非接觸供電裝置制造方法
【專利摘要】具有二次繞組（201），交流電源從一次繞組（101）向該二次繞組供給電力，Z1的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在交流電源的基本波成分的頻率附近具有極小值，Z2的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在最接近所述基本波成分的頻率附近且取極大值時的頻率、和最接近所述基本波成分的頻率且取極小值時的頻率之間，具有所述基本波成分的頻率。
【專利說明】非接觸供電裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種非接觸供電裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]已知一種非接觸供電裝置，其在由交流電源驅(qū)動的一次繞組上串聯(lián)連接電容器，在二次繞組上并聯(lián)連接電容器，各個電容器的值基于在下述專利文獻(xiàn)I中公開的公式進(jìn)行設(shè)定，從而大致與理想變壓器等價(專利文獻(xiàn)I)。
[0003]然而，在現(xiàn)有的非接觸供電裝置中，由于以一次繞組和二次繞組之間的耦合系數(shù)固定為前提，為了實現(xiàn)高效率而設(shè)定電容器等，因此，存在在該耦合系數(shù)變化的情況下，功率因數(shù)下降的問題。
[0004]專利文獻(xiàn)1:日本特許4644827號
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種非接觸供電裝置，其即使在耦合系數(shù)變化的情況下，也抑制功率因數(shù)的下降。
[0006]在本發(fā)明中，Zl的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在交流電源的基本波成分的頻率附近具有極小值，Z2的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在最接近所述基本波成分的頻率且取極大值時的頻率、和最接近所述基本波成分的頻率且取極小值時的頻率之間，具有所述基本波成分的頻率。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，即使耦合系數(shù)變動，由于從交流電源的輸出側(cè)觀察的阻抗相對于基本波頻率(fo)的相位的變動幅寬變小，因此，其結(jié)果，能夠抑制功率因數(shù)的下降。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1是本例的非接觸供電裝置的電路圖。
[0009]圖2a是圖1的一次繞組及二次繞組的俯視圖和斜視圖。
[0010]圖2b是圖1的一次繞組及二次繞組的俯視圖和斜視圖。
[0011]圖3是表示與圖1的一次繞組和二次繞組之間的距離相對應(yīng)的耦合系數(shù)的特性的曲線圖。
[0012]圖4a是用于說明功率因數(shù)的圖，是表示與時間相對應(yīng)的電流特性以及電壓特性的曲線圖。
[0013]圖4b是用于說明功率因數(shù)的圖，是表示與時間相對應(yīng)的功率特性的曲線圖。
[0014]圖5a是用于說明功率因數(shù)的圖，是表示與時間相對應(yīng)的功率特性的曲線圖。
[0015]圖5b是用于說明功率因數(shù)的圖，是表示與時間相對應(yīng)的電流特性以及電壓特性的曲線圖。
[0016]圖6是圖1的非接觸供電部的電路圖。
[0017]圖7是表示圖1的非接觸供電部中的一次側(cè)電路的等價電路的電路圖。[0018]圖8是在圖1的非接觸供電部中，僅示出一次側(cè)的阻抗(Zl)的絕對值特性的圖。
[0019]圖9是表示圖1的非接觸供電部中的二次側(cè)電路的等價電路的電路圖。
[0020]圖10是在圖1的非接觸供電部中，僅示出二次側(cè)的阻抗(Z2 )的絕對值特性的圖。
[0021]圖1la是表示圖1的非接觸供電部中與頻率相對應(yīng)的輸入阻抗(Zin)的絕對值特性的曲線圖。
[0022]圖1lb是表示圖1的非接觸供電部中與頻率相對應(yīng)的輸入阻抗(Zin)的相位特性的曲線圖。
[0023]圖12表示圖1的非接觸供電裝置和對比例的非接觸供電裝置中，與耦合系數(shù)K相對應(yīng)的功率因數(shù)的特性。
[0024]圖13表示圖1的非接觸供電裝置和對比例的非接觸供電裝置中，與耦合系數(shù)K相對應(yīng)的功率因數(shù)的特性。
