設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法和電力饋送系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法，該方法能夠在不調(diào)節(jié)線圈的尺寸或者其距離時在所期望的共振頻率下實現(xiàn)臨界耦合并且因此在寬頻帶上獲得高傳輸效率。這樣做出設(shè)計：通過調(diào)節(jié)DC/AC轉(zhuǎn)換器（31）和AC/DC轉(zhuǎn)換器（51）的阻抗，電力饋送單元（3）和電力接收單元（5）的阻抗隨著電力饋送螺旋線圈（33）和電力接收螺旋線圈（51）之間的共振頻率降低而降低。電力饋送系統(tǒng)能夠抑制由于電力饋送螺旋線圈和電力接受螺旋線圈之間的位移引起的傳輸效率的降低，以由此將具有高效率的電力從電力饋送單元供應(yīng)到電力接收單元。改變電力饋送單元（3）的可變電感（L1）與電力饋送螺旋線圈（33）并聯(lián)連接。CPU（9）使用位置傳感器（10）來檢測電力饋送螺旋線圈和電力接收螺旋線圈（33，51）的中央軸線之間的位移（d），并根據(jù)位移（d）調(diào)節(jié)可變電感（L1）以調(diào)節(jié)電力饋送單元（3）的阻抗。
【專利說明】設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法和電力饋送系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法并且涉及電力饋送系統(tǒng)，特別地涉及設(shè)計這樣的電力饋送系統(tǒng)的方法:該電力饋送系統(tǒng)包括電力饋送單元和電力接收單元，其中電力饋送單元具有將電力供應(yīng)于此的電力饋送線圈，電力接收單元具有通過與電力饋送線圈進行電磁共振而從電力饋送線圈接收電力的電力接收線圈；并且涉及包括該電力饋送單元和該電力接收單元的電力饋送系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]作為上述電力饋送系統(tǒng)，眾所周知的是例如圖1所示的電力饋送系統(tǒng)(參考如下所列出的非專利文獻I和2)。如在圖中所示，電力饋送系統(tǒng)I設(shè)置有作為電力饋送裝置的電力饋送單元3，以及作為電力接收裝置的電力接收單元5。前述電力饋送單元3設(shè)置有將電力供應(yīng)于此的電力饋送環(huán)形天線32和電力饋送螺旋線圈33，該電力饋送螺旋線圈33在其中央軸線方向上與電力饋送環(huán)形天線32隔開且相對，并且作為電力饋送線圈與電力饋送環(huán)形天線32電磁耦合。當將電力供應(yīng)到前述電力饋送環(huán)形天線32時，通過電磁感應(yīng)將電力傳輸?shù)诫娏︷佀吐菪€圈33。
[0003]前述電力接收單元5設(shè)置有:作為電力接收線圈的電力接收螺旋線圈51，當該電力接收螺旋線圈51在其中央軸線方向上與電力饋送環(huán)形天線32隔開且相對地布置時，與電力饋送螺旋線圈33電磁共振；以及電力接收環(huán)形天線52，該電力接收環(huán)形天線52在中央軸線方向上與電力接收螺旋線圈51隔開且相對地布置，并且與電力接收螺旋線圈51電磁耦合。當將電力饋送到電力饋送螺旋線圈33時，通過磁場的共振將電力以無線方式饋送到電力接收螺旋線圈51。
[0004]此外，當將電力饋送到電力接收線圈51時，通過電磁感應(yīng)將電力饋送到電力接收環(huán)形天線52，并且供應(yīng)到負載7例如與電力接收環(huán)形天線52連接的電池。根據(jù)電力饋送系統(tǒng)I，通過在電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51之間的電磁共振能夠以非接觸方式將從電力饋送單元供應(yīng)的電力饋送到電力接收單元。
[0005]考慮到:通過為汽車4提供前述電力接收單元5，為道路2提供電力饋送單元3，采用前述電力饋送系統(tǒng)I來將電力以無線方式饋送到安裝在汽車4中的電池。
[0006]眾所周知，電力饋送螺旋線圈33與電力接收螺旋線圈51之間的耦合依賴于線圈的尺寸、線圈之間的距離和頻率。理想的是使用臨界耦合附近的頻率以便既非緊耦合又非松耦合地獲得在寬頻帶上穩(wěn)定的傳輸效率。傳統(tǒng)上，為了獲得在所期望的共振頻率下的臨界耦合，因此調(diào)節(jié)電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51的尺寸或者所述線圈之間的距離。
[0007]然而，當如上所述調(diào)節(jié)線圈的尺寸時，需要在每一個所期望的共振頻率上制備尺寸不同的電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51，從而導(dǎo)致成本增加。而且，在電力饋送螺旋線圈33布置于道路2并且電力接收螺旋線圈51布置于汽車4的電力饋送系統(tǒng)I中，調(diào)節(jié)線圈之間的距離自身是相當?shù)乩щy的。因此，難以通過調(diào)節(jié)線圈的尺寸或者線圈之間的距離而獲得臨界耦合，從而引起頻帶被劃分為二或者頻帶的傳輸效率減小的這種問題。
[0008]而且，在前述電力饋送系統(tǒng)I中，難以以使得電力饋送螺旋線圈33的中央軸線Zl和電力接收螺旋線圈51的中央軸線Z2變得共軸的如此方式停止汽車，從而可能誘發(fā)如在圖16中所示在中央軸線Z1、Z2之間的位移d。
[0009]在圖16所示的前述電力饋送系統(tǒng)I中，當中央軸線Zl和Z2之間的位移d為O和0.375D (其中D等于電力接收螺旋線圈51的直徑)時，本發(fā)明人模擬了在頻率f0附近電力接收環(huán)形天線52的傳輸效率S212。其結(jié)果在圖14中由點線和短劃點線示出。
[0010]如所示那樣，在位移d為O時，在頻率fO下的傳輸效率S212具有97%的量級，而在位移d為0.375D時，它的量級減小至87%。
[0011]引用列表
[0012]非專利文獻
