DE112018002813T5

DE112018002813T5 - Kontaktlose energieversorgungsvorrichtung und verfahren zum anomalen stoppen

Info

Publication number: DE112018002813T5
Application number: DE112018002813.5T
Authority: DE
Inventors: Goro Nakao; Yusuke Kawai; Toshiyuki Zaitsu; Atsushi Nomura
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2018-05-25
Publication date: 2020-02-13
Also published as: JP2018207764A; WO2018221428A8; US11190058B2; US20210143676A1; JP6399244B1; CN110546855B; WO2018221428A1; CN110546855A

Abstract

Eine Energieempfangsvorrichtung 3 einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 weist auf: eine Resonanzschaltung 20, die eine Empfangsspule 21 zum Empfangen einer Energie von einer Energieübertragungsvorrichtung 2 aufweist; und eine Gleichrichterschaltung 24 zum Gleichrichten einer von der Resonanzschaltung 20 ausgegebenen Energie. Die Energieübertragungsvorrichtung 2 weist auf: eine Übertragungsspule 14 zum Zuführen von Energie zu der Energieempfangsvorrichtung 3; eine Energieversorgungsschaltung 10 zum Zuführen von Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz zu der Energieübertragungsspule 14; und eine Steuerschaltung 17, die die Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung 10 zu der Übertragungsspule 14 stoppt, wenn die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt, selbst wenn die Schaltfrequenz über einen vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird.

Description

GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung und ein Verfahren zum anomalen Stoppen in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung.
STAND DER TECHNIK
Bislang wurden herkömmlicherweise Technologien zum Übertragen von elektrischer Energie durch Raum ohne die Verwendung von Metallkontakten oder dergleichen oder sogenannte kontaktlose Energieversorgungstechnologien (auch drahtlose Energieversorgungstechnologien genannt) untersucht.
Als eine der kontaktlosen Energieversorgungstechnologien ist ein Verfahren zum Zuführen von Energie durch elektromagnetische Induktion bekannt. Bei dem Verfahren zum Zuführen von Energie durch elektromagnetische Induktion wird ein Verfahren von primären in Reihe und sekundären parallel geschalteten Kondensatoren (hiernach als SP-Verfahren bezeichnet) verwendet (siehe zum Beispiel NPL 1). Gemäß dem SP-Verfahren ist ein Kondensator mit einer Übertragungsspule, welche als ein Teil eines Transformators auf der Primärseite (Energieübertragungsseite) dient, in Reihe geschaltet und ein Kondensator zu einer Empfangsspule, die als anderer Teil des Transformators auf der Sekundärseite (Energieempfangsseite) dient, parallel geschaltet.
Bei dem SP-Verfahren ist die Ausgabe von der Resonanzschaltung, da die Resonanzschaltung, welche durch die Empfangsspule und den Kondensator auf der Energieempfangsseite gebildet ist, eine parallele Resonanz veranlasst, eine Konstantstromausgabe. Daher ist es im Allgemeinen bei dem SP-Verfahren schwieriger eine Steuerung durchzuführen als in einem Verfahren von primären in Reihe und sekundären in Reihe geschalteten Kondensatoren (hiernach als SS-Verfahren bezeichnet), bei dem eine Ausgabe auf der Energieempfangsseite eine Konstantspannungsausgabe ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass elektronische Geräte im Allgemeinen durch konstante Spannung gesteuert werden.
Zudem wurde eine Technik zum, bei dem SP-Verfahren, Anordnen einer Drosselspule, die mit der Spule in der Resonanzschaltung in Reihe geschaltet ist, auf der Energieempfangsseite vorgeschlagen (siehe zum Beispiel NPL 1 und PTL 1). Man beachte, dass das Verfahren, welches eine derartige Technik verwendet, manchmal als SPL-Verfahren bezeichnet wird. Das Verfahren wird auch hierin als SPL-Verfahren bezeichnet.
In derartigen verschiedenen Typen von kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtungen dringt manchmal ein Fremdkörper aus Metall versehentlich zwischen der Übertragungsspule auf der Energieübertragungsseite und der Empfangsspule auf der Energieempfangsseite ein. In einem derartigen Fall wird der Fremdkörper durch Induktionsheizen während einer Energieübertragung erwärmt, infolgedessen eine Fehlfunktion, wie etwa ein Zünden des Fremdkörpers oder ein Auftreten einer Verformung der Abdeckung der Vorrichtung, auftreten kann. Daher wurde eine Technik zum Erfassen eines Fremdkörpers aus Metall, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, vorgeschlagen (siehe zum Beispiel NPL 2).
[LISTE DER DOKUMENTE]
[PATENTLITERATUR]
[PTL 1] Japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2015-42051
[NICHT-P A TENTLITERA TUR]

[NPL 1] Watanabe et al., „Bidirectional Contactless Power Transfer System expandable from Unidirectional Systems“, The transactions of the Institute of Electrical Engineers of Japan. D, IEEJ Transactions on Industry Applications, Vol.133, Nr.7, S.707-713, 2013
[NPL 2] Komasaki et al., „Methods for Detecting Foreign Metallic Materials in the Air Gap of Contactless Battery Charger for Electric Vehicles“, IEE-Japan Industry Applications Society Conference, 2012

KURZFASSUNG
[TECHNISCHE AUFGABE]
In NPL 2 werden als Fremdkörper-Erfassungsverfahren drei Verfahren vorgeschlagen, nämlich (I) ein Verfahren zum Vergleichen einer Transformatoreffizienz, die aus einem Spannungsverhältnis zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule geschätzt wird, mit einer tatsächlichen Effizienz, (II) ein Verfahren zum Vergleichen von Stromwerten, wenn eine konstante Spannung an die Übertragungsspule in einem Zustand angelegt ist, in dem die Vorrichtung auf der Energieempfangsseite entfernt ist, und (III) ein Verfahren zum Abtasten eines Übertragungsverlusts in einem festgelegten Zeitraum und Vergleichen von abgetasteten Übertragungsverlustwerten. Aus den drei Verfahren sind die Verfahren (1) und (II) Verfahren zum Erfassen eines Fremdkörpers, der vor einem Starten einer Energieübertragung eingedrungen ist, und das Verfahren (III) ist ein Verfahren zum Erfassen eines Fremdkörpers, der während einer Energieübertragung eingedrungen ist. Die Verfahren basieren jedoch auf der Annahme, dass sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule nicht verändert, und daher ist es, wenn sich der Kopplungskoeffizient während einer Energieübertragung zum Beispiel aufgrund einer Veränderung der relativen Positionsbeziehung zwischen der Vorrichtung auf der Energieübertragungsseite und der Vorrichtung auf der Energieempfangsseite verändert, unmöglich dazwischen zu unterscheiden, ob ein Fremdkörper eingedrungen ist oder sich der Kopplungskoeffizient verändert hat.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung bereitzustellen, die in der Lage ist, zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund eines Fremdkörpers, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, auftritt, selbst wenn sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule der Vorrichtung auf der Energieübertragungsseite und der Empfangsspule der Vorrichtung auf der Energieempfangsseite verändert.
[LÖSUNG DER AUFGABE]
Als eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Energieübertragungsvorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung, an welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung ohne Kontakt übertragen wird, aufweist. In der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung weist die Energieempfangsvorrichtung eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule, welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung empfängt, aufweist und eine Gleichrichterschaltung, die eine von der Resonanzschaltung ausgegebene Energie gleichrichtet, auf und die Energieübertragungsvorrichtung weist eine Übertragungsspule, die der Energieempfangsvorrichtung Energie zuführt, eine Energieversorgungsschaltung, die der Übertragungsspule Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz zuführt, und eine Steuerschaltung, die eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule stoppt, wenn die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt, selbst wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, über einen vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird, auf.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage, zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund eines Fremdkörpers, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, auftritt, selbst wenn sich ein Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule der Vorrichtung auf der Energieübertragungsseite und der Empfangsspule der Vorrichtung auf der Energieempfangsseite verändert.