[0025]圖14表示圖1的非接觸供電裝置和對比例的非接觸供電裝置中，與耦合系數(shù)K相對應(yīng)的輸出功率的特性。
[0026]圖15是圖1的非接觸供電裝置的變形例所涉及的非接觸供電部的電路圖。
[0027]圖16是圖1的非接觸供電裝置的變形例所涉及的非接觸供電部的電路圖。
[0028]圖17是圖1的非接觸供電裝置的變形例所涉及的非接觸供電部的電路圖。
[0029]圖18是本發(fā)明的其他實施方式所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部的阻抗特性，(a)是僅示出一次側(cè)的阻抗(ZI)的絕對值特性的圖，(b )是僅示出二次側(cè)的阻抗(Z2 )的絕對值特性的圖。
[0030]圖19是對比例所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部的阻抗特性，(a)是僅示出一次側(cè)的阻抗(Zl)的絕對值特性的圖，(b)是僅示出二次側(cè)的阻抗(Z2)的絕對值特性的圖。
[0031]圖20表示對比例所涉及的非接觸供電裝置中與耦合系數(shù)K相對應(yīng)的功率因數(shù)的特性。
[0032]圖21是對比例所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部的阻抗特性，(a)是僅示出一次側(cè)的阻抗(Zl)的絕對值特性的圖，(b)是僅示出二次側(cè)的阻抗(Z2)的絕對值特性的圖。
[0033]圖22表示對比例所涉及的非接觸供電裝置中，與耦合系數(shù)K相對應(yīng)的功率因數(shù)的特性。
[0034]圖23是表示本發(fā)明的其他實施方式所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部的等價電路的電路圖。
[0035]圖24是表示復(fù)平面中的圖23的非接觸供電部的阻抗特性(Zin)的圖。
[0036]圖25a僅示出本發(fā)明的其他實施方式所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部中的、二次側(cè)電路的阻抗的絕對值特性。
[0037]圖25b僅示出本發(fā)明的其他實施方式所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部中的、二次側(cè)電路的阻抗的絕對值特性。
[0038]圖26是表示本發(fā)明的其他實施方式所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部中的、與耦合系數(shù)相對應(yīng)的輸入阻抗(Zin)的絕對值特性的圖。
[0039]圖27是本發(fā)明的其他實施方式所涉及的非接觸供電裝置的非接觸供電部的電路圖。
[0040]圖28是在圖27的非接觸供電部中，僅示出一次側(cè)的阻抗(Z2)的絕對值特性的圖。
[0041 ]圖29是在圖27的非接觸供電部中，僅示出二次側(cè)的阻抗(Z2)的絕對值特性的圖。
[0042]圖30是圖27的非接觸供電裝置的變形例所涉及的非接觸供電部的電路圖。
[0043]圖31是圖27的非接觸供電裝置的變形例所涉及的非接觸供電部的電路圖。
【具體實施方式】
[0044]下面，基于附圖，對發(fā)明的實施方式進(jìn)行說明。
[0045]《第I實施方式》
[0046]作為發(fā)明的實施方式所涉及的非接觸供電裝置的一個例子，對與電動汽車等的車輛用電池以及電力負(fù)載同時使用的非接觸供電裝置進(jìn)行說明。
[0047]圖1示出非接觸供電裝置的電路圖。本實施方式所涉及的非接觸供電裝置具有高頻交流電源6、對從高頻交流電源6輸出的電力進(jìn)行非接觸供電的非接觸供電部10、以及通過非接觸供電部10被供給電力的負(fù)載部7。
[0048]高頻交流電源6具有:三相交流電源64 ;整流器61，其與三相交流電源64連接，將三相交流整流為直流；以及電壓型逆變器63，其經(jīng)由平滑電容器62與整流器61連接，將整流后的電流逆變換為高頻電力。作為整流器61，將二極管61a和二極管61b、二極管61c和二極管61d、以及二極管61e和二極管61f這三組并聯(lián)連接，在各個中間連接點上連接三相交流電源64的輸出。作為電壓型逆變器63，將在MOSFET功率晶體管等上反并聯(lián)連接二極管的開關(guān)元件63a和相同的開關(guān)元件63b的串聯(lián)電路、以及相同的開關(guān)元件63c和開關(guān)元件63d的串聯(lián)電路并聯(lián)連接，經(jīng)由平滑電容器62與整流器61連接。并且，開關(guān)元件63a和開關(guān)元件63b的中間連接點以及開關(guān)元件63c和開關(guān)元件63d的中間連接點分別與非接觸供電部10的一次側(cè)即送電電路部100連接。電壓型逆變器63向非接觸供電部100供給幾k?IOOkHz左右的交流電力。
