電力輸送系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種容易并且準確地決定進行電力輸送時的頻率并且提高能量輸送效率的電力輸送系統(tǒng)。本發(fā)明的電力輸送系統(tǒng)的特征在于，具有：被輸入交流電壓的送電天線部（108）；對在所述送電天線部中流動的電流進行檢測的電流檢測部（107）；取得由所述電流檢測部檢測到的電流的峰值的峰值保持部（120）；對所述開關(guān)元件接通的時刻和由所述電流檢測部檢測到電流零點的時刻之間的差值的計時值進行計測的計時部（110）；基于由所述峰值保持部取得的峰值和由所述計時部計測的計時值來決定所述頻率的頻率決定部（110）；以及基于由所述頻率決定部決定的頻率來進行電力輸送的控制部（110）。
【專利說明】電力輸送系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及利用磁共振方式的磁共振天線的無線電力輸送系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，不利用電源線(cord)等而是以無線來輸送電力(電能)的技術(shù)的開發(fā)如火如荼。即使在以無線來輸送電力的方式中，作為特別受到關(guān)注的技術(shù)，存在被稱為“磁共振方式”的技術(shù)。該磁共振方式在2007年由馬薩諸塞州工科大學的研究團隊提出，與其相關(guān)的技術(shù)例如被公開在專利文獻I (日本特表2009 - 501510號公報)中。
[0003]磁共振方式的無線電力輸送系統(tǒng)通過將送電側(cè)天線的共振頻率和受電側(cè)天線的共振頻率設(shè)為相同來從送電側(cè)天線對受電側(cè)天線高效地進行能量傳遞，能夠使電力輸送距離為數(shù)十厘米(cm)?數(shù)米(m)是一個重要特征。
[0004]專利文獻1:日本特表2009 - 501510號公報
[0005]在現(xiàn)有的電力輸送系統(tǒng)中，為了確認從送電側(cè)天線對受電側(cè)天線高效地進行了能量傳遞，利用方向性稱合器等來計測VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)。在送電側(cè)天線和受電側(cè)天線以共振頻率共振的情況下VSWR取最小值。因此，在現(xiàn)有的電力輸送系統(tǒng)中，通過一邊變更頻率一邊利用方向性耦合器來對VSWR進行計測，選擇VSWR最小的頻率來進行電力輸送。
[0006]然而，方向性耦合器的靈敏度調(diào)整非常困難，難以得到恒定輸出，在現(xiàn)有的電力輸送系統(tǒng)中，即使選擇了 VSWR最小的頻率，也存在未以輸送效率最佳的頻率進行輸送的可能性，存在能量效率方面的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述問題，技術(shù)方案I所涉及的發(fā)明的特征在于，具有:將直流電壓變換成規(guī)定頻率的交流電壓并進行輸出的開關(guān)元件；被輸入所述輸出的交流電壓的送電天線部；對在所述送電天線部中流動的電流進行檢測的電流檢測部；取得由所述電流檢測部檢測到的電流的峰值的峰值保持部；對所述開關(guān)元件導通的時刻和由所述電流檢測部檢測到電流零點的時刻之間的差值的計時值進行計測的計時部；基于由所述峰值保持部取得的峰值和由所述計時部計測到的計時值來決定所述頻率的頻率決定部；以及基于由所述頻率決定部決定出的頻率來驅(qū)動所述開關(guān)元件進行電力輸送的控制部。
[0008]另外，在技術(shù)方案2所涉及的發(fā)明中，在技術(shù)方案I所記載的電力輸送系統(tǒng)中，所述頻率決定部通過算出所述開關(guān)元件的效率來決定所述頻率。
[0009]另外，在技術(shù)方案3所涉及的發(fā)明中，在技術(shù)方案I所記載的電力輸送系統(tǒng)中，所述頻率決定部通過參照規(guī)定的表來決定所述頻率。
[0010]本發(fā)明所涉及的電力輸送系統(tǒng)基于由相位差計測計時部、峰值保持電路等電路取得的值來判定用于電力輸送的頻率是否合適，因此根據(jù)本發(fā)明所涉及的電力輸送系統(tǒng)，進行電力輸送時的頻率的決定變得容易并且準確，能量輸送效率提高?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的框圖。
[0012]圖2是表示將本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)應用于車輛充電設(shè)備的例子的圖。
[0013]圖3是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的逆變器電路的圖。