In der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung weist die Energieempfangsvorrichtung vorzugsweise ferner eine Spule, die zwischen der Resonanzschaltung und der Gleichrichterschaltung mit der Empfangsspule in Reihe geschaltet ist, auf und die Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung weist vorzugsweise ferner einen Resonanzkondensator, der zu der Empfangsspule parallel geschaltet ist, auf und die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung steuert vorzugsweise die Energieversorgungsschaltung in einer derartigen Weise, dass der Übertragungsspule Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz, bei der die Übertragungsspule nicht resoniert, zugeführt wird.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration kann die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung darauf basierend, ob der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird oder nicht, bestimmen, ob ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist oder nicht, wobei die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage ist, genau zu bestimmen, ob ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist oder nicht.
Alternativ weist in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung die Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung vorzugsweise ferner einen Resonanzkondensator, der mit der Empfangsspule in Reihe geschaltet ist, auf.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration kann die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung darauf basierend, ob der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird oder nicht, bestimmen, ob ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist oder nicht, wobei die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage ist, genau zu bestimmen, ob ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist oder nicht.
In der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung weist die Energieempfangsvorrichtung vorzugsweise ferner eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung einer von der Resonanzschaltung ausgegebenen Energie misst und einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung erhält, eine Konstantspannung-Bestimmungsschaltung, die, basierend auf einem gemessenen Wert der Ausgangsspannung, bestimmt, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht und ob ein gemessener Wert der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht, und einen Sender, der an die Energieübertragungsvorrichtung ein Signal überträgt, welches Bestimmungsinformationen aufweist, die angeben, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht und ob ein gemessener Wert der Ausgangsspannung innerhalb des vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht, auf. Andererseits weist die Energieübertragungsvorrichtung vorzugsweise ferner einen Empfänger auf, der das Signal empfängt, welches die Bestimmungsinformationen aufweist, und die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung stoppt vorzugsweise eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule, wenn die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung die Bestimmungsinformationen nicht empfängt, die angeben, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, selbst wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, über den vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage, sicher zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund eines Fremdkörpers, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, auftritt.
In diesem Fall berechnet die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung der Energieempfangsvorrichtung vorzugsweise einen Veränderungsbetrag gemessener Werte der Ausgangsspannung während eines Ablaufs eines vorbestimmten Zeitraums und der Sender der Energieempfangsvorrichtung bezieht vorzugsweise den Veränderungsbetrag gemessener Werte der Ausgangsspannung in die Bestimmungsinformationen ein. Wenn der Veränderungsbetrag gemessener Werte der Ausgangsspannung, welcher in den Bestimmungsinformationen enthalten ist, angibt, dass die gemessenen Werte der Ausgangsspannung ansteigen, wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, in einer derartigen Weise verändert wird, dass sie um einen vorbestimmten Betrag erhöht wird, stoppt die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung vorzugsweise eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage, sicher zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund eines Fremdkörpers, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, auftritt.
Zudem bestimmt in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, wenn gemessene Werte der Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant werden, selbst wenn ein Widerstandswert einer Schaltung, die mit der Resonanzschaltung verbunden ist, verändert wird, die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung der Energieempfangsvorrichtung vorzugsweise, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage, genau zu bestimmen, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht, wenn kein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist.
Alternativ weist in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung die Energieübertragungsvorrichtung vorzugsweise ferner eine Stromerfassungsschaltung, die Strom, welcher durch die Übertragungsspule fließt, misst und einen gemessenen Wert des Stroms erhält, auf und die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung überwacht vorzugsweise gemessene Werte des Stroms, während sie die Schaltfrequenz über den vorbestimmten Frequenzbereich verändert, und bestimmt dadurch, ob eine Schaltfrequenz, bei der gemessene Werte des Stroms ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird oder nicht, und stoppt eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule, wenn keine Schaltfrequenz, bei der gemessene Werte des Stroms ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in der Lage, sicher zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund eines Fremdkörpers, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, auftritt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum anomalen Stoppen in einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung bereitgestellt, die eine Energieübertragungsvorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung, an welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung ohne Kontakt übertragen wird, aufweist. Bei dem Verfahren zum anomalen Stoppen weist die Energieempfangsvorrichtung der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule, welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung empfängt, aufweist, eine Gleichrichterschaltung, die eine von der Resonanzschaltung ausgegebene Energie gleichrichtet, und eine Spule, die zwischen der Resonanzschaltung und der Gleichrichterschaltung mit der Empfangsspule in Reihe geschaltet ist, auf und die Energieübertragungsvorrichtung weist eine Übertragungsspule, die der Energieempfangsvorrichtung Energie zuführt, und eine Energieversorgungsschaltung, die der Übertragungsspule Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz zuführt, auf. Das Verfahren zum anomalen Stoppen umfasst einen Schritt zum Verändern der Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, über einen vorbestimmten Frequenzbereich und einen Schritt zum Stoppen einer Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule, wenn die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt, selbst wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie über den vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird.
Vor dem Hintergrund einer derartigen Konfiguration ist das Verfahren zum anomalen Stoppen in der Lage, zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund eines Fremdkörpers, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, auftritt, selbst wenn sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule der Vorrichtung auf der Energieübertragungsseite und der Empfangsspule der Vorrichtung auf der Energieempfangsseite verändert.
Figurenliste

1 ist ein Ersatzschaltbild einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem SPL-Verfahren.
2 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren veranschaulicht.
3 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht.
4A ist ein Diagramm, welches ein weiteres Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht.
4B ist ein weiteres Diagramm, welches das weitere Beispiel für die Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht.
5 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht.
7 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung, wenn eine Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, gemäß einem Kopplungskoeffizienten in der in 6 veranschaulichten Simulation verändert wird, veranschaulicht.
8 ist ein Vorgangsflussdiagramm einer Verarbeitung eines anomalen Stoppens.
9 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht.
10 ist ein Vorgangsflussdiagramm einer Verarbeitung eines anomalen Stoppens gemäß einer Abwandlung.
11 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung, wenn eine Spannung, welche an eine Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten in der in 2 veranschaulichten Simulation, welche sich auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren bezieht, verändert wird, veranschaulicht.
12 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung, wenn die Spannung, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers in der in 11 veranschaulichten Simulation verändert wird, veranschaulicht.
13 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung, wenn eine Spannung, welche an eine Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten in Bezug auf eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SL-Verfahren verändert wird, veranschaulicht.
14 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung, wenn die Spannung, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers in der in 13 veranschaulichten Simulation verändert wird, veranschaulicht.
15 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für eine Beziehung zwischen Frequenzgängen der Ausgangsspannung und Frequenzgängen einer Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der in 5 veranschaulichten Ausführungsform veranschaulicht.
16 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Abwandlung.
17 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer weiteren Abwandlung.
18 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung, wenn eine Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß der in 17 veranschaulichten Abwandlung verändert wird, veranschaulicht.
19 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß der in 17 veranschaulichten Abwandlung zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht.
20A ist ein Schaltbild einer Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Abwandlung.