[0049]非接觸供電部10具有作為變壓器輸入側(cè)的送電電路部100、和作為變壓器輸出側(cè)的受電電路部200。送電電路部100具有一次繞組101和與一次繞組101串聯(lián)連接的電容器(Cls) 102，受電電路部200具有二次繞組201、與二次繞組201并聯(lián)連接的電容器(C2p)202、與二次繞組201和電容器202的并聯(lián)電路串聯(lián)連接的電容器(C2s) 203。
[0050]負(fù)載部7具有將從非接觸供電部10供給的交流電力整流為直流的整流部71、和與整流部71連接的負(fù)載72。作為整流部71，將二極管71a和二極管71b、以及二極管71c和二極管71d并聯(lián)連接，在各個中間連接點上連接受電電路部200的輸出。并且，將整流部71的輸出與負(fù)載72連接。
[0051]下面，利用圖2及圖3，對在車輛和停車場中具有圖1所示的非接觸供電裝置的情況下，一次繞組101和二次繞組201的耦合系數(shù)(K )進(jìn)行說明。
[0052]在本例中，包含二次繞組201在內(nèi)的受電電路部200及負(fù)載部7例如安裝在車輛上，包含一次繞組101在內(nèi)的送電電路部100以及高頻交流電源6作為地上側(cè)而例如安裝在停車場中。在電動汽車的情況下，負(fù)載72例如與二次電池相對應(yīng)。二次繞組201例如安裝在車輛的底盤上。并且，為了將該二次繞組201設(shè)置在一次繞組101上方，車輛的駕駛員將車輛停在該停車場中，電力從一次繞組101被供給至二次繞組201，對包含在負(fù)載72中的二次電池進(jìn)行充電。
[0053]圖2a及圖2b示出一次繞組101及二次繞組201的俯視圖和斜視圖。在圖2a及圖2b中，X軸及Y軸表示一次繞組101及二次繞組201的平面方向，Z軸表示高度方向。在圖2a及圖2b中，a)表示一次繞組101及二次繞組201的俯視圖，b)表示二次繞組201的斜視圖，c)表示一次繞組101的斜視圖。另外，為了進(jìn)行說明，使一次繞組101及二次繞組201均形成為相同的圓形形狀，但本例不一定必須形成為圓形，另外，一次繞組101和二次繞組201不必形成為相同的形狀。
[0054]如圖2a所示，在俯視方向即X軸、Y軸方向上，只要以二次繞組201與一次繞組101吻合的方式，使車輛停在停車場中即可，但根據(jù)駕駛員的技術(shù)，如圖2b所示，一次繞組101和二次繞組201之間的相對位置有時會在俯視方向上偏移。另外，車輛的高度根據(jù)車輛的種類而不同，因此一次繞組101和二次繞組201的高度也根據(jù)車高而不同。
[0055]圖3表示與圖2a、2b所示的X軸方向(Y軸方向)以及Z軸方向的二次繞組201相對應(yīng)的耦合系數(shù)的變化。如圖3所示，在一次繞組101的中央與二次繞組201的中央一致的情況下，一次繞組I和二次繞組201之間的泄露磁通較少，圖3的X軸的值相當(dāng)于零，耦合系數(shù)K變大。另一方面，相對于圖2a，如圖2b所示，如果一次繞組101和二次繞組201之間的位置沿X軸方向偏移，則泄露磁通變多，如圖3所示，耦合系數(shù)K變小。另外，如果一次繞組101和二次繞組201的Z軸(高度)方向的偏移變大，則耦合系數(shù)K變小。
[0056]對于在電動牙刷或剃須刀等無繩化的家電制品和便攜設(shè)備的充電中采用的非接觸的電力供給裝置等，由于一次繞組101和二次繞組201之間沒有相對地移動，因此也可以如上所述假設(shè)耦合系數(shù)(K )不發(fā)生變動。因此，以被固定化的耦合系數(shù)(K )為前提，對在送電電路部100及受電電路部200中包含的電容器、電感器進(jìn)行電路設(shè)計，以在特定的耦合系數(shù)(K )下提高功率因數(shù)，高效地向受電電路部200供給電力。