[0014]圖4是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的控制部的構(gòu)成的圖。
[0015]圖5是對本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的相位差計測計時部進行說明的圖。
[0016]圖6是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)中的逆變器驅(qū)動波形與相位差檢測定時的圖。
[0017]圖7是表示送電天線108和受電側(cè)系統(tǒng)200的等效電路的圖。
[0018]圖8是表示等效電路的輸入阻抗特性和綜合效率的圖。
[0019]圖9是對FET (開關(guān)元件)的損耗進行說明的圖。
[0020]圖10是FET (開關(guān)元件)的損耗計算中利用的模型例。
[0021]圖11是表示開關(guān)元件Qa/Qb的驅(qū)動波形、負載電壓V波形和驅(qū)動電流I的波形的詳細時間圖表的圖。
[0022]圖12是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)中的頻率決定處理流程的圖。
[0023]圖13是對存儲規(guī)定頻率中的計時值、峰值和逆變器效率之間的關(guān)系的表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行說明的圖。
[0024]圖14是表示本發(fā)明的其他實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)中的頻率決定處理流程的圖。
【具體實施方式】
[0025]以下，一邊參照附圖一邊對本發(fā)明的實施方式進行說明。圖1是本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的框圖。另外，圖2是表示將本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)應用于車輛充電設(shè)備的例子的圖。圖2是圖1中的(A)的構(gòu)成的具體例。本發(fā)明的電力輸送系統(tǒng)優(yōu)選用于例如對電動車(EV)、混合動力電動車(HEV)等車輛充電所用的系統(tǒng)。因此，以下利用應用于圖2所示那樣的車輛充電設(shè)備的應用例來進行說明。其中，本發(fā)明的電力輸送系統(tǒng)當然也能夠利用于車輛充電設(shè)備以外的電力輸送。
[0026]在本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)中，目的在于從送電側(cè)系統(tǒng)100側(cè)的送電天線108向受電側(cè)系統(tǒng)200側(cè)的受電天線202高效地輸送電力。此時,通過使送電天線108的共振頻率和受電天線202的共振頻率相同，來從送電側(cè)天線對受電側(cè)天線高效地進行能量傳遞。送電天線108由線圈和電容構(gòu)成，構(gòu)成送電天線108的線圈的電感是Lt，電容的電容量是Ct。另外，受電天線202也與送電天線同樣地由線圈和電容構(gòu)成，構(gòu)成受電天線202的線圈的電感是Lx，電容的電容量是Cx。
[0027]在圖2中，在單點劃線的下側(cè)所示的構(gòu)成是送電側(cè)系統(tǒng)100，在本例中為車輛充電設(shè)備。另一方面，在單點劃線的上側(cè)所示的構(gòu)成是受電側(cè)系統(tǒng)200，在本例中為電動車等車輛。上述那樣的送電側(cè)系統(tǒng)100例如成為埋設(shè)在地中部那樣的構(gòu)成，在輸送電力時，在使車輛移動從而使搭載于車輛的受電天線202與在地中埋設(shè)的送電側(cè)系統(tǒng)100的送電天線108位置對準的基礎(chǔ)上，進行電力的發(fā)送和接受。車輛的受電天線202被配設(shè)于車輛的底面部。
[0028]送電側(cè)系統(tǒng)100中的AC / DC變換部104是將輸入的商用電源變換成恒定直流的轉(zhuǎn)換器。來自該AC / DC變換部104的輸出是2系統(tǒng)，一方被輸出到高電壓部105，另一方被輸出到低電壓部109。高電壓部105是生成對逆變器部106供給的高電壓的電路，低電壓部109是生成對控制部110所用的邏輯電路供給的低電壓的電路。另外，由高電壓部105生成的電壓的設(shè)定能夠由控制部110控制。
[0029]逆變器部106根據(jù)從高電壓部105供給的高電壓來生成規(guī)定的交流電壓，并向送電天線108供給。另外，構(gòu)成為從逆變器部106供給至送電天線108的電力的電流分量能夠由電流檢測部107檢測得到。