20B ist ein Schaltbild einer Energieversorgungsschaltung gemäß einer weiteren Abwandlung.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung weist eine Spule, die mit einer Empfangsspule einer Resonanzschaltung auf der Energieempfangsseite in Reihe geschaltet ist, wie bei dem SPL-Verfahren, auf. Im Unterschied zu dem SPL-Verfahren kann die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung jedoch einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung, selbst wenn sich ein Kopplungskoeffizient zwischen einer Übertragungsspule auf der Energieübertragungsseite und der Empfangsspule verändert, durch Zuführen von Wechselstrom-Energie mit einer Frequenz, bei der die Übertragungsspule nicht resoniert, zu der Übertragungsspule und, in Verbindung damit, Einstellen der Frequenz durchführen. Zudem bestimmt, wenn der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht erreicht wird, selbst wenn die Frequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule zugeführt wird, eingestellt wird, die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, und stoppt eine Energieübertragung.
Zum besseren Verständnis der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung wird zuerst eine Beziehung zwischen einem Ausgabevorgang mit konstanter Spannung, welcher durch eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren durchgeführt wird, und einem Eindringen eines Fremdkörpers beschrieben.
1 ist ein Ersatzschaltbild der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren. Es wird angenommen, dass, in einer Ersatzschaltung 100 in dem Schaltbild, eine Übertragungsspule einer Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite mit einer Empfangsspule einer Resonanzschaltung auf der Energieempfangsseite gekoppelt ist, um einen idealen Transformator mit einem Verhältnis von n:1 zu bilden. Cr1 ist eine Kapazität eines Kondensators, welcher mit der Übertragungsspule in der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite in Reihe geschaltet ist. Lr und Lm sind Streuinduktivität bzw. Erregerinduktivität der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite. Man beachte, dass eine Induktivität Lp der Übertragungsspule der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite gleich (Lm + Lr) ist und, wenn angenommen wird, dass ein Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule mit k bezeichnet ist, Lr = (1 - k)Lp und Lm = kLp gelten. Zudem sind Ri und Ris jeweils ein Wicklungswiderstandswert auf der Energieübertragungsseite und ein Wicklungswiderstandswert auf der Energieempfangsseite. Cp ist eine Kapazität eines Kondensators, welcher zu der Empfangsspule in der Resonanzschaltung auf der Energieempfangsseite parallel geschaltet ist. Lop ist eine Induktivität einer Spule, welche mit der Empfangsspule in Reihe geschaltet ist. Rac ist ein Wechselstrom-Ersatzwiderstand einer Lastschaltung und ist, unter Verwendung eines Widerstandswerts Ro der Lastschaltung, als Rac = (8/π²) × Ro ausgedrückt.
Aus der Ersatzschaltung 100 ist eine F-Matrix Fspl(s, k, Rac) der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $F s p l (s, k, R a c) = [\begin{matrix} 1 & R s \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & \frac{1}{s \cdot C r l} \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & s \cdot L r (k) \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & 0 \\ \frac{1}{s \cdot L m (k)} & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & s \cdot L r (k) \\ 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & n^{2} \cdot R i s \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & 0 \\ s \cdot \frac{1}{n^{2}} \cdot C p & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & s \cdot L o p \cdot n^{2} \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & 0 \\ \frac{1}{n^{2} \cdot R a c} & 1 \end{matrix}]$
In der Gleichung oben ist s als s = j2 πf ausgedrückt. Man beachte, dass f die Frequenz einer Wechselstrom-Energie ist, die der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite zugeführt wird. Zudem bezeichnet k einen Kopplungskoeffizienten zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule.
Aus der Definition der F-Matrix ist eine Ausgangsverstärkung Gspl(s, k, Rac) der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $G s p l (s, k, R a c) = \frac{1}{F s p l {(s, k, R a c)}_{0,0}} \cdot \frac{V i n}{2} \cdot \frac{1}{n}$
In der vorangehenden Gleichung ist Vin die Spannung (Amplitude) der Wechselstrom-Energie, welche der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite zugeführt wird, und Fspl(s, k, Rac)_0,0 repräsentiert das obere linke Element der F-Matrix, die durch die Gleichung (1) ausgedrückt ist.
2 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren veranschaulicht, welche gemäß der Gleichung (2) berechnet werden. In 2 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Graph 201 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung aufRac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 202 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Graph 203 repräsentiert auch einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 204 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 205 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung aufRac festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 206 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Man beachte, dass bei dem Beispiel angenommen wird, dass Lp = 174 µH, Cr1 = Cp = 20 nF, Lop = 3Lp, Ri = Ris = 0.04 Ω, n = 1, Vin = 200 V und Ro = 200 Ω (Rac ≅ 162.1 Ω) sind.
Wie in 2 durch Punkte 211 bis 216 veranschaulicht, existieren sechs Kombinationen aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird, selbst wenn sich der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung unter der Bedingung, dass der Kopplungskoeffizient k konstant ist, verändert (d.h. eine Konstantspannungsausgabe wird erhalten, wenn der Kopplungskoeffizient k konstant ist). Aus den Punkten 211 bis 216 sind die Punkte 211 bis 213 auf der Niederfrequenzseite nahe der Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite und werden durch die Resonanz der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite beeinflusst. Andererseits sind die Punkte 214 bis 216 auf der Hochfrequenzseite um einen bestimmten Betrag höher als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite und werden durch die Resonanz der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite leicht beeinflusst. Man beachte, dass, da bei dem SPL-Verfahren die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite im Allgemeinen auch zum Resonieren gebracht wird, der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite notwendigerweise Wechselstrom-Energie mit Frequenzen, wie durch die Punkte 211 bis 213 veranschaulicht, zugeführt wird, um die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung dazu zu bringen, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen.
Es wird nun angenommen, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist. Ein derartiges Eindringen eines Fremdkörpers beeinflusst die Streuinduktivität Lr, den Wicklungswiderstandswert Ri auf der Energieübertragungsseite und den Wicklungswiderstandswert Ris auf der Energieempfangsseite. Zum Beispiel wird angenommen, dass aufgrund des Eindringens eines Fremdkörpers die Streuinduktivität Lr um 50 µH abnimmt und der Wicklungswiderstandswert Ri auf der Energieübertragungsseite und der Wicklungswiderstandswert Ris auf der Energieempfangsseite jeweils um 3 Ω zunehmen. In diesem Fall ist eine F-Matrix Fp5(s, k, Rac) der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $F p 5 (s, k, R a c) = [\begin{matrix} 1 & R i + 3 \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & \frac{1}{s \cdot C r l} \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & s \cdot (L r (k) - 0.00005) \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & 0 \\ \frac{1}{s \cdot L m (k)} & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & s \cdot (L r (k) - 0.00005) \\ 0 & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & n^{2} \cdot (R i s + 3) \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & 0 \\ s \cdot \frac{1}{n^{2}} \cdot C p & 1 \end{matrix}] [\begin{matrix} 1 & s \cdot L o p \cdot n^{2} \\ 0 & 1 \end{matrix}] \cdot [\begin{matrix} 1 & 0 \\ \frac{1}{n^{2} \cdot R a c} & 1 \end{matrix}]$
Daher ist eine Ausgangsverstärkung Gp5(s, k, Rac) zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $G p 5 (s, k, R a c) = \frac{1}{F p 5 {(s, k, R a c)}_{0,0}} \cdot \frac{V i n}{2} \cdot \frac{1}{n}$
In der vorangehenden Gleichung repräsentiert Fp5(s, k, Rac)_0,0 das obere linke Element der F-Matrix, die durch die Gleichung (3) ausgedrückt ist.