[0013][NPTL1]A.Kurs, A.Karalis, R.Moffatt, J.D.Joannopoulos, P.Fisher,M.Sol jacic,“Wireless power transfer via strongly coupled magnetic resonances，，，Science, Vol.317，pp.83-86，July6,2007
[0014][NPTL2]M.Sol jacic, A.Karalis, J.Joannopoulos, A.Kurs, R.Moffatt, P.f isgeR,“Wireless technology developed to transmit power lights up a60ff bulb intests”NIKKEI ELECTRONICS 03 December 2007

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]技術(shù)問題
[0016]因此，本發(fā)明的一個目的在于提供一種無需調(diào)節(jié)電力饋送單元和電力接收單元的線圈的尺寸和線圈之間的距離便以所期望的共振頻率實現(xiàn)臨界耦合的電力饋送系統(tǒng)的設(shè)計方法，并且在寬頻帶上獲得高傳輸效率。
[0017]解決問題的方案
[0018]在發(fā)現(xiàn)能夠通過調(diào)節(jié)電力饋送單元和電力接收單元的阻抗來調(diào)節(jié)在電力饋送線圈與電力接收線圈之間的耦合狀況之前，為了以所期望的共振頻率實現(xiàn)臨界耦合并且在寬頻帶上獲得高傳輸效率而無需調(diào)節(jié)電力饋送單元和電力接收單元的線圈的尺寸和在所述線圈之間的距離，本發(fā)明人投入地進行研究，并且因此實現(xiàn)了本發(fā)明。
[0019]根據(jù)一個方面的發(fā)明涉及設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法，所述電力饋送系統(tǒng)包括:具有電力饋送線圈的電力饋送單元，電力被供應(yīng)到該電力饋送線圈；以及具有電力接收線圈的電力接收單元，該電力接收線圈通過與所述電力饋送線圈電磁共振而從所述電力饋送線圈接收電力，所述方法包括以下步驟:進行設(shè)計，使得在不改變所述電力饋送線圈和所述電力接收線圈的尺寸和線圈之間距離的情況下，所述電力饋送線圈與所述電力接收線圈之間的共振頻率變得越小，則所述電力饋送單元與所述電力接收單元的阻抗變得越小。
[0020]優(yōu)選地，所述電力饋送單元包括將DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力的DC/AC轉(zhuǎn)換器，AC電力被供應(yīng)到所述電力饋送線圈；并且其中，所述電力接收單元包括將由所述電力接收線圈接收到的AC電力轉(zhuǎn)換成DC電力的AC/DC轉(zhuǎn)換器，所述方法還包括以下步驟:進行設(shè)計，使得通過調(diào)節(jié)所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和所述AC/DC轉(zhuǎn)換器的阻抗，所述電力饋送線圈和所述電力接收線圈的共振頻率變得越小，則所述電力饋送單元和所述電力接收單元的阻抗變得越小。
[0021]優(yōu)選地，所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個包括調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所置放的所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個的阻抗，所述方法還包括以下步驟:進行設(shè)計，使得通過調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)器的阻抗，所述電力饋送線圈和所述電力接收線圈的共振頻率變得越小，則所述電力饋送單元和所述電力接收單元的阻抗變得越小。
[0022]根據(jù)另一個方面的發(fā)明涉及一種電力饋送系統(tǒng)，該電力饋送系統(tǒng)包括:具有電力饋送線圈的電力饋送單元，電力被供應(yīng)到該電力饋送線圈，具有電力接收線圈的電力接收單元，該電力接收線圈通過與所述電力饋送線圈電磁共振而從所述電力饋送線圈接收電力，調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器置放于所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個，并且改變所置放的所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個的阻抗，位置檢測器，該位置檢測器檢測所述電力饋送線圈與所述電力接收線圈之間的相對位置，阻抗調(diào)節(jié)器，該阻抗調(diào)節(jié)器根據(jù)由所述位置檢測器檢測到的所述相對位置來調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)器，從而調(diào)節(jié)設(shè)置有所述調(diào)節(jié)器的所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的所述至少一個的阻抗。
[0023]優(yōu)選地，所述位置檢測器檢測所述電力饋送線圈的中心軸線與所述電力接收線圈的中心軸線之間的位移，作為所述相對位置。
[0024]本發(fā)明的有利效果
[0025]根據(jù)在一個方面中列舉的發(fā)明，因為隨著電力饋送線圈和電力接收線圈的共振頻率變小而將電力饋送和電力接收單元的阻抗設(shè)計成是小的，所以在不調(diào)節(jié)電力饋送單元和電力接收單元的線圈的尺寸和線圈之間的距離情況下，以所期望的共振頻率實現(xiàn)了臨界耦合，并且能夠在寬頻帶上獲得高傳輸效率。