[0030]對于逆變器部106外圍的構(gòu)成參照圖3更詳細地進行說明。圖3表示本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的逆變器電路的圖。該圖3具體地表示了圖1中的(B)的構(gòu)成。
[0031]逆變器部106如圖3所示，由4個電場效應二極管(FET)構(gòu)成，其中，4個電場效應二極管由以全橋方式連接的Qa至Qd構(gòu)成。
[0032]在本實施方式中，構(gòu)成為串聯(lián)連接的開關(guān)元件Qa和開關(guān)元件Qb之間的連接部Tl、與串聯(lián)連接的開關(guān)元件Qc和開關(guān)元件Qd之間的連接部T2之間連接著送電天線108，如圖6所示那樣，當開關(guān)元件Qa和開關(guān)元件Qd接通時，開關(guān)元件Qb和開關(guān)元件Q。斷開，接著當開關(guān)元件Qb和開關(guān)元件Q。接通時，開關(guān)元件Qa和開關(guān)元件Qd斷開，由此使連接部Tl和連接部T2之間產(chǎn)生矩形波的交流電壓。
[0033]針對上述那樣的構(gòu)成逆變器部106的開關(guān)元件％至％的驅(qū)動信號被從控制部110輸入。
[0034]其中，在本實施方式中，按照將來自額定電壓源的直流電壓作為交流電壓輸出矩形波形的交流電壓的方式進行控制，但是也可以構(gòu)成為不控制電壓而是控制電流。另外，在本實施方式中使逆變器采用全橋構(gòu)成但是采用半橋構(gòu)成，也能夠得到同樣的效果。
[0035]控制部110如后述那樣由微型計算機和邏輯電路等構(gòu)成，進行送電側(cè)系統(tǒng)100的整體控制。振蕩器103對構(gòu)成控制部110的微型計算機和邏輯電路等供給時鐘信號。
[0036]另外，在本發(fā)明所涉及的電力輸送系統(tǒng)中，控制部110選擇電力輸送執(zhí)行時的最佳頻率。此時，該控制部Iio構(gòu)成為一邊使由逆變器部106產(chǎn)生的交流的頻率可變一邊搜尋對于電力輸送最佳的頻率的構(gòu)成。
[0037]更具體而言，控制部110利用逆變器部106產(chǎn)生規(guī)定頻率的交流，利用后述的相位差計測計時部115對所述開關(guān)元件接通的時刻和由電流檢測部107檢測到電流零點的時刻之間的差值的時間進行計測。另外，利用峰值保持電路120來取得電流的峰值Ip。
[0038]而且，基于由相位差計測計時部115計測到的計時時間tm以及電流的峰值Ip，來計算逆變器效率(Effect)。該計算方法在后詳細說明。
[0039]控制部110 —邊變更逆變器部106的驅(qū)動頻率一邊算出逆變器效率(Effect)，將提供最大的逆變器效率(Effect)的頻率決定為電力輸送最佳的頻率。對于控制部110決定電力輸送頻率將在后面更為詳細地進行說明。[0040]另外，在如上述那樣決定了用于電力輸送的頻率后，以該頻率來驅(qū)動逆變器部106，將從逆變器部106輸出的電力投入送電天線108。送電天線108由具有電感分量Lt的線圈和具有電容量分量Ct的電容器構(gòu)成，通過與按照對置的方式配置的車輛搭載的受電天線202共振，能夠?qū)乃碗娞炀€108輸出的電能送給受電天線202。
[0041]接著，對在車輛側(cè)設(shè)直的受電側(cè)系統(tǒng)200進彳丁說明。在受電側(cè)系統(tǒng)200中，受電天線202通過與送電天線108共振來接受從送電天線108輸出的電能。受電天線202也與送電側(cè)的天線部同樣地，構(gòu)成為包含具有電感分量Lx的線圈和具有電容量分量Cx的電容器。
[0042]由受電天線202接受的矩形波的交流電力在整流部203中被整流，整流后的電力通過充電控制部204被蓄積到電池205中。充電控制部204基于來自未圖示的受電側(cè)系統(tǒng)200主控制部的指令來對電池205的蓄電進行控制。
[0043]接著，對于送電側(cè)系統(tǒng)100中利用控制部110來執(zhí)行電力輸送時的頻率的決定處理更詳細地進行說明。圖4是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的控制部110的構(gòu)成的圖。如圖4所示，由被安裝在逆變器部106和送電天線108之間、對從逆變器部106向送電天線108供給的電流進行檢測的電流檢測部107檢測到的電流值被輸入控制部110。
[0044]從電流檢測部107輸入的電流檢測值通過交流耦合111除去直流分量而被輸入比較器112的一個輸入端。比較器112的另一個輸入端接地，由此當電流檢測部107的檢測電流零點時，從比較器112輸出信號(零點交叉信號)。該零點交叉信號(Zero)被輸入相位差計測計時部115。
