使异物的检测精度提高。
[0016] 在以下说明用于解决这样的课题的方案，而其他课题和新的特征从本说明书的记 载以及附图中得以明确。
[0017] 对在本申请中公开的实施方式中具有代表性的方案概要简单地进行说明，如下所 述。
[0018]S卩，本输电装置进行用于通过利用了谐振电路的电磁场的谐振耦合以非接触的方 式来输送电力的输电处理，该输电装置以与作为输送电力而输出的输电信号的频率变得相 等的方式设定的所述谐振电路的谐振频率在电力的输送中偏离的情况下，检测所述谐振频 率的偏离方向并基于该检测结果控制所述输电处理。
[0019] 发明效果
[0020] 若简单说明根据在本申请中公开的实施方式中具有代表性的方案所得到的效果， 则如下所述。
[0021]S卩，根据本输电装置，能够提高非接触电能传输系统的可靠性。
【附图说明】
[0022] 图1是例示实施方式1的包括输电装置的非接触供电系统的图。
[0023] 图2是例示谐振频率调整电路103的内部结构的图。
[0024] 图3是用于说明基于谐振频率调整电路103进行的阻抗匹配的史密斯圆图。
[0025] 图4是表示谐振频率和信号的反射电量的关系的图。
[0026] 图5是例示谐振频率调整电路103的一个实施方式的图。
[0027] 图6是例示谐振频率调整电路103的另一个实施方式的图。
[0028] 图7是例示开关电路SW的内部结构的图。
[0029] 图8是例示电量检测部106的一个实施方式的图。
[0030] 图9是例示电量检测部106的另一个实施方式的图。
[0031] 图10是表示从输电放大器102观察供电线圈107侧时的阻抗的史密斯圆图。
[0032] 图11是表示在使谐振频率调整电路103的阻抗变化时的谐振频率的图。
[0033] 图12是表示实施方式1的异物的判断基准的一例的图。
[0034] 图13是表示在非接触供电系统1中到开始电力的输送为止的处理的流程的一例 的流程图。
[0035] 图14是表示在非接触供电系统1中在异物接近的情况下的处理的流程的一例的 流程图。
[0036] 图15是表示实施方式2的异物的判断基准的一例的图。
[0037] 图16是表示实施方式3的异物的判断基准的一例的图。
[0038] 图17是表示在实施方式4的非接触供电系统中到开始电力的输送为止的处理的 流程的一例的流程图。
[0039] 图18是例示实施方式5的包括输电装置的非接触供电系统的图。
[0040] 图19是例示实施方式6的包括输电装置的非接触供电系统的图。
[0041] 图20是表示在实施方式6的非接触供电系统9中到开始电力的输送为止的处理 的流程的一例的流程图。
[0042] 图21是表示在实施方式6的非接触供电系统9中在异物接近的情况下的处理的 流程的一例的流程图。
【具体实施方式】
[0043] 1.实施方式的概要
[0044] 首先，针对在本申请中公开的具有代表性的实施方式说明概要。在针对具有代表 性的实施方式的概要说明中，加上括号用来参照的附图中的附图标记，只是例示包含在被 标注了该附图标记的结构要素的概念中的结构。
[0045] (1)(基于谐振频率的偏离方向来控制输电处理的输电装置）
[0046] 具有代表性的实施方式的输电装置（1、4、7)进行用于通过利用了谐振电路（110) 的电磁场的谐振耦合来以非接触的方式输送电的输电处理。在以与作为输送电力而输出的 输电信号的频率（fTx)变得相等的方式而设定的所述谐振电路的谐振频率在所述电力的 输送中偏离的情况下，所述输电装置检测所述谐振频率的偏离方向并基于该检测结果控制 所述输电处理。
[0047] 由此，能够通过谐振频率的偏离方向来判断是电容率低的金属类的异物还是电容 率高的1C卡等非金属类的异物。即，根据本输电装置不只能够判断在输电范围内有无异 物，还能够高精度地判断是否是对非接触电能传输有影响的异物。通过将该输电装置应用 于非接触电能传输系统，使得非接触电能传输系统的可靠性升高。
[0048] (2)(根据谐振频率的偏离的方向来控制输电的继续/停止）
[0049] 在项1的输电装置中，基于所述检测结果来控制可否继续所述电力的输送。
[0050] 由此，能够进行如下的控制：例如在是对非接触电能传输有影响的异物的情况下 停止输电，在是没有影响的异物的情况下继续输电等，从而能够提高非接触电能传输系统 中的输电控制的可靠性。
[0051] (3)(根据谐振频率的偏离方向和偏离幅度来控制输电处理）
[0052] 项2的输电装置，在所述谐振频率的偏离方向的基础上，还检测所述谐振频率的 偏离幅度。
[0053]由此，能够更加高精度地判断是否是对非接触电能传输有影响的异物。
[0054] (4)(基于输送电力和受电电力的差以及谐振频率的偏离信息来控制输电处理）
[0055] 项1至3的任一项的输电装置在所述检测结果的基础上，还基于作为电力的输送 对象的外部装置接收到的接收电量与所述输电的输送电量之间的差，来控制所述输电处 理。
[0056]由此，能够更加高精度地判断是否是对非接触电能传输有影响的异物。
[0057] (5)(在谐振频率高的情况下继续输电，在低的情况下停止输电）