3 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht, welche gemäß der Gleichung (4) berechnet werden. In 3 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Graph 301 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung aufRac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 302 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 303, als Vergleichsbeispiel, einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist (d.h. der Frequenzgang wird gemäß der Gleichung (2) berechnet), der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung aufRac festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 304, als weiteres Vergleichsbeispiel, einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Man beachte, dass bei diesem Beispiel als Parameter der jeweiligen Schaltungselemente die gleichen Werte verwendet wurden wie diejenigen der Parameter in der Simulation in 2.
Wie durch Punkte 311 und 312 in 3 veranschaulicht, existieren, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, Frequenzen, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird, selbst wenn sich der Widerstandswert der Lastschaltung verändert. Im Gegensatz dazu existiert, wenn ein Fremdkörper eingedrungen ist, keine Frequenz, bei der die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird, unabhängig von einer Veränderung des Widerstandswerts der Lastschaltung. Zudem, wie durch einen Punkt 313 veranschaulicht, unterscheidet sich eine Frequenz, bei der ein Unterschied in der Ausgangsspannung, wenn sich der Widerstandswert der Lastschaltung verändert, einen minimalen Wert aufweist, von Frequenzen, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, wie durch die Punkte 311 und 312 angegeben.
4A und 4B sind Diagramme, welche ein weiteres Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulichen, welche gemäß der Gleichung (4) berechnet werden. In 4A und 4B ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass 4A Frequenzgänge der Ausgangsspannung in einem Frequenzband veranschaulicht, in dem die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite resoniert, und 4B Frequenzgänge der Ausgangsspannung in einem Frequenzband veranschaulicht, das höher ist als das Frequenzband, in dem die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite resoniert. Graph 401 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 402 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 403, als Vergleichsbeispiel, einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist (d.h. der Frequenzgang wird gemäß der Gleichung (2) berechnet), der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf Rac festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 404, als weiteres Vergleichsbeispiel, einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Man beachte, dass bei diesem Beispiel als Parameter der jeweiligen Schaltungselemente die gleichen Werte verwendet wurden wie diejenigen der Parameter in der Simulation in 2.
Wie durch Punkte 411 und 412 in 4A und 4B veranschaulicht, existieren, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, Frequenzen, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird, selbst wenn sich der Widerstandswert der Lastschaltung verändert. Im Gegensatz dazu existiert, wenn ein Fremdkörper eingedrungen ist, keine Frequenz, bei der die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird, unabhängig von einer Veränderung des Widerstandswerts der Lastschaltung. Zudem, wie durch einen Punkt 413 veranschaulicht, unterscheidet sich eine Frequenz, bei der ein Unterschied in der Ausgangsspannung, wenn sich der Widerstandswert der Lastschaltung verändert, einen minimalen Wert aufweist, von Frequenzen, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, wie durch die Punkte 411 und 412 angegeben.
Wie in 3, 4A und 4B veranschaulicht, ermöglicht es, wenn kein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist und sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule verändert, eine Einstellung der Frequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule zugeführt wird, der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung fortzuführen. Im Gegensatz dazu ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, wenn ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, nicht in der Lage, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen, selbst wenn die Frequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule zugeführt wird, eingestellt wird.
Daher stellt eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, wenn sie nicht in der Lage ist, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung fortzuführen, eine Frequenz einer Wechselstrom-Energie, welche einer Übertragungsspule zugeführt wird, ein und sucht dadurch nach einer Frequenz, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt. Wenn keine Frequenz, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, gefunden wird, bestimmt die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, dass ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und einer Empfangsspule eingedrungen ist, und stoppt eine Energieübertragung. Andererseits bestimmt die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, wenn eine Frequenz, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, gefunden wird, dass sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule verändert hat, und führt eine Energieübertragung bei der Frequenz fort, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt. Diese Konfiguration ermöglicht es der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, einen Fremdkörper zu erfassen, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, selbst wenn sich der Kopplungskoeffizient zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule verändert.
Man beachte, dass, wie hierin verwendet, der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung ein Vorgang ist, in dem die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung in einer derartigen Weise arbeitet, dass eine Ausgangsspannung innerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs (zum Beispiel innerhalb ±10% eines vorbestimmten Spannungsreferenzwerts) gehalten wird, welcher gemäß der Spezifikation einer Lastschaltung, welche mit der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung verbunden ist, und dergleichen bestimmt ist.
5 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie in 5 veranschaulicht, weist eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 eine Energieübertragungsvorrichtung 2 und eine Energieempfangsvorrichtung 3, an welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 durch Raum ohne Kontakt übertragen wird, auf. Die Energieübertragungsvorrichtung 2 weist eine Energieversorgungsschaltung 10, eine Übertragungsspule 14, einen Empfänger 15, Gate-Treiber 16-1 und 16-2 und eine Steuerschaltung 17 auf. Andererseits weist die Energieempfangsvorrichtung 3 eine Resonanzschaltung 20, die eine Empfangsspule 21 und einen Resonanzkondensator 22 aufweist, eine Spule 23, eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, eine Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 und einen Sender 32 auf.
Zuerst wird die Energieübertragungsvorrichtung 2 beschrieben.
Die Energieübertragungsvorrichtung 10 führt der Übertragungsspule 14 Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und einer einstellbaren Spannung zu. Zu diesem Zweck weist die Energieversorgungsschaltung 10 eine Energiequelle 11, eine Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 und vier Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 auf.
Die Energiequelle 11 führt Energie mit einer vorbestimmten pulsierenden Spannung zu. Zu diesem Zweck ist die Energiequelle 11 mit einer kommerziellen Wechselstrom-Energiequelle verbunden und weist eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung auf, um Wechselstrom-Energie, welche durch die Wechselstrom-Energiequelle zugeführt wird, gleichzurichten.
Die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 wandelt die Spannung der von der Energiequelle 11 ausgegebenen Energie in eine Spannung um, welche gemäß einer Steuerung von der Steuerschaltung 17 bestimmt wird, um die umgewandelte Spannung auszugeben. Zu diesem Zweck weist die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zum Beispiel eine Spule L und eine Diode D, die in dieser Reihenfolge von dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle 11 in Reihe geschaltet sind, ein Umschaltelement SW, dessen Drain-Anschluss und Source-Anschluss zwischen der Spule L und der Diode D bzw. mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 verbunden sind und das ein n-Kanal-MOSFET ist, und einen Glättungskondensator C, der zu dem Umschaltelement SW parallel geschaltet ist, wobei die Diode D dazwischen angeordnet ist, auf. Zudem ist der Gate-Anschluss des Umschaltelements SW mit dem Gate-Treiber 16-1 verbunden. Des Weiteren weist die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zwei Widerstände R1 und R2 auf, die zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 in Reihe geschaltet sind. Die Widerstände R1 und R2 sind zwischen der Diode D und dem Glättungskondensator C zu dem Glättungskondensator C parallel geschaltet. Eine Spannung zwischen dem Widerstand R1 und dem Widerstand R2 wird durch die Steuerschaltung 17 als Messung, welche eine Spannungsausgabe von der Diode D repräsentiert, gemessen.
Die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 führt einen Leistungsfaktor-Verbesserungsvorgang durch den Gate-Treiber 16-1 durch, der ein Umschalten des Umschaltelements SW zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand gemäß einem Tastverhältnis steuert, das durch die Steuerschaltung 17 bestimmt wird, und in einer derartigen Weise, dass eine Trajektorie einer Stromwellenformausgabe von der Diode D mit einer Trajektorie von Spannung, welche von der Energiequelle 11 zugeführt wird, übereinstimmt. Je höher das Tastverhältnis, mit dem das Umschaltelement SW eingeschaltet wird, desto höher wird die von der Diode D ausgegebene Spannung.