[0045]控制部110中的逆變器定時產(chǎn)生部113是產(chǎn)生分別針對開關(guān)元件Qa至Qd的驅(qū)動信號的構(gòu)成，作為一例，向其中的開關(guān)元件Qd的驅(qū)動信號作為PWM信號還被輸入相位差計測計時部115。當然也可以輸入其他3個開關(guān)元件Qa、Qb、Qc中的任一個驅(qū)動信號。
[0046]另外，從控制部110中的微型計算機117對相位差計測計時部115輸入Phase信號以及T-Reset信號。相反，相位差計測計時部115計測出的計時值被發(fā)送給微型計算機117 側(cè)。
[0047]另外，由電流檢測部107檢測到的電流值的峰值Ip由峰值保持電路120取得/保持。關(guān)于由該峰值保持電路120保持的峰值，被輸入微型計算機117。
[0048]圖5是對本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的相位差計測計時部115進行說明的圖，圖5 (A)是表示相位差計測計時部115的電路構(gòu)成例的圖，圖5 (B)是表示相位差計測計時部115的各構(gòu)成的動作定時的圖。如圖5 (B)所示那樣，圖5 (A)所示的電路按照以下方式進行動作。
[0049]相位差計測計時部115當檢測到PWM信號時，在下一個時鐘脈沖將Enable (使能)信號設(shè)為高電平(true) (H)，開始計數(shù)器中的計時的計數(shù)。當在開始了計時的計數(shù)后檢測到零點交叉信號(Zero)的下降沿時，在下一個時鐘脈沖使Enable信號為低電平(false)(L)，中止計數(shù)器的計數(shù)。如果Enable信號變成低電平(L)，則例如在微型計算機117中產(chǎn)生中斷(未圖示)，在所述中斷產(chǎn)生的時刻該計數(shù)器得到的計數(shù)值作為計時值由微型計算機117讀出即可。然而之后使T-Reset信號有效(assert)，將計數(shù)器值重置成零并將Phase信號設(shè)為低電平。
[0050]對于以上那樣的由相位差計測計時部115計數(shù)得到的計時值tm參照圖6進行說明。圖6是表示本發(fā)明的實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)中的逆變器驅(qū)動波形和相位差檢測定時的圖。本實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)的相位差計測計時部115對開關(guān)元件接通的時刻和由電流檢測部第二次檢測到電流零點的時刻之間的差值的時間進行計測。即，相位差計測計時部115在圖6所示的情況下，對正好由tm所示的時間進行計數(shù)作為計時值輸出。
[0051]在本實施方式中以利用計數(shù)器進行計時計測的例子進行了說明，但是也可以構(gòu)成為根據(jù)PWM信號生成三角波，將所述三角波輸入積分電路，在Enable信號是能動的期間執(zhí)行積分運算，將計時值變換成電壓信號來進行檢測(未圖示)。
[0052]接著，對于以上那樣的檢測時間tm并基于其來判定對于電力輸送而言是否為最佳頻率進行說明。首先，對于圖7所示的送電天線108和受電天線202的等效電路進行討論。
[0053]在圖7中，送電天線108由具有電感分量Lt的線圈和具有電容量分量Ct的電容構(gòu)成。另外，Rt是送電天線108的電阻分量。
[0054]受電天線202由具有電感分量Lx的線圈和具有電容量分量Cx的電容構(gòu)成。Rx是受電天線202的電阻分量。
[0055]另外，將送電天線108與受電天線202之間的激發(fā)性耦合的耦合系數(shù)設(shè)為K，另外將送電天線108與受電天線202之間的容量性耦合分量設(shè)為Cs。RL表示受電天線202以后的全部負載分量。
[0056]圖8 (A)表示基于以上那樣的送電天線108以及受電天線202的等效電路通過模擬來求出的阻抗特性。另一方面，圖8 (B)表示還包含圖1所示那樣的逆變器電路106的綜合電力輸送效率。圖8 (A)的橫軸和圖8 (B)的橫軸均表示頻率，刻度相同。
[0057]在圖8中，頻率f\、f2是給予阻抗極小點的頻率，頻率&是給予綜合效率極大點的頻率。在本實施方式所涉及的電力輸送系統(tǒng)中，即使以阻抗極小的頻率f\、f2來進行了電力輸送，在綜合效率方面也是不利的，因此使得利用頻率&來進行電力輸送。
[0058]接著，對于以上那樣根據(jù)頻率&使綜合電力輸送效率極大的理由進行說明。圖9是對開關(guān)元件即FET的損耗進行說明的圖。在以下的說明中，基于構(gòu)成逆變器部106的開關(guān)元件中的Qa和Qd接通的半周期的量的定時來進行了說明，但是對于開關(guān)元件Qb和Qc接通的半周期的量也可以同樣考慮。