[0058] 在项2至4的任一个输电装置中，所述输电装置在所述谐振频率向变高的方向偏 离的情况下继续所述电力的输送，在所述谐振频率向变低的方向偏离的情况下停止所述电 力的输送。
[0059] 在异物是金属的情况下谐振频率有向高的方向偏离的倾向，在异物是由非金属类 的塑料等覆盖的1C卡等的情况下谐振频率有向低的方向偏离的倾向。根据本输电装置，由 于在存在1C卡等的非金属类的异物的情况下停止输电，所以能够防止因例如遵照NFC规格 的1C卡等的发热引起的破坏。另外，由于在存在输送电力吸收得多的1C卡等的非金属类 的异物的状态下停止供电，而在存在输送电力吸收得少的金属类的异物的状态下不停止供 电，所以在使用接近于NFC通信的频率的数MHz频段的输电频率的非接触电能传输系统中 能够高效率地输电。
[0060] (6)(在为大金属的情况下停止输电）
[0061] 在项3或4的输电装置中，在所述谐振频率向变高的方向偏离的情况下，若所述谐 振频率的偏离幅度超过规定的阈值，则使所述电力的输送停止，若所述谐振频率的偏离幅 度没有超过规定的阈值，则继续所述电力的输送，在所述谐振频率向变低的方向偏离的情 况下停止所述电力的输送。
[0062] 由此，与项5同样地，能够防止因1C卡等的发热而引起的破坏。另外，在异物为金 属的情况下，有该金属的表面积越大则谐振频率的偏离幅度越大、表面积越小则谐振频率 的偏离幅度越小的倾向。根据本输电装置，即使在存在金属类的异物的情况下，在为电力的 吸收量比较大的表面积大的金属的情况下停止供电，在为电力的吸收量比较小的表面积小 的金属的情况下继续供电，因此，在使用接近于NFC通信的频率的数MHz频段的输电频率的 非接触电能传输系统中能够更加高效率地输电。
[0063] (7)(根据反射电量的变化方向来判断谐振频率的偏离方向）
[0064] 项1至6的任一个输电装置具有：电源部（101、102)，其生成与所述输送电力相对 应的交流信号；和一次侧谐振电路（110)，其包括作为输电用天线的共振线圈（108)以及谐 振电容（109)，并接受基于由所述电源部所生成的交流信号的电力的供给。所述输电装置还 具有：谐振频率调整部（103)，其设在所述电源部与所述一次侧谐振电路之间，用于调整所 述一次侧谐振电路的谐振频率；电量检测部（106)，其用于检测从所述电源部向所述一次 谐振电路侧供给的交流信号的反射电量的大小；和控制部（104)。所述控制部通过控制所 述谐振频率调整部使所述一次侧谐振电路的谐振频率变化，并通过判断由所述电量检测部 检测的所述反射电量的变化方向，来判别所述谐振频率的偏离方向。
[0065] 由此，变得易于判别所述谐振频率的偏离方向。
[0066] (8)(谐振频率的偏离方向的判断方法；将谐振频率设定得高来进行判别）
[0067] 在项7的输电装置中，所述控制部以使所述一次侧谐振电路的所述谐振频率变高 的方式控制所述谐振频率调整部，在由此使所述反射电量增加的情况下，判断为所述谐振 频率向变得比所述输电信号的频率更高的方向偏离，在所述反射电量减少的情况下，判断 为所述谐振频率向变得比所述输电信号的频率更低的方向偏离。
[0068]由此，能够简单且高精度地判断所述谐振频率的偏离方向。
[0069] (9)(谐振频率的偏离方向的判断方法；将谐振频率设定得低来进行判断）
[0070] 在项7的输电装置中，所述控制部以使所述一次侧谐振电路的所述谐振频率变低 的方式控制所述谐振频率调整部，在由此使所述反射电量增加的情况下，判断为所述谐振 频率向变得比所述输电信号的频率更低的方向偏离，在所述反射电量减少的情况下，判断 为所述谐振频率向变得比所述输电信号的频率更高的方向偏离。
[0071] 由此，能够简单且高精度地判断所述谐振频率的偏离方向。
[0072] (10)(谐振频率的偏离方向的判断方法；设定提高谐振频率和提低谐振频率双方 来进行判断）
[0073] 在项7的输电装置中，所述控制部基于在以使所述一次侧谐振电路的所述谐振频 率变低的方式调整了所述谐振频率调整部时的所述反射电量的变化方向、和在以使所述一 次侧谐振电路的所述谐振频率变高的方式调整了所述谐振频率调整部时的所述反射电量 的变化方向，来判断所述谐振频率偏离的方向。
[0074] 由此，能够更高精度地判断所述谐振频率的偏离方向。
[0075] (11)(根据电压驻波比VSWR来判断反射电量的变化）
[0076] 在项7至10的任一个输电装置中，所述电量检测部生成与从所述电源部向所述一 次谐振电路侧供给的交流信号的入射电量相对应的电压（Vi)和与该交流信号的反射电量 相对应的电压（Vr)。所述控制部基于与由所述电量检测部生成的所述入射电量相对应的电 压以及与所述反射电量相对应的电压来计算出电压驻波比（VSWR)，并基于该算出结果来判 别所述反射电量的变化方向。
[0077] 由此，能够简单且高精度地判断所述反射电量的变化方向。
[0078] (12)(-边使谐振频率变化一边探索反射电量变得最小的状态）
[0079] 在项11的输电装置中，所述控制部通过控制所述谐振频率调整部，使所述一次侧 谐振电路的所述谐振频率向一个方向以单位调整量变化并逐次算出所述电压驻波比，并且 进行逐次比较所述谐振频率的变化前后的算出值的运算处理。若变化后的算出值比变化前 的算出值大，则控制部使所述谐振