[0026]根據(jù)在另一個方面中列舉的發(fā)明，因為阻抗調(diào)節(jié)器根據(jù)在饋送單元和接收單元之間的由位置檢測器檢測的相對位置來調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)器，從而將調(diào)節(jié)置放所述調(diào)節(jié)器的饋送單元和接收單元中的該至少一個的阻抗，所以使得能夠減小由在電力饋送單元和電力接收單元的線圈之間的位移d引起的傳輸效率的降低，并且以高效率的方式從電力饋送單元向電力接收單元供應(yīng)電力。
[0027]根據(jù)本發(fā)明，因為位置檢測器檢測在饋送單元線圈和接收單元線圈的中心軸線之間的位移d，所以使得能夠減小由在中心軸線之間的位移d引起的傳輸效率的降低，并且以高效率的方式從電力饋送單元向電力接收單元供應(yīng)電力。
[0028]附圖簡要說明
[0029]圖1是示出在本發(fā)明的第一實施例中實現(xiàn)電力饋送系統(tǒng)的方法的電力饋送系統(tǒng)的視圖；
[0030]圖2是示出構(gòu)成圖1所示電力饋送系統(tǒng)的電力饋送環(huán)形天線、電力饋送螺旋線圈、電力接收螺旋線圈和電力接收環(huán)形天線的透視圖；
[0031]圖3是示出在電力饋送單元和電力接收單元的特征阻抗為50ohm并且共振頻率為0.1fO時，示意在電力饋送系統(tǒng)(產(chǎn)品B)中在頻率0.1fO附近的通過特性和反射特性的模擬結(jié)果的曲線圖；
[0032]圖4是示出在電力饋送單元和電力接收單元的特征阻抗為50ohm并且共振頻率為0.0OlfO時，示意在電力饋送系統(tǒng)(產(chǎn)品C)中在頻率0.0OlfO附近的通過特性和反射特性的模擬結(jié)果的曲線圖；
[0033]圖5是示出在產(chǎn)品B中在頻率0.1fO附近的阻抗特性的模擬結(jié)果的Smith圖；
[0034]圖6是示出在產(chǎn)品C中在頻率0.0OlfO附近的阻抗特性的模擬結(jié)果的Smith圖；
[0035]圖7是示出在電力饋送單元和電力接收單元的特征阻抗為27ohm并且共振頻率為
0.1fO時，在電力饋送系統(tǒng)(產(chǎn)品D)中在頻率0.1fO附近的通過特性和反射特性的模擬結(jié)果的曲線圖；
[0036]圖8是示出在產(chǎn)品D中在頻率0.1fO附近的阻抗特性的模擬結(jié)果的Smith圖表；
[0037]圖9是示出在電力饋送單元和電力接收單元的特征阻抗為0.3ohm并且共振頻率為0.0OlfO時，在電力饋送系統(tǒng)(產(chǎn)品E)中在頻率0.0OlfO附近的通過特性和反射特性的模擬結(jié)果的曲線圖；
[0038]圖10是示出在產(chǎn)品E中在頻率0.0OlfO附近的阻抗特性的模擬結(jié)果的Smith圖表;
[0039]圖11是示出將作為臨界耦合的、在共振頻率和特征阻抗之間的關(guān)系的曲線圖；
[0040]圖12是示出在本發(fā)明的第二實施例中實現(xiàn)電力饋送系統(tǒng)的方法的電力饋送系統(tǒng)的視圖；
[0041]圖13是示出構(gòu)成圖12所示電力饋送系統(tǒng)的電力饋送環(huán)形天線、電力饋送螺旋線圈、電力接收螺旋線圈和電力接收環(huán)形天線的透視圖；
[0042]圖14是示出分別在電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈的中心軸線的位移d為O時匹配的情況下、在位移d為0.375D時匹配的情況下和在位移d為0.375D時不匹配的情況下，在其中電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈被繞成兩匝的電力饋送系統(tǒng)中在頻率f0附近的傳輸效率S212的模擬結(jié)果的曲線圖；
[0043]圖15是示出分別在電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈的中心軸線的位移d為O時匹配的情況下、在位移d為0.375D時匹配的情況下和在位移d為0.375D時不匹配的情況下，其中電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈被繞成一匝的電力饋送系統(tǒng)中在頻率f0附近的傳輸效率S212的模擬結(jié)果的曲線圖；以及
[0044]圖16是示出傳統(tǒng)電力饋送系統(tǒng)的視圖。
[0045]附圖標記列表
[0046]I電力饋送系統(tǒng)
[0047]3電力饋送單元(電力饋送裝置)
[0048]5電力接收單元(電力接收裝置)
[0049]9 CPU (阻抗調(diào)節(jié)裝置、位置檢測裝置)
[0050]10位置傳感器(位置檢測裝置)
[0051]33電力饋送螺旋線圈(電力饋送線圈)
[0052]31 DC/AC轉(zhuǎn)換器(直流電到交流電轉(zhuǎn)換器)
[0053]53 AC/DC轉(zhuǎn)換器(交流電到直流電轉(zhuǎn)換器)
[0054]51電力接收螺旋線圈(電力接收線圈)
[0055]LI各種電感
【具體實施方式】[0056]第一實施例
[0057]首先，參考圖1和2，討論了一種根據(jù)本發(fā)明的第一實施例執(zhí)行設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法的電力饋送系統(tǒng)。圖1是示出在本發(fā)明的第一實施例中實現(xiàn)電力饋送系統(tǒng)的方法的電力饋送系統(tǒng)的視圖。圖2是示出構(gòu)成圖1所示電力饋送系統(tǒng)的電力饋送環(huán)形天線、電力饋送螺旋線圈、電力接收螺旋線圈和電力接收環(huán)形天線的透視圖。如在圖1中所示，電力饋送系統(tǒng)I設(shè)置有作為置放在道路中的電力饋送裝置的電力饋送單元3和作為置放在汽車4的車體中的電力接收裝置的電力接收單元5。
[0058]電力饋送單元3設(shè)置有:DC/AC (直流電到交流電)轉(zhuǎn)換器31，該DC/AC (直流電到交流電)轉(zhuǎn)換器31將從直流電電源6供應(yīng)的直流電電力轉(zhuǎn)換成交流電電力；電力饋送環(huán)形天線32，由DC/AC轉(zhuǎn)換器31轉(zhuǎn)換的交流電電力被供應(yīng)于該電力饋送環(huán)形天線32 ；電力饋送螺旋線圈33，該電力饋送螺旋線圈33在它的中央軸線方向上與電力饋送環(huán)形天線32隔開且相對地布置，并且作為電力饋送線圈與電力饋送環(huán)形天線32電磁耦合；以及電容器Cl，該電容器Cl與電力饋送螺旋線圈33并聯(lián)連接。