[0057]在這里，利用圖4，針對圖1所示的非接觸供電裝置中的功率因數(shù)進(jìn)行說明。圖4a示出與時間相對應(yīng)的電流特性及電壓特性，曲線圖a表示電壓特性，曲線圖b表示相對于曲線圖a的電壓特性，功率因數(shù)為0.85的情況下的電流特性，曲線圖c表示相對于曲線圖a的電壓特性，功率因數(shù)為0.5的情況下的電流特性。另外，曲線圖b及曲線圖c的電流特性形成為振幅相同，且僅相位不同的波形。另外，圖4b表示與時間相對應(yīng)的功率特性，曲線圖al是功率因數(shù)為0.85時的瞬時功率的特性，是取圖4a的曲線圖a的電壓和曲線圖b的電流的積而得的功率波形。曲線圖a2是功率因數(shù)為0.85時的平均功率的特性。曲線圖bl是功率因數(shù)為0.5時的瞬時功率的特性，是取圖4a的曲線圖a的電壓和曲線圖c的電流的積而得的功率波形。曲線圖b2表示功率因數(shù)為0.5時的平均功率的特性。
[0058]在圖4b中，瞬時功率為負(fù)的部分相當(dāng)于無效功率，由于是不由負(fù)載72消耗的功率，因此為了提高由負(fù)載72消耗的有效功率，而使瞬時功率為負(fù)的部分減少即可。如果對曲線圖al和曲線圖bl進(jìn)行比較，則功率因數(shù)為0.85的情況下的無效功率，比功率因數(shù)為0.5的情況下的無效功率小，并且，如果對曲線圖a2和曲線圖b2進(jìn)行比較，則功率因數(shù)為0.85的情況下的平均功率，比功率因數(shù)為0.5的情況下的平均功率高。即，在針對非接觸供電部10的輸入電流以及輸入電壓的大小相同的情況下，功率因數(shù)增大的一方能夠使有效功率增大。
[0059]下面，利用圖5，對功率因數(shù)和高頻交流電源6的電源尺寸之間的關(guān)系進(jìn)行說明。圖5a示出與時間相對應(yīng)的瞬時功率以及平均功率的特性，曲線圖al示出功率因數(shù)為0.85的情況下的瞬時功率的特性，曲線圖a2示出功率因數(shù)為0.85的情況下的平均功率的特性，曲線圖bl示出功率因數(shù)為0.5的情況下的瞬時功率的特性，曲線圖b2示出功率因數(shù)為0.5的情況下的平均功率的特性。圖5b示出與時間相對應(yīng)的電流特性及電壓特性，曲線圖a示出電壓特性，曲線圖b示出相對于曲線圖a的電壓特性，功率因數(shù)為0.85的情況下的電流特性，曲線圖c示出相對于曲線圖a的電壓特性，功率因數(shù)為0.5的情況下的電流特性。其中，在圖5b中，功率因數(shù)為0.85的情況下的平均功率以及功率因數(shù)為0.5的情況下的平均功率也相同。
[0060]如圖5b所示，為了使平均功率相同，而必須使功率因數(shù)為0.5的情況下的功率大于功率因數(shù)為0.85的情況下的功率。并且,高頻交流電源6的電源尺寸(容量)通過電壓X電流計算出，由于功率因數(shù)為0.5的情況下的電流，比功率因數(shù)為0.85的情況下的電流大，因此，功率因數(shù)為0.5的情況下的電源尺寸比功率因數(shù)為0.85的情況下的電源尺寸大。因此，通過提高功率因數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)電源尺寸的小型化。
[0061]即，在本例中，如以下說明所示，提供一種即使在耦合系數(shù)(K )變動的情況下，也可抑制功率因數(shù)下降的接觸供電裝置。
[0062]圖6是本例的非接觸供電裝置的非接觸供電部10的電路圖。圖6的左側(cè)相當(dāng)于交流電源64側(cè)即輸入側(cè)，圖6的右側(cè)相當(dāng)于負(fù)載72側(cè)即輸出側(cè)。將一次繞組101的感應(yīng)系數(shù)設(shè)為L1，將二次繞組201的感應(yīng)系數(shù)設(shè)為L2，將電容器102的電氣容量設(shè)為Cls，將電容器202的電氣容量設(shè)為C2p，將電容器203的電氣容量設(shè)為C2s。
[0063]在本例中規(guī)定一次繞組101和二次繞組201的感應(yīng)系數(shù)的大小、和電容器102、202,203的容量大小的條件，以將基本波頻率(&)設(shè)定在一次側(cè)的阻抗(Zl)的諧振頻率Cf1)附近，將基本頻率(fo)設(shè)定在二次側(cè)的阻抗(Z2)的諧振頻率(f2)和諧振頻率(f3)之間。
[0064]首先，利用圖7，對電容器102的電氣容量Cls進(jìn)行說明。圖7表示圖6的電路中的一次側(cè)(送電側(cè))的電路，Zl表示耦合系數(shù)(K )為零值時從交流電源64側(cè)觀察的僅一側(cè)次的阻抗。