Die von der Diode D ausgegebene Spannung wird durch den Glättungskondensator C geglättet und der Übertragungsspule 14 über die vier Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 zugeführt.
Man beachte, dass die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 nicht auf die vorangehend beschriebene Konfiguration beschränkt ist und eine andere Konfiguration aufweisen kann, welche in der Lage ist, eine Ausgangsspannung einzustellen, die durch die Steuerschaltung 17 gesteuert wird.
Für die vier Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 können zum Beispiel n-Kanal-MOSFETs verwendet werden. Aus den vier Umschaltelementen 13-1 bis 13-4 sind das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 in Reihe geschaltet. Zudem ist in der vorliegenden Ausführungsform das Umschaltelement 13-1 mit der Seite der positiven Elektrode der Energiequelle 11 verbunden, während das Umschaltelement 13-2 mit der Seite der negativen Elektrode der Energiequelle 11 verbunden ist. Der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-1 ist mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-1 ist mit dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 verbunden. Zudem ist der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit einem Ende der Übertragungsspule 14 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 ist mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 über das Umschaltelement 13-4 verbunden.
Ähnlich sind aus den vier Umschaltelementen 13-1 bis 13-4 das Umschaltelement 13-3 und das Umschaltelement 13-4 zu dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-2 parallel geschaltet und zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 in Reihe geschaltet. Zudem ist das Umschaltelement 13-3 mit der Seite der positiven Elektrode der Energiequelle 11 verbunden, während das Umschaltelement 13-4 mit der Seite der negativen Elektrode der Energiequelle 11 verbunden ist. Der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-3 ist mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-3 ist mit dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-4 verbunden. Zudem ist der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-4 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-3 und der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-4 mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 verbunden.
Zudem sind die Gate-Anschlüsse der Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 mit der Steuerschaltung 17 über den Gate-Treiber 16-2 verbunden. Des Weiteren kann jedes der Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 seinen Gate-Anschluss mit seinem eigenen Source-Anschluss über einen Widerstand verbunden haben, um sicherzustellen, dass das Umschaltelement eingeschaltet wird, wenn die Spannung zum Einschalten des Umschaltelements angelegt wird. Die Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 werden zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand mit einer einstellbaren Schaltfrequenz gemäß einem Steuersignal von der Steuerschaltung 17 umgeschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform werden ein Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 und ein Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 abwechselnd zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand in einer derartigen Weise umgeschaltet, dass das Umschaltelement 13-2 und das Umschaltelement 13-3 ausgeschaltet sind, während das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 eingeschaltet sind und, umgekehrt, dass das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 ausgeschaltet sind, während das Umschaltelement 13-2 und das Umschaltelement 13-3 eingeschaltet sind. Diese Konfiguration veranlasst, dass eine Gleichstrom-Energie, welche von der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zugeführt wird, in eine Wechselstrom-Energie mit der Schaltfrequenz der Umschaltelemente umgewandelt und der Übertragungsspule 14 zugeführt wird.
Die Übertragungsspule 14 überträgt die Wechselstrom-Energie, welche von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, an die Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 durch Raum.
Der Empfänger 15 entnimmt jedes Mal, wenn er ein drahtloses Signal von dem Sender 32 der Energieempfangsvorrichtung 3 empfängt, Bestimmungsinformationen, welche angeben, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht, und dergleichen aus dem drahtlosen Signal und gibt die Bestimmungsinformationen an die Steuerschaltung 17 aus. Zu diesem Zweck weist der Empfänger 15 zum Beispiel eine Antenne zum Empfangen eines drahtlosen Signals und eine Kommunikationsschaltung zum Demodulieren des drahtlosen Signals gemäß einem vorbestimmten Drahtloskommunikationsstandard auf. Man beachte, dass der vorbestimmte Drahtloskommunikationsstandard zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke) sein kann.
Der Gate-Treiber 16-1 empfängt ein Steuersignal zum Umschalten des Umschaltelements SW der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand von der Steuerschaltung 17 und verändert gemäß dem Steuersignal eine Spannung, welche an den Gate-Anschluss der Umschaltelemente SW angelegt wird. Mit anderen Worten legt der Gate-Treiber 16-1 bei Empfang eines Steuersignals zum Einschalten des Umschaltelements SW eine derart relativ hohe Spannung an den Gate-Anschluss des Umschaltelements SW an, dass das Umschaltelement SW eingeschaltet wird. Andererseits legt der Gate-Treiber 16-1 bei Empfang eines Steuersignals zum Ausschalten des Umschaltelements SW eine derart relativ niedrige Spannung an den Gate-Anschluss des Umschaltelements SW an, dass das Umschaltelement SW ausgeschaltet wird. Diese Konfiguration veranlasst den Gate-Treiber 16-1, das Umschaltelement SW der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand zu Zeiten umzuschalten, die durch die Steuerschaltung 17 vorgegeben werden.
Der Gate-Treiber 16-2 empfängt ein Steuersignal zum Umschalten der Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand von der Steuerschaltung 17 und verändert gemäß dem Steuersignal eine Spannung, welche an die Gate-Anschlüsse der Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 angelegt wird. Mit anderen Worten legt der Gate-Treiber 16-2 bei Empfang eines Steuersignals zum Einschalten des Umschaltelements 13-1 und des Umschaltelements 13-4 eine derart relativ hohe Spannung an den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-4 an, dass das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 eingeschaltet werden. Dieser Vorgang veranlasst, dass Strom von der Energiequelle 11 durch das Umschaltelement 13-1, die Übertragungsspule 14 und das Umschaltelement 13-4 fließt. Andererseits legt der Gate-Treiber 16-2 bei Empfang eines Steuersignals zum Ausschalten des Umschaltelements 13-1 und des Umschaltelements 13-4 eine derart relativ niedrige Spannung an den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und den Gate-Anschluss des Umschaltelements 13-4 an, dass das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 ausgeschaltet werden und verhindert wird, dass Strom von der Energiequelle 11 durch das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 fließt. Ähnlich steuert der Gate-Treiber 16-2 eine Spannung, welche an die Gate-Anschlüsse des Umschaltelements 13-2 und des Umschaltelements 13-3 angelegt wird. Daher beginnt Strom, wenn das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-4 ausgeschaltet sind und das Umschaltelement 13-2 und das Umschaltelement 13-3 eingeschaltet sind, von der Energiequelle 11 durch das Umschaltelement 13-3, die Übertragungsspule 14 und das Umschaltelement 13-2 zu fließen.
Die Steuerschaltung 17 weist zum Beispiel eine nichtflüchtige Speicherschaltung und eine flüchtige Speicherschaltung, eine arithmetische Rechenoperationsschaltung und eine Schnittstellenschaltung zur Verbindung mit anderen Schaltungen auf. Jedes Mal, wenn die Steuerschaltung 17 die Bestimmungsinformationen von dem Empfänger 15 empfängt, steuert die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, gemäß den Bestimmungsinformationen.
Zu diesem Zweck steuert die Steuerschaltung 17 in der vorliegenden Ausführungsform die Umschaltelemente 13-1 bis 13-4 in einer derartigen Weise, dass das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 und das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 abwechselnd eingeschaltet werden und dass eine Dauer, für die das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 in dem Ein-Zustand ist, und eine Dauer, für die das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 in dem Ein-Zustand ist, in einem Zeitraum entsprechend der Schaltfrequenz zueinander gleich sind. Man beachte, dass die Steuerschaltung 17, um zu verhindern, dass das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 und das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 gleichzeitig in dem Ein-Zustand sind und die Energiequelle 11 kurzgeschlossen wird, eine Totzeit festlegen kann, während der beide Paare aus Umschaltelementen ausgeschaltet sind, wenn das Paar aus dem Umschaltelement 13-1 und dem Umschaltelement 13-4 und das Paar aus dem Umschaltelement 13-2 und dem Umschaltelement 13-3 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand umgeschaltet werden.