[0059]電力饋送環(huán)形天線32形成為圓環(huán)狀，并且被布置成使其中央軸線在從道路4朝向汽車4的車體的方向上布置，即，沿著豎直方向布置。電力饋送環(huán)形天線32的兩端具有與其連接的DC/AC轉(zhuǎn)換器31，并且被供應(yīng)有由如上所述的DC/AC轉(zhuǎn)換器31轉(zhuǎn)換的交流電電力。
[0060]電力饋送螺旋線圈33形成為呈圓形地纏繞繞組線。在本實施例中電力饋送螺旋線圈33具有纏繞成一匝但也可以纏繞成兩匝以上的繞組線。電力饋送螺旋線圈33與電力饋送環(huán)形天線32共軸地靠近電力饋送環(huán)形天線32的汽車4布置。電力饋送環(huán)形天線32和電力饋送螺旋線圈33布置在它們彼此電磁耦合的范圍內(nèi)，S卩，布置在被供應(yīng)到電力饋送環(huán)形天線32的交流電電力在電力饋送螺旋線圈33中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的范圍內(nèi)，并且彼此隔開地布置。設(shè)置電容器Cl以用于調(diào)節(jié)共振頻率。
[0061]電力接收單元5設(shè)置有:電力接收螺旋線圈51，該電力接收螺旋線圈51作為電力接收線圈與電力饋送螺旋線圈33電磁共振；電力接收環(huán)形天線52，該電力接收環(huán)形天線52布置成在它的中央軸線方向上與所述電力接收螺旋線圈51相對，并且與電力接收螺旋線圈51電磁耦合;AC (交流電)/DC (直流電)轉(zhuǎn)換器53，該AC (交流電)/DC (直流電)轉(zhuǎn)換器53將由電力接收環(huán)形天線52接收的交流電電力轉(zhuǎn)換成直流電電力；以及，該電容器C2，該電容器C2與電力接收螺旋線圈51并聯(lián)連接。
[0062]電力接收環(huán)形天線52通過AC/DC轉(zhuǎn)換器53連接到負載7諸如汽車電池。電力接收環(huán)形天線52也形成為圓環(huán)形狀，其中心軸線布置在從汽車4的車體朝向道路2的方向上，即，沿著豎直方向。在本發(fā)明中，如在圖2中所示，前述電力接收環(huán)形天線52還布置成具有與前述電力饋送環(huán)形天線32相同的直徑，但是本發(fā)明不限于此，例如，電力接收環(huán)形天線52的直徑可以布置成小于前述電力饋送環(huán)形天線32。
[0063]電力接收螺旋線圈51形成為呈圓形地纏繞繞組線。在本實施例中，以與電力饋送螺旋線圈33相同的方式，電力接收螺旋線圈51具有纏繞成一匝，但也可纏繞成兩匝以上的繞組線。電力接收螺旋線圈51布置成具有諸如但是不限于與前述電力饋送螺旋線圈33相同的直徑，并且電力接收單元螺旋線圈51的直徑可以例如布置成小于前述電力饋送螺旋線圈33。[0064]電力接收螺旋線圈51相對于電力饋送環(huán)形天線32與電力接收環(huán)形天線52共軸地靠近道路2布置。電力接收環(huán)形天線52和電力接收螺旋線圈51布置在它們彼此電磁耦合的范圍內(nèi)，即，布置在流入電力接收螺旋線圈51中的交流電電力在電力接收環(huán)形天線52中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的范圍內(nèi)，并且彼此隔開。電容器C2以與電容器I相同的方式設(shè)置，用于調(diào)節(jié)共振頻率。將這些電容器Cl、C2的電容初步地調(diào)節(jié)成使在電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51之間的共振頻率成為所期望的共振頻率f0。
[0065]根據(jù)前述電力饋送系統(tǒng)I，當汽車4中的電力接收單元5接近置放在道路2中的電力饋送單元3，并且電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51在中央軸線方向上彼此相對并且隔開時，電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51電磁共振從而以非接觸方式將電力從電力饋送單元3向電力接收單元5供應(yīng)。
[0066]為了更加詳細地說明，當將交流電電力施加到電力饋送環(huán)形天線32時，電力通過電磁感應(yīng)饋送到電力饋送螺旋線圈33。即，通過電力饋送環(huán)形天線32將電力施加到電力饋送螺旋線圈33。當向電力饋送螺旋線圈33施加電力時，電力通過電磁感應(yīng)以非接觸方式饋送到電力接收環(huán)形天線52并且通過AC/DC轉(zhuǎn)換器53饋送到與電力接收環(huán)形天線52連接的道路7。
[0067]然后，討論本發(fā)明的電力饋送系統(tǒng)I的設(shè)計方法。本發(fā)明的發(fā)明人模擬了在電力饋送系統(tǒng)I (此后稱作產(chǎn)品A)中在頻率f0附近的通過特性，在該電力饋送系統(tǒng)I中，電力饋送單元3和電力接收單元5的特征阻抗被設(shè)定為50ohm，電容器Cl、C2的電容被調(diào)節(jié)成使得頻率f0成為共振頻率。因此，能夠在頻率f0附近的寬范圍上獲得高的通過特性，并且電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51被臨界耦合。
[0068]然后，本發(fā)明的發(fā)明人在電力饋送系統(tǒng)I (此后稱作廣品B)中申旲擬了在頻率0.1fO附近的通過特性和反射特性，在該電力饋送系統(tǒng)I中，僅僅調(diào)節(jié)電容器Cl、C2的電容使得在頻率f0附近獲得臨界耦合的產(chǎn)品A中頻率0.1fO成為共振頻率。其結(jié)果在圖3中示出。如在圖中所示，在頻率0.1fO附近，電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51如此緊密地耦合，使得將頻帶因此被劃分為二，從而頻帶變得更窄。