[0065]如圖7所示，設(shè)一次繞組101和二次繞組201之間的耦合系數(shù)(κ ) = O。在一次側(cè)的電路中包含由一次繞組101以及二次繞組201構(gòu)成的諧振電路，設(shè)該諧振電路的諧振頻率為f\。另外，以阻抗(Z1)特性在諧振頻率(f\)處取極小值的方式設(shè)計電路。交流電源64的基本波頻率(&)，與在非接觸供電裝置中使用的電源相對應(yīng)而預(yù)先確定。并且，諧振頻率(f\)是一次繞組(L1) 101和電容器(Cls) 102的諧振電路的諧振頻率，且設(shè)定在基本波頻率(fo)的附近。因此，滿足上述條件的基本波頻率(fo)與感應(yīng)系數(shù)(L1)和電氣容量(Cls)之間的關(guān)系由式I表示。
[0066]【式I】
【權(quán)利要求】
1.一種非接觸供電裝置，其具有二次繞組，交流電源從一次繞組向該二次繞組供給電力， Zl的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在所述交流電源的基本波成分的頻率附近具有極小值， Z2的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在最接近所述基本波成分的頻率且取極大值時的頻率、和最接近所述基本波成分的頻率且取極小值時的頻率之間，具有所述基本波成分的頻率， 其中， Zl表示所述一次繞組和所述二次繞組之間的耦合系數(shù)為零值時從所述交流電源的輸出側(cè)觀察的僅一次側(cè)的阻抗， Z2表示所述一次繞組和所述二次繞組之間的耦合系數(shù)為零值時從與所述二次繞組連接的負(fù)載側(cè)觀察的僅二次側(cè)的阻抗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的非接觸供電裝置，其中， 所述Z2取極小值時的頻率，設(shè)定在所述Zl取極小值時的頻率的半值寬度的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的非接觸供電裝置， 將第I電容器與所述一次繞組串聯(lián)連接， 在所述二次繞組和第2電容器的并聯(lián)電路上，串聯(lián)連接第3電容器，且滿足
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項所述的非接觸供電裝置，其中， 將第I電容器與所述一次繞組串聯(lián)連接， 在所述二次繞組和第2電容器的并聯(lián)電路上，串聯(lián)連接第3電容器， 在將從所述交流電源的輸出側(cè)觀察的阻抗特性在復(fù)平面中示出的情況下， 最接近虛軸的第I零點以及第二接近虛軸的第2零點，與所述一次繞組和所述二次繞組之間的耦合系數(shù)的變化相伴，形成彼此反向的軌跡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項所述的非接觸供電裝置，其中， 從所述交流電源的輸出側(cè)觀察的阻抗的值，與所述Z2取極小值時的頻率、和所述Z2取極大值時的頻率之間的頻率帶域相對應(yīng)而設(shè)定。
6.一種非接觸供電裝置，其具有二次繞組，交流電源從一次繞組向該二次繞組供給電力， Zl的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在最接近所述交流電源的基本波成分的頻率且取極大值時的頻率、和最接近所述基本波成分的頻率且取極小值時的頻率之間，具有所述基本波成分的頻率， Z2的與頻率相對應(yīng)的阻抗特性，在所述基本波成分的頻率附近具有極小值， 其中， Zl表示所述一次繞組和所述二次繞組之間的耦合系數(shù)為零值時從所述交流電源的輸出側(cè)觀察的僅一次側(cè)的阻抗， Z2表示所述一次繞組和所述二次繞組之間的耦合系數(shù)為零值時從與所述二次繞組連接的負(fù)載側(cè)觀察的僅二次側(cè)的阻抗。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的非接觸供電裝置，其中， 所述Zl取極小值時的頻率，設(shè)定`在所述Z2取極小值時的頻率的半值寬度的范圍內(nèi)。
【文檔編號】H02J7/00GK103828192SQ201280047403
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年9月28日 優(yōu)先權(quán)日:2011年9月28日
【發(fā)明者】甲斐敏祐, 山內(nèi)雄哉, 蓋頌·特龍農(nóng)齋, 皆川裕介 申請人:日產(chǎn)自動車株式會社