Zudem wählt die Steuerschaltung 17, bezugnehmend auf eine Referenztabelle, von der jeder Eintrag eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz und einem Tastverhältnis angibt, welche einer an die Übertragungsspule 14 angelegten Spannung entspricht, die veranlasst, dass eine konstante Spannung bei der Schaltfrequenz ausgegeben wird und in der Ein/Aus-Steuerung des Umschaltelements SW der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verwendet wird, ein Tastverhältnis entsprechend einer gewünschten Schaltfrequenz aus. Die Steuerschaltung 17 bestimmt Zeiten, zu denen das Umschaltelement SW zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand umgeschaltet wird, auf der Grundlage des Tastverhältnisses und einer Veränderung der Ausgangsspannung von der Diode D der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 und gibt Steuersignale, welche die Zeiten repräsentieren, an den Gate-Treiber 16-1 aus.
Des Weiteren wird, wenn der Empfänger 15 nicht in der Lage ist, ein drahtloses Signal von der Energieempfangsvorrichtung 3 zu empfangen, beurteilt, dass die Energieempfangsvorrichtung 3 nicht an einer Position vorhanden ist, an der es der Energieempfangsvorrichtung 3 möglich ist, eine Energiezufuhr von der Energieübertragungsvorrichtung 2 zu empfangen, d.h., dass sich die Energieempfangsvorrichtung 2 in einem Bereitschaftszustand befindet. Daher kann die Steuerschaltung 17 in diesem Fall das Tastverhältnis für die Ein/Aus-Steuerung des Umschaltelements SW auf 0 festlegen und eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung 10 zu der Übertragungsspule 14 stoppen. Diese Steuerung ermöglicht, einen Energieverlust zu unterdrücken, während die Energieübertragungsvorrichtung 2 im Bereitschaftszustand ist. Zudem, wie später beschrieben wird, legt die Steuerschaltung 17, wenn bestimmt wird, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist, auch das Tastverhältnis für die Ein/Aus-Steuerung des Umschaltelements auf 0 fest und stoppt eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung 10 zu der Übertragungsspule 14.
Man beachte, dass Einzelheiten der Steuerung der Schaltfrequenz und der an die Übertragungsspule 14 angelegten Spannung sowie der Verarbeitung des Stoppens aufgrund eines Fremdkörpers, die durch die Steuerschaltung 17 durchgeführt werden, später beschrieben werden.
Als Nächstes wird die Energieempfangsvorrichtung 3 beschrieben.
Die Resonanzschaltung 20 ist eine LC-Resonanzschaltung, die aus der Empfangsspule 21 und dem Resonanzkondensator 22, welche zueinander parallel geschaltet sind, gebildet ist. Ein Ende der Empfangsspule 21, welche in der Resonanzschaltung 20 enthalten ist, ist mit einem Ende des Resonanzkondensators 22 verbunden und, in Verbindung damit, mit einem Eingangsanschluss der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 über die Spule 23 verbunden. Zudem ist das andere Ende der Empfangsspule 21 mit dem anderen Ende des Resonanzkondensators 22 verbunden und, in Verbindung damit, mit dem anderen Eingangsanschluss der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden.
Die Empfangsspule 21 empfängt Energie von der Übertragungsspule 14 durch Resonieren mit dem Wechselstrom, welcher durch die Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 fließt. Die Empfangsspule 21 gibt die empfangene Energie an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 über den Resonanzkondensator 22 und die Spule 23 aus. Man beachte, dass die Anzahl von Windungen in der Wicklung der Empfangsspule 21 und die Anzahl von Windungen in der Wicklung der Übertragungsspule 14 der Energieübertragungsvorrichtung 2 identisch oder unterschiedlich sein kann.
Der Resonanzkondensator 22 ist an einem Ende mit einem Ende der Empfangsspule 21 und der Spule 23 und an dem anderen Ende mit dem anderen Ende der Empfangsspule 21 und der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden. Der Resonanzkondensator 22 gibt die Energie, welche durch die Empfangsspule 21 empfangen wird, an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 über die Spule 23 aus.
Die Spule 23 ist zwischen die Resonanzschaltung 20 und die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 geschaltet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Spule 23 an einem Ende mit der Empfangsspule 21 und dem Resonanzkondensator 22 der Resonanzschaltung 20 in einer derartigen Weise, dass sie mit der Empfangsspule 21 in Reihe ist, und an dem anderen Ende mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden. Die Spule 23 gibt die Energie, welche von der Resonanzschaltung 20 empfangen wird, an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 aus. Man beachte, dass ein Anordnen der Spule 23, wie bei dem SPL-Verfahren, ermöglicht, harmonische Komponenten der empfangenen Energie zu unterdrücken.
Die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 ist ein Beispiel für eine Gleichrichterschaltung, weist eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 25, welche vier Dioden aufweist, die in einer Brückenschaltung verbunden sind, und einen Glättungskondensator 26 auf, und richtet gleich und glättet die Energie, welche über die Resonanzschaltung 20 und die Spule 23 empfangen wird, um die Energie in Gleichstrom-Energie umzuwandeln. Die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 gibt die Gleichstrom-Energie an die Lastschaltung 27 aus.
Die Spannungserfassungsschaltung 28 erfasst eine Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 in jedem vorbestimmten Zeitraum. Da die Ausgangsspannung zwischen beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 eins zu eins der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20 entspricht, repräsentiert ein gemessener Wert der Ausgangsspannung zwischen den beiden Anschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 indirekt einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung der Resonanzschaltung 20. Für die Spannungserfassungsschaltung 28 kann zum Beispiel eine beliebige von verschiedenen bekannten Spannungserfassungsschaltungen, welche Gleichspannung erfassen können, verwendet werden. Die Spannungserfassungsschaltung 28 gibt ein Spannungserfassungssignal, welches einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung repräsentiert, an die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 aus.
Die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 bestimmt, auf der Grundlage des gemessenen Werts der Ausgangsspannung, welcher von der Spannungserfassungsschaltung 28 empfangen wird, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht und ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht, wenn der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird. Die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 benachrichtigt den Sender 32 über ein Ergebnis der Bestimmung. Zu diesem Zweck weist die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 zum Beispiel eine Speicherschaltung, welche eingerichtet ist, um einen zulässigen Spannungsbereich zu speichern, und eine Bestimmungsschaltung 30, welche eine arithmetische Rechenoperationsschaltung aufweist, die eingerichtet ist, um einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung mit dem zulässigen Spannungsbereich zu vergleichen, auf.
Des Weiteren weist die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 ein Umschaltelement 31, wie etwa einen MOSFET, auf, welches zwischen die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 und die Lastschaltung 27 geschaltet ist. Das Umschaltelement 31 verhindert, wenn es ausgeschaltet ist, dass Strom von der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 zu der Lastschaltung 27 fließt (d.h. Rac = oo), während das Umschaltelement 31 ermöglicht, wenn es eingeschaltet ist, dass Strom von der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 zu der Lastschaltung 27 fließt. Die Bestimmungsschaltung 30 der Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 schaltet das Umschaltelement 31 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand in einem vorbestimmten Zeitraum um, während gemessene Werte der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen. Dieser Vorgang führt dazu, dass sich der Widerstandswert der gesamten Schaltung, welche die Lastschaltung 27 aufweist, die mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 verbunden ist, in dem vorbestimmten Zeitraum verändert. Daher ist die Bestimmungsschaltung 30 in der Lage zu bestimmen, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht, durch Bestimmen, ob die gemessenen Werte der Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant werden oder nicht, während das Umschaltelement 31 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand umgeschaltet wird. Daher benachrichtigt die Bestimmungsschaltung 30, während gemessene Werte der Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant sind, selbst wenn die Bestimmungsschaltung 30 das Umschaltelement 31 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand in einem vorbestimmten Zeitraum umschaltet, den Sender 32 darüber, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt.