[0069]此外，本發(fā)明人在電力饋送系統(tǒng)I (此后稱作產(chǎn)品C)中模擬了在頻率0.0OlfO附近的通過特性和反射特性，在該電力饋送系統(tǒng)I中，僅僅調(diào)節(jié)電容器Cl、C2的電容使得在頻率f0附近獲得臨界耦合的產(chǎn)品A中頻率0.0OlfO成為共振頻率。其結(jié)果在圖4中示出。如在圖中所示，在頻率0.0OlfO附近，電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51過于緊密地耦合以至不能獲得通過特性。
[0070]然后，為了研究在不改變電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51的尺寸和距離的情況下調(diào)節(jié)電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51之間的耦合的方法，本發(fā)明人模擬了在產(chǎn)品B中在頻率0.1fO附近的阻抗特性。其結(jié)果在圖5中示出。本發(fā)明人還在產(chǎn)品C中模擬了在頻率0.0OlfO附近的阻抗特性。其結(jié)果在圖6中示出。
[0071]如在圖中所示，在產(chǎn)品B中，在頻率0.1fO附近的電力饋送單元3和電力接收單元5的阻抗變得低于50ohm (I對應(yīng)于圖5中的50ohm)。在產(chǎn)品C中在頻率0.0OlfO附近的阻抗變得低于50ohm (I對應(yīng)于圖6中的50ohm)
[0072]然后，本發(fā)明人在電力饋送系統(tǒng)I (此后稱作廣品D)中t旲擬了在頻率0.1fO附近的通過特性、反射特性和特征阻抗，在該電力饋送系統(tǒng)I中，調(diào)節(jié)DC/AC轉(zhuǎn)換器31和AC/DC轉(zhuǎn)換器53的阻抗，并且調(diào)節(jié)電容器Cl、C2的電容使得頻率0.1fO成為共振頻率。其結(jié)果在圖7、8中示出。注意:在產(chǎn)品A中電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈33、51和在產(chǎn)品D中電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈33、51的尺寸和線圈間距離是彼此相同的。如從圖中可以看出，能夠發(fā)現(xiàn)特征阻抗降低從而達到臨界耦合。
[0073]而且，本發(fā)明人在電力饋送系統(tǒng)I (此后稱作產(chǎn)品E)中模擬了在頻率0.0OlfO附近的通過特性、反射特性，和特征阻抗，在該電力饋送系統(tǒng)I中，調(diào)節(jié)DC/AC轉(zhuǎn)換器31和AC/DC轉(zhuǎn)換器53的阻抗，并且調(diào)節(jié)電容器Cl、C2的電容使得頻率0.1fO成為共振頻率。其結(jié)果在圖8、10中示出。注意在產(chǎn)品A中電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈33、51和在產(chǎn)品D中電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈33、51的尺寸和線圈之間距離是彼此相同的。如從圖中可以看出，能夠發(fā)現(xiàn)特征阻抗降低從而達到臨界耦合。
[0074]S卩，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)電力饋送單元3和電力接收單元5的阻抗的調(diào)節(jié)使電力饋送單元和電力接收單元的螺旋線圈33、51的耦合狀況得以調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)本發(fā)明。
[0075]于是，在設(shè)計電力饋送系統(tǒng)I時，通過調(diào)節(jié)DC/AC轉(zhuǎn)換器31和AC/DC轉(zhuǎn)換器53的阻抗，如在圖11中所示，所期望的共振頻率變得越小，電力饋送單元3和電力接收單元5的阻抗越小。例如，調(diào)節(jié)DC/AC轉(zhuǎn)換器31和AC/DC轉(zhuǎn)換器53中所包含電容器的電容或者線圈的電感。在這里作為在DC/AC轉(zhuǎn)換器31和AC/DC轉(zhuǎn)換器53中使用的電容器或者線圈，使用其電容或者電感是固定的從而獲得共振耦合的電容器或者電感器，但是也可以使用其電容或其電感變化的可變電容器或線圈來調(diào)節(jié)電容或電感。
[0076]在特征阻抗超過50ohm的頻率中，調(diào)節(jié)電力饋送環(huán)形天線32與電力饋送螺旋線圈33之間以及電力接收環(huán)形天線52與電力接收螺旋線圈51之間的距離能夠獲得臨界耦合。缺少50ohm的特征阻抗引起了與傳統(tǒng)高頻電路接口的問題，但是作為用于這種情形的阻抗轉(zhuǎn)換方法，存在各種技術(shù)，諸如使用λ /4傳輸線路，或者使用L/C電路，或者使用變壓器(trance)，并且它們的組合實現(xiàn)了電路的接口。
[0077]根據(jù)前述實施例，因為將電力饋送單元3和電力接收單元5的阻抗調(diào)節(jié)為是小的，所以能夠在不調(diào)節(jié)線圈的尺寸或者距離的情況下以所期望的共振頻率實現(xiàn)臨界耦合，并且同樣能夠?qū)崿F(xiàn)在寬頻帶上的高傳輸效率。
[0078]注意:根據(jù)該實施例，諸如但是不限于調(diào)節(jié)DC/AC轉(zhuǎn)換器31或者AC/DC轉(zhuǎn)換器53的阻抗。例如，由電容器和電感構(gòu)成的調(diào)節(jié)器設(shè)置有電力饋送單元3和電力接收單元5，調(diào)節(jié)該調(diào)節(jié)器的阻抗，并且因此可以進行設(shè)計使得電力饋送單元3和電力接收單元5的共振頻率變得越小，則該電力饋送單元3和電力接收單元5的共振頻率的阻抗越小。
[0079]第二實施例