[0059]圖9 (A)是示意性地表示開關(guān)元件Qa的源極輸出部的電壓/電流舉動的圖，圖9(B)是示意性地表示開關(guān)元件Qd的漏極輸入部的電壓/電流舉動的圖，圖9 (C)是表示開關(guān)兀件Qa和Qd接通的定時的圖。在圖9 (C)中表不開關(guān)兀件Qa和Qd接通時流動的驅(qū)動電流I (t)、以及施加給負載的負載電壓V (t)。
[0060]在圖9 (A)以及圖9 (B)這雙方中，tl表示開關(guān)元件產(chǎn)生開通(turn-on)損耗的期間，t2表示開關(guān)元件產(chǎn)生接通損耗的期間，t3表示開關(guān)元件產(chǎn)生關(guān)斷(turn-off)損耗的期間。在討論了電力輸送系統(tǒng)的綜合效率的基礎(chǔ)上，不僅天線間的阻抗特性，針對與這種開關(guān)元件相關(guān)的損失(loss)的研究也是重要的。
[0061]根據(jù)發(fā)明人的見解，之前的頻率&是逆變器效率最高的點，因此在本發(fā)明所涉及的電力輸送系統(tǒng)中，利用使逆變器效率為最大的頻率fo來進行電力輸送。因此，首先嘗試著基于FET (開關(guān)元件)的損耗模型來計算逆變器效率(Effect)。
[0062]圖10是FET (開關(guān)元件)的損耗計算中利用的模型例。圖10表示開關(guān)元件％以及開關(guān)元件Qd均接通時的模型。在開關(guān)元件Qb以及開關(guān)元件Qc均接通的定時也可以與其同樣的考慮，因此以下，在圖10的情況中代表性地進行模型化。
[0063]另外，圖11是表示圖10的模型中的開關(guān)元件Qa的驅(qū)動波形以及Qb的驅(qū)動波形、負載電壓V (t)波形和驅(qū)動電流I (t)的波形的詳細時間圖表的圖。在圖11中，T表示驅(qū)動周期，Tdead表示空載時間(deadtime), 表示FET導通延遲時間，仁表示FET輸出電壓上升時間，tdf表示FET截止延遲時間，tf表示FET輸出電壓下降時間，乜表示由相位差計測計時部115計數(shù)得到的計時值。這些時間中除了 tm以外均能夠作為已知量來進行處理。
[0064]在此，在開關(guān)元件的接通斷開控制中，串聯(lián)連接的(例如開關(guān)元件％以及開關(guān)元件Qb)同時導通而流過過大電流，為了使元件不會損壞，設(shè)置空載時間Tdead。該空載時間Tdead是依賴于開關(guān)元件的特性而任意地設(shè)定的值。
[0065]如圖10所示，假定開關(guān)元件％的源極漏極間的電阻是Rds，以及開關(guān)元件Qd的源極漏極間的電阻是Rds。如果將由高電壓部105施加給逆變器部106的電壓作為V。，則施加給負載(送電天線108的電感Lt以及電容量Ct)的電壓變成V (t) = VO — 2.I (t).Rds。因此，送電天線108的負載電力Pin能夠以下式(I)表示。
[0066][數(shù)式I]
【權(quán)利要求】
1.一種電力輸送系統(tǒng),其特征在于,具有: 將直流電壓變換成規(guī)定的頻率的交流電壓并進行輸出的開關(guān)元件； 被輸入所述輸出的交流電壓的送電天線部； 對在所述送電天線部中流動的電流進行檢測的電流檢測部； 取得由所述電流檢測部檢測到的電流的峰值的峰值保持部； 對所述開關(guān)元件接通的時刻和由所述電流檢測部檢測到電流零點的時刻之間的差值的計時值進行計測的計時部； 基于由所述峰值保持部取得的峰值和由所述計時部計測到的計時值來決定所述頻率的頻率決定部；以及 基于由所述頻率決定部決定的頻率來驅(qū)動所述開關(guān)元件從而進行電力輸送的控制部。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力輸送系統(tǒng),其中， 所述頻率決定部通過算出所述開關(guān)元件的效率來決定所述頻率。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力輸送系統(tǒng),其中， 所述頻率決定部通過參照規(guī)定的表來決定所述頻率。
【文檔編號】H02J17/00GK103477535SQ201280015934
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2012年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2011年3月30日
【發(fā)明者】伊藤泰雄, 山川博幸 申請人:株式會社愛考斯研究