Zudem setzt die Bestimmungsschaltung 30, wenn gemessene Werte der Ausgangsspannung angegeben, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung für eine gewisse Dauer, welche länger ist als der vorbestimmte Zeitraum, durchführt, das Umschalten des Umschaltelements 31 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand aus und hält das Umschaltelement 31 in dem Ein-Zustand. Die Bestimmungsschaltung 30 bestimmt, ob der gemessene Wert der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht, und benachrichtigt den Sender 32 über ein Ergebnis der Bestimmung.
Wenn die gemessenen Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs für eine gewisse Dauer, welche länger ist als der vorbestimmte Zeitraum, liegen, benachrichtigt die Bestimmungsschaltung 30 den Sender 32 über ein Bestimmungsergebnis, welches angibt, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt und die gemessenen Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen.
Man beachte, dass die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 gemäß einer Abwandlung einen Widerstand aufweisen kann, der mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 parallel zu der Lastschaltung 27 verbunden ist. In diesem Fall kann das Umschaltelement 31 in einer derartigen Weise angeordnet sein, dass es mit dem Widerstand in Reihe und zu der Lastschaltung 27 parallel ist. In diesem Fall schaltet die Bestimmungsschaltung 30 das Umschaltelement 31 aus, während gemessene Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen. Andererseits kann die Bestimmungsschaltung 30, wenn ein gemessener Wert der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform, das Umschaltelement 31 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand in dem vorbestimmten Zeitraum umschalten. Gemäß der Abwandlung wird die Energiezufuhr zu der Lastschaltung 27 aufrechterhalten, selbst wenn die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt.
Des Weiteren kann ein zweites Umschaltelement, wie etwa ein MOSFET, gemäß einer weiteren Abwandlung parallel zu dem vorangehend beschriebenen Widerstand und in Reihe mit der Lastschaltung 27 angeordnet sein. In diesem Fall schaltet die Bestimmungsschaltung 30, während gemessene Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen, das zweite Umschaltelement ein und ermöglicht dadurch eine Energiezufuhr zu der Lastschaltung 27. Andererseits kann die Bestimmungsschaltung 30, wenn ein gemessener Wert der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, das zweite Umschaltelement ausschalten und die Energiezufuhr zu der Lastschaltung 27 aussetzen. Selbst wenn eine Spannung empfangener Energie auf einen übermäßig hohen Pegel angestiegen ist, während die Schaltfrequenz in der Energieübertragungsvorrichtung 2 eingestellt wird, verhindert diese Konfiguration, dass die übermäßig hohe Spannung an die Lastschaltung 27 angelegt wird.
Der Sender 32 erzeugt in jedem vorbestimmten Übertragungszeitraum ein drahtloses Signal, welches Bestimmungsinformationen aufweist, die angeben, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht und ob gemessene Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen oder nicht, auf der Grundlage eines Bestimmungsergebnisses, welches von der Bestimmungsschaltung 30 der Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 empfangen wird, und überträgt das drahtlose Signal an den Empfänger 15 der Energieübertragungsvorrichtung 2. Zu diesem Zweck weist der Sender 32 zum Beispiel eine Kommunikationsschaltung, die ein drahtloses Signal gemäß einem vorbestimmten Drahtloskommunikationsstandard erzeugt, und eine Antenne zum Ausgeben des drahtlosen Signals auf. Man beachte, dass, wie bei dem Empfänger 15, der vorbestimmte Drahtloskommunikationsstandard zum Beispiel ISO/IEC 15693, ZigBee (eingetragene Marke) oder Bluetooth (eingetragene Marke) sein kann.
Ein Vorgang der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 wird im Folgenden im Detail beschrieben.
In der vorliegenden Ausführungsform steuert die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 die Schaltfrequenz und die Spannung einer Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, auf der Grundlage von Bestimmungsinformationen, welche von dem Empfänger 15 empfangen werden, in einer derartigen Weise, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung fortführt.
Die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung der vorliegenden Ausführungsform unterscheidet sich von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren dahingehend, dass eine Resonanz der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite nicht verwendet wird. Daher ähnelt der Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 dem Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren, wenn in der Ersatzschaltung in 1 die Kapazität Cr1 des Kondensators, der mit der Übertragungsspule in der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite in Reihe geschaltet ist, erhöht wird und die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite dadurch gesenkt wird, um zu verhindern, dass die Resonanz der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite die Energiezufuhr beeinflusst.
6 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Ausführungsform veranschaulicht. In 6 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass bei der Simulation die gleichen Werte wie die Werte von Parametern der jeweiligen Schaltungselemente, welche bei der in 2 veranschaulichten Simulation verwendet wurden, verwendet wurden. Graph 601 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 602 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 603 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 604 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 605 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 606 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist.
In 6 sind, da die Übertragungsspule 14 nicht resoniert, extreme Werte der Ausgangsspannung auf der Niederfrequenzseite im Vergleich zu 2 in dem in 6 veranschaulichten Frequenzbereich verschwunden. Selbst in diesem Fall existiert jedoch für jeden Kopplungskoeffizienten eine Kombination aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung, bei der die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird (d.h. es wird eine konstante Spannung ausgegeben), selbst wenn sich der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 unter der Bedingung, dass sich der Kopplungskoeffizient k nicht verändert, verändert (es gibt drei Kombinationen, welche in der Figur durch Punkte 611 bis 613 veranschaulicht sind). Daher geht hervor, dass, selbst wenn eine Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz, bei der die Übertragungsspule 14 nicht resoniert, an die Übertragungsspule 14 angelegt wird, es möglich ist, die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 dazu zu bringen, den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung entgegen einer Veränderung des Widerstandswerts der Lastschaltung 27 durchzuführen. Des Weiteren können die Unterschiede in den Ausgangsspannungen, obwohl, wie durch die Punkte 611 bis 613 veranschaulicht, sich Ausgangsspannungen voneinander in Abhängigkeit von dem Kopplungskoeffizienten unterscheiden, wenn eine konstante Spannung entgegen einer Abweichung des Widerstandswerts der Lastschaltung 27 ausgegeben wird, unabhängig von dem Kopplungskoeffizienten auf eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung durch Einstellen einer an die Übertragungsspule 14 angelegten Spannung reduziert werden.
7 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung, wenn die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten in der in 6 veranschaulichten Simulation verändert wird, veranschaulicht. In 7 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Graph 701 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 702 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 703 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,47*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 704 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,47*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 705 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,19*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 706 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,19*Vin) festgelegt ist.
Kombinationen aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung, die den in 6 veranschaulichten Punkten 611 bis 613 entsprechen und bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird (d.h. es wird eine konstante Spannung ausgegeben), selbst wenn sich der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 unter der Bedingung, dass sich der Kopplungskoeffizient k nicht verändert, verändert, sind drei Kombinationen, welche durch Punkte 711 bis 713 angegeben sind. Die Ausgangsspannungen bei den jeweiligen Punkten 711 bis 713 sind im Wesentlichen gleich zueinander.
Wie vorangehend beschrieben wurde, wird deutlich, dass es, soweit kein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist, ein angemessenes Einstellen der Schaltfrequenz und der Spannung der Wechselstrom-Energie, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, ermöglicht, die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant zu halten, selbst wenn sich entweder der Widerstandswert der Lastschaltung 27 oder der Kopplungskoeffizient verändert.