[0080]參考圖12和13，討論了根據(jù)第二實施例的電力饋送系統(tǒng)。圖12是示出在本發(fā)明的第二實施例中實現(xiàn)電力饋送系統(tǒng)的方法的電力饋送系統(tǒng)的視圖。圖13是示出構(gòu)成圖12所示電力饋送系統(tǒng)的電力饋送環(huán)形天線、電力饋送螺旋線圈、電力接收螺旋線圈和電力接收環(huán)形天線的透視圖。如在圖中所示，電力饋送系統(tǒng)I設(shè)置有作為置放在道路3上的電力饋送裝置的電力饋送單元3，以及作為置放在汽車4的車體中的電力接收裝置的電力接收單元5。
[0081]電力饋送單元3設(shè)置有:DC/AC (直流電到交流電)轉(zhuǎn)換器31，該DC/AC (直流電到交流電)轉(zhuǎn)換器31將從直流電電源6供應(yīng)的直流電電力轉(zhuǎn)換成交流電電力；電力饋送環(huán)形天線32,由DC/AC轉(zhuǎn)換器31轉(zhuǎn)換的交流電電力被供應(yīng)到該電力饋送環(huán)形天線32 ;電力饋送螺旋線圈33，該電力饋送螺旋線圈33在它的中央軸線方向上與電力饋送環(huán)形天線32相對且隔開地布置，并且作為電力饋送線圈與電力饋送環(huán)形天線32電磁耦合；電容器Cl，該電容器Cl與電力饋送螺旋線圈33并聯(lián)連接；以及作為調(diào)節(jié)器的可變電感LI。
[0082]電力饋送環(huán)形天線32形成為圓環(huán)狀，并且使其中央軸線布置在從道路2朝向汽車4的車體的方向上，即，沿著豎直方向。電力饋送環(huán)形天線32的兩端具有與其連接的DC/AC轉(zhuǎn)換器31，并且被供應(yīng)有由如上所述的DC/AC轉(zhuǎn)換器31轉(zhuǎn)換的交流電電力。
[0083]電力饋送螺旋線圈33形成為呈圓形地纏繞繞組線。在本實施例中電力饋送螺旋線圈33具有纏繞成一匝但也可以纏繞成兩匝以上的繞組線。電力饋送螺旋線圈33相對于電力饋送環(huán)形天線32與電力饋送環(huán)形天線32共軸地靠近汽車4布置。電力饋送環(huán)形天線32和電力饋送螺旋線圈33布置在它們彼此電磁耦合的范圍內(nèi)，即，布置在被供應(yīng)到電力饋送環(huán)形天線32的交流電電力在電力饋送螺旋線圈33中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的范圍內(nèi)，并且彼此隔開。
[0084]設(shè)置電容器Cl以用于調(diào)節(jié)共振頻率?？勺冸姼蠰I根據(jù)從將在下面描述的CPU9輸出的調(diào)節(jié)信號來改變它的電感。
[0085]電力接收單元5設(shè)置有:電力接收螺旋線圈51，該電力接收螺旋線圈51與電力饋送螺旋線圈33電磁共振；電力接收環(huán)形天線52，該電力接收環(huán)形天線52布置成在它的中央軸線方向上與所述電力接收螺旋線圈51相對，并且與所述電力接收螺旋線圈51電磁耦合；AC/DC轉(zhuǎn)換器53，該AC/DC轉(zhuǎn)換器53將由電力接收環(huán)形天線52接收的交流電電力轉(zhuǎn)換成直流電電力；以及電容器C2，該電容器C2與電力接收螺旋線圈51并聯(lián)連接。
[0086]電力接收環(huán)形天線52通過AC/DC轉(zhuǎn)換器53連接到負載7諸如汽車電池。電力接收環(huán)形天線52也形成為圓環(huán)狀，其中心軸線布置在從汽車4的車體朝向道路2的方向上，即，沿著豎直方向。在本發(fā)明中，如在圖13中所示，前述電力接收環(huán)形天線52還例如布置成具有與前述電力饋送環(huán)形天線32相同的直徑，但是不限于此，例如，電力接收環(huán)形天線52的直徑可以布置成小于前述電力饋送環(huán)形天線32。
[0087]電力接收螺旋線圈51形成為呈圓形地纏繞繞組線。在本實施例中，以與電力饋送螺旋線圈33相同的方式，電力接收螺旋線圈51具有纏繞成一匝，但也可以纏繞成兩匝以上的繞組線。電力接收螺旋線圈51布置成具有諸如但是不限于與前述電力饋送螺旋線圈33相同的直徑，例如，電力接收單元螺旋線圈51的直徑可以布置成小于前述電力饋送螺旋線圈33。
[0088]電力接收螺旋線圈51相對于電力饋送環(huán)形天線32與電力接收環(huán)形天線52共軸地靠近道路2布置。由此可知:電力接收環(huán)形天線52和電力接收螺旋線圈51布置在它們彼此電磁耦合的范圍內(nèi)，即，布置在流入電力接收螺旋線圈51中的交流電電力在電力接收環(huán)形天線52中產(chǎn)生電磁感應(yīng)的范圍內(nèi)，并且彼此隔開。電容器C2以與電容器I相同的方式設(shè)置，用于調(diào)節(jié)共振頻率。將這些電容器C1、C2的電容初步地調(diào)節(jié)，以使電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51之間的共振頻率成為所期望的共振頻率fO。
[0089]根據(jù)前述電力饋送系統(tǒng)I，當汽車4中的電力接收單元5接近置放在道路2中的電力饋送單元3，并且電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51在中央軸線方向上彼此相對并且隔開時，電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51電磁共振從而以非接觸方式從電力饋送單元3向電力接收單元5供應(yīng)電力。
[0090]為了更加詳細地說明，當將交流電電力施加到電力饋送環(huán)形天線32時，電力通過電磁感應(yīng)饋送到電力饋送螺旋線圈33。即，通過電力饋送環(huán)形天線32將電力施加到電力饋送螺旋線圈33。當向電力饋送螺旋線圈33施加電力時，電力通過電磁感應(yīng)以非接觸方式饋送到電力接收環(huán)形天線52并且通過AC/DC轉(zhuǎn)換器53饋送到與電力接收環(huán)形天線52連接的道路7。
[0091]如在圖12中所示，前述電力饋送系統(tǒng)I還設(shè)置有:開關(guān)8，該開關(guān)8置放在DC電源6和DC/AC轉(zhuǎn)換器31之間；CPU9，該CPU9整體地控制電力饋送單元3 ；以及位置傳感器10，該位置傳感器10檢測電力饋送螺旋線圈33與電力接收螺旋線圈51之間的相對位置。
[0092]將CPU9與開關(guān)8和將在下面描述的接收器IOb連接。位置傳感器10設(shè)置有:發(fā)射器10a，該發(fā)射器IOa安裝在汽車4中并且靠近電力接收螺旋線圈51布置；以及接收器10b，該接收器IOb靠近道路2并且靠近電力饋送螺旋線圈33布置。發(fā)射器IOa置放在汽車4的車體處從而靠近電力接收螺旋線圈51布置。該發(fā)射器IOa由例如發(fā)射點光的發(fā)光器件和控制該發(fā)光器件的發(fā)射光的控制電路構(gòu)成，并且豎直向下地定期發(fā)射點光。
[0093]接收器IOa布置在道路2上從而靠近電力饋送螺旋線圈33布置。接收器IOb由光接收器件和檢測器電路構(gòu)成，并且從檢測器電路向CPU9輸出位置信號；其中該光接收器件形成有接收點光的光接收面，該檢測器電路根據(jù)向其傳送該點光的光接收面上的位置等輸出位置信號。
[0094]CPU9根據(jù)來自接收器IOb的位置信號來檢測電力饋送螺旋線圈33與電力接收螺旋線圈51之間的相對位置。例如，CPU9檢測在電力饋送螺旋線圈33 (圖13)的中央軸線Zl和電力接收螺旋線圈51 (圖13)的中央軸線Z2之間的作為相對位置的位移d (圖16)。注意:在本實施例中，作為位置傳感器10討論了使用諸如但是不限于如上所述的光學類型的實例，并且替代地，可以使用眾所周知的類型的位置傳感器1，諸如超聲波類型或者無線類型。如從以上可以看出，前述位置傳感器10和CPU9構(gòu)成權(quán)利要求中的位置檢測裝置。
[0095]然后，在討論電力饋送系統(tǒng)I的操作之前，討論了本發(fā)明的原理。首先，本發(fā)明人調(diào)節(jié)可變電感器LI的電感，從而在位移d為O時獲得最高效率以調(diào)節(jié)電力饋送單元3的阻抗，并且模擬在頻率f0附近的電力接收環(huán)形天線52的傳輸效率S212。其結(jié)果中圖14中由點線示出。如在圖中所示，在位移d為O時，能夠?qū)崿F(xiàn)97%的傳輸效率S212。
[0096]然后，本發(fā)明人做出了位移d為0.375D (D等于電力接收螺旋線圈51的直徑)，并且模擬在頻率f0附近電力接收環(huán)形天線52的傳輸效率S212。其結(jié)果在圖14中由短劃點線示出。注意:可變電感器LI的電感是與在位移d為O時所調(diào)解的相同。如在圖中所示，位移d的誘發(fā)(induction)引起了傳輸效率S212的降低,至87%的量級。
[0097]因此，傳輸效率S212的降低可能原因在于，即便在位移d等于O時電力饋送單元3和電力接收單元5之間的阻抗匹配，位移d的誘發(fā)也破壞阻抗匹配，并且因此來自電力饋送單元3的電力在電力接收單元5上反射。因此，本發(fā)明人在位移為0.375D時再次調(diào)節(jié)電感器LI的電感以調(diào)節(jié)電力饋送單元3的阻抗，并且在頻率f0附近模擬電力接收環(huán)形天線52的傳輸效率S212。其結(jié)果由圖14中的線示出。如在圖中所示，阻抗的調(diào)節(jié)將傳輸效率S212提升到93%的量級。
[0098]因此，通過模擬或者試驗獲得了在位移與獲得最佳傳輸效率S212的可變電感器LI的電感之間的關(guān)系，并且將呈現(xiàn)所獲得的關(guān)系的這種表格預(yù)先地存儲在未示出的存儲器中。然后，CPU9從存儲在存儲器中的表格尋求(intiOduce)對應(yīng)于由接收器IOb的位置信號所檢測的位移d的電感，并且向可變電感LI輸出調(diào)節(jié)信號從而作為所尋求的電感。
[0099]然后，討論了在以上簡要地討論的、用于電力饋送系統(tǒng)I的詳細操作。首先，CPU9讀出接收器IOa的位置信號并且確定是否接收到點光。點光的接收判定汽車2停留在近處，并且CPU9然后根據(jù)來自接收器IOb的位置信號獲得中心軸線Z1、Z2的位移d。
[0100]在用作阻抗調(diào)節(jié)裝置之后，CPU9從存儲在存儲器中的這種表格尋求對應(yīng)于所獲得的位移d的電感，并且向可變電感LI輸出調(diào)節(jié)信號從而成為所尋求的電感。然后，CPU9接通開關(guān)8以供應(yīng)電力饋送環(huán)形天線32的交流電電力。由此可知，在保持高效率的同時，將電力以無線方式從電力饋送單元3饋送到電力接收單元5。
[0101]在這之后，CPU9再次尋求接收器IOb的位置信號，并且“沒有接收到任何點光”判定汽車2移開，切斷開關(guān)8以阻止利用電力饋送環(huán)形天線32供應(yīng)交流電電力。
[0102]根據(jù)電力饋送系統(tǒng)1，由于CPU9使用位置傳感器10根據(jù)在所檢測的電力饋送螺旋線圈33的中心軸線Zl和電力接收螺旋線圈51的中心軸線Z2之間的位移d來調(diào)節(jié)可變電感器LI，并且調(diào)節(jié)將可變電感器LI置放于此的電力饋送單元3的阻抗，所以能夠減小由電力饋送螺旋線圈33與電力接收螺旋線圈51之間的位移d所引起的傳輸效率的降低，并且能夠以高效率從電力饋送單元3向電力接收單元5供應(yīng)電力。
[0103]根據(jù)前述電力饋送系統(tǒng)1，由于CPU9使用位置傳感器9檢測作為在所檢測的電力饋送螺旋線圈33的中心軸線Zl和電力接收螺旋線圈51的中心軸線Z2之間的相對位置的位移d，所以能夠減小由在中心軸線Z1、Z2之間的該位移d引起的傳輸效率的降低，并且以高效率從電力饋送單元3向電力接收單元5供應(yīng)電力。
[0104]注意:前述實施例公開了諸如但是不限于電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51。電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51可以繞成一匝或者三匝。為了驗證在其它匝數(shù)的情形中獲得以上效率，本發(fā)明人分別在位移d為O時匹配的情況下、在位移d為0.375時匹配的情況下和在位移d為0.375時不匹配的情況下，在將電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51繞成一匝的電力饋送系統(tǒng)I中模擬在頻率f0附近的傳輸效率S212。其結(jié)果在圖15中示出。
[0105]如在圖中所示，在位移d為O的情況下，傳輸效率S212為95%。相反，在位移d為
0.375D時不匹配的情況下，傳輸效率S212降低到73%。通過使用可變電感LI來匹配，發(fā)現(xiàn)傳輸效率S212提升到85%。
[0106]在前述實施例中，電力饋送單元3僅僅包括但是不限于可變電感器LI作為調(diào)節(jié)器。例如，調(diào)節(jié)器可以僅僅置放于接收器5，或者可以置放于電力饋送單元3和電力接收單元5這兩者。
[0107]前述實施例使用諸如但是不限于可變電感LI作為調(diào)節(jié)器。作為調(diào)節(jié)器，可以使用眾所周知的調(diào)節(jié)器諸如電容器、電容器和電感器的組合等等。
[0108]在前述實施例中，諸如但是本發(fā)明不限于將可變電感LI連接到電力饋送螺旋線圈33作為調(diào)節(jié)器。因為本發(fā)明可以匹配電力饋送單元3和電力接收單元5之間的阻抗，所以調(diào)節(jié)器可以置放在電力饋送環(huán)形天線32或者電力接收環(huán)形天線52中，否則，則置放在DC/AC轉(zhuǎn)換器31或者AC/DC轉(zhuǎn)換器53中。[0109]而且，在前述實施例中，諸如但是不限于調(diào)節(jié)可變電感器LI使得檢測位移d并且減小由位移d引起的傳輸效率的降低。例如，檢測電力饋送螺旋線圈33和電力接收螺旋線圈51的中央軸線之間的距離X (圖13)，可以調(diào)節(jié)可變電感LI從而防止由距離波動引起傳輸效率降低。
[0110]此外，前述實施例僅僅示出但是不限于本發(fā)明的典型實施例。即，應(yīng)該理解本領(lǐng)域技術(shù)人員將會清楚各種改變和修改。因此，除非這種改變和修改偏離此后限定的本發(fā)明的范圍，應(yīng)該理解為它們包括在其中。
【權(quán)利要求】
1.一種設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法，所述電力饋送系統(tǒng)包括:具有電力饋送線圈的電力饋送單元，電力被供應(yīng)到該電力饋送線圈；以及具有電力接收線圈的電力接收單元，該電力接收線圈通過與所述電力饋送線圈電磁共振而從所述電力饋送線圈接收電力，所述方法包括以下步驟: 進行設(shè)計，使得在不改變所述電力饋送線圈和所述電力接收線圈的尺寸和線圈之間距離的情況下，所述電力饋送線圈與所述電力接收線圈之間的共振頻率變得越小，則所述電力饋送單元與所述電力接收單元的阻抗變得越小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法，其中，所述電力饋送單元包括將DC電力轉(zhuǎn)換成AC電力的DC/AC轉(zhuǎn)換器，AC電力被供應(yīng)到所述電力饋送線圈；并且其中，所述電力接收單元包括將由所述電力接收線圈接收到的AC電力轉(zhuǎn)換成DC電力的AC/DC轉(zhuǎn)換器，所述方法還包括以下步驟: 進行設(shè)計，使得通過調(diào)節(jié)所述DC/AC轉(zhuǎn)換器和所述AC/DC轉(zhuǎn)換器的阻抗，所述電力饋送線圈和所述電力接收線圈的共振頻率變得越小，則所述電力饋送單元和所述電力接收單元的阻抗變得越小。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)計電力饋送系統(tǒng)的方法，其中，所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個包括調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)所置放的所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個的阻抗，所述方法還包括以下步驟: 進行設(shè)計，使得通過調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)器的阻抗，所述電力饋送線圈和所述電力接收線圈的共振頻率變得越小，則所述電力饋送單元和所述電力接收單元的阻抗變得越小。
4.一種電力饋送系統(tǒng)，包括: 具有電力饋送線圈的電力饋送單元，電力被供應(yīng)到該電力饋送線圈， 具有電力接收線圈的電力接收單元，該電力接收線圈通過與所述電力饋送線圈電磁共振而從所述電力饋送線圈接收電力， 調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器置放于所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個，并且改變所置放的所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的至少一個的阻抗， 位置檢測器，該位置檢測器檢測所述電力饋送線圈與所述電力接收線圈之間的相對位置， 阻抗調(diào)節(jié)器，該阻抗調(diào)節(jié)器根據(jù)由所述位置檢測器檢測到的所述相對位置來調(diào)節(jié)所述調(diào)節(jié)器，從而調(diào)節(jié)設(shè)置有所述調(diào)節(jié)器的所述電力饋送單元和所述電力接收單元中的所述至少一個的阻抗。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力饋送系統(tǒng)，其中，所述位置檢測器檢測所述電力饋送線圈的中心軸線與所述電力接收線圈的中心軸線之間的位移，作為所述相對位置。
【文檔編號】H02J17/00GK103782483SQ201280042633
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年6月30日
【發(fā)明者】加加美和義, 田中信吾 申請人:矢崎總業(yè)株式會社