Folglich steuert die Steuerschaltung 17, um den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung zu erreichen, die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, wie im Folgenden beschrieben.
Wenn Bestimmungsinformationen, welche in einem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Empfänger 15 empfangen wird, angegeben, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt, verändert die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie innerhalb eines vorbestimmten Frequenzbereichs. Der vorbestimmte Frequenzbereich kann zum Beispiel als Frequenzbereich festgelegt sein, dessen untere Grenze und obere Grenze auf eine Frequenz, bei der eine konstante Spannung bei dem Minimum der erwarteten Werte des Kopplungskoeffizienten zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 ausgegeben wird, bzw. eine Frequenz, bei der eine konstante Spannung bei einem Maximum der erwarteten Werte des Kopplungskoeffizienten zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 ausgegeben wird, festgelegt sind, wenn der Energieempfangsvorrichtung 3 Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 zugeführt wird.
Wenn sie die Schaltfrequenz verändert, kann die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz sukzessive von der unteren Grenze auf die obere Grenze des vorbestimmten Frequenzbereichs erhöhen oder, umgekehrt, die Schaltfrequenz sukzessive von der oberen Grenze auf die untere Grenze des vorbestimmten Frequenzbereichs verringern. Zudem wird bevorzugt, dass, damit die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 der Energieempfangsvorrichtung 3 in der Lage ist, zu überprüfen, ob die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant geworden ist oder nicht, die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz schrittweise in einer derartigen Weise verändert, dass die gleiche Schaltfrequenz für eine Dauer aufrechterhalten wird, welche länger ist als ein Zeitraum, in dem die Bestimmungsschaltung 30 der Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 das Umschaltelement 31 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand umschaltet.
Man beachte, dass bevorzugt wird, dass, während sie die Schaltfrequenz einstellt, die Steuerschaltung 17 die an die Übertragungsspule 14 angelegte Spannung auf eine untere Grenze der Spannung reduziert. Diese Konfiguration verhindert, dass die Spannung von Energie, welche der Energieempfangsvorrichtung 3 zugeführt wird, übermäßig ansteigt.
Wenn die Bestimmungsinformationen, welche in dem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Empfänger 15 empfangen wird, nicht angeben, dass der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, selbst wenn die Schaltfrequenz über den gesamten vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird, bestimmt die Steuerschaltung 17, dass ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist. Dann stoppt die Steuerschaltung 17 eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung 10 zu der Übertragungsspule 14 und setzt dadurch eine Energieübertragung aus.
Wenn andererseits die Bestimmungsinformationen, welche in dem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Empfänger 15 empfangen wird, angeben, dass gemessene Werte der Ausgangsspannung, obwohl sie nicht innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen, im Wesentlichen konstant sind, selbst wenn sich der Widerstandswert der Lastschaltung verändert, d.h. der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, hält die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz danach konstant. Als Nächstes bestimmt die Steuerschaltung 17 ein Tastverhältnis bezugnehmend auf die Referenztabelle, von der jeder Eintrag eine Beziehung zwischen einer Schaltfrequenz und einem Tastverhältnis angibt, welche veranlasst, dass eine konstante Spannung bei der Schaltfrequenz unabhängig von dem Kopplungskoeffizienten ausgegeben wird, und bei der Ein/Aus-Steuerung des Umschaltelements SW der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verwendet wird. Die Steuerschaltung 17 steuert den Gate-Treiber 16-1 in einer derartigen Weise, dass das Umschaltelement SW der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand gemäß dem Tastverhältnis umgeschaltet wird. Dieser Vorgang veranlasst, dass die an die Übertragungsspule 14 angelegte Spannung in einer derartigen Weise eingestellt wird, dass die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegt, d.h. eine konstante Spannung unabhängig von dem Kopplungskoeffizienten ausgegeben wird. Wenn die Bestimmungsinformationen, welche in einem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Empfänger 15 empfangen wird, angegeben, dass gemessene Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen, hält die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz und die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, konstant.
Man beachte, dass die Steuerschaltung 17, anstatt ein Tastverhältnis bezugnehmend auf die vorangehend beschriebene Referenztabelle zu bestimmen, das Tastverhältnis graduell verändern kann, bis die Bestimmungsinformationen, welche in einem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 3 über den Empfänger 15 empfangen wird, angegeben, dass gemessene Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen.
8 ist ein Vorgangsflussdiagramm einer Verarbeitung eines anomalen Stoppens, die durch die Steuerschaltung 17 durchgeführt wird.
Wenn Bestimmungsinformationen, welche von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen werden, angegeben, dass ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchgeführt wird, steuert die Steuerschaltung 17 die Energieversorgungsschaltung 10, um eine Spannung einer Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, auf einen vorbestimmten Betrag zu senken (Schritt S101).
Die Steuerschaltung 17 steuert die Energieversorgungsschaltung 10, um die Schaltfrequenz sukzessive von der unteren Grenze auf die obere Grenze eines vorbestimmten Einstellbereichs zu erhöhen, innerhalb dessen die Schaltfrequenz eingestellt wird (Schritt S102). Die Steuerschaltung 17 bestimmt, bezugnehmend auf Bestimmungsinformationen, welche von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen werden, ob angegeben ist oder nicht, dass der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung bei einer beliebigen Schaltfrequenz durchgeführt wird (Schritt S103).
Wenn angegeben ist, dass der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung bei einer beliebigen Schaltfrequenz durchgeführt wird (Ja in Schritt S103), steuert die Steuerschaltung 17 die Energieversorgungsschaltung 10 in einer derartigen Weise, dass der Übertragungsspule 14 Wechselstrom-Energie, welche die Schaltfrequenz aufweist, zugeführt wird. Des Weiteren steuert die Steuerschaltung 17 die Energieversorgungsschaltung 10, um die Spannung der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 zugeführt wird, zu erhöhen, bis eine Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt (Schritt S104).
Andererseits, wenn nicht angegeben ist, dass der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung bei einer beliebigen Schaltfrequenz durchgeführt wird (Nein in Schritt S103), ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 nicht in der Lage, den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung innerhalb des vorbestimmten Frequenzbereichs, d.h. innerhalb eines erwarteten Bereichs eines Kopplungskoeffizienten, durchzuführen. Daher wird bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist. Daher stoppt die Steuerschaltung 17 eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung 10 zu der Übertragungsspule 14 und stoppt dadurch eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 2 an die Energieempfangsvorrichtung 3 (Schritt S105). Des Weiteren kann die Steuerschaltung 17 ein Anomaliesignal, welches angibt, dass ein Fremdkörper aus Metall erfasst wurde, an eine andere Vorrichtung über eine nicht veranschaulichte Schnittstelle ausgeben.
Nach Schritt S104 oder S105 beendet die Steuerschaltung 17 die Verarbeitung des anomalen Stoppens.
Wie im Vorangehenden beschrieben, verändert die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, wenn sie aufhört, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen, die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung zugeführt wird, innerhalb eines Frequenzbereichs gemäß dem erwarteten Kopplungskoeffizienten zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule. Wenn der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht erreicht wird, selbst wenn die Frequenz über den gesamten Frequenzbereich verändert wird, bestimmt die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, und stoppt eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung an die Energieempfangsvorrichtung. Diese Konfiguration ermöglicht es der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, einen Fremdkörper aus Metall, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, selbst wenn sich der Kopplungskoeffizienten zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule verändert, zu erfassen und zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund des Fremdkörpers, der eingedrungen ist, auftritt.
Man beachte, dass eine Möglichkeit besteht, dass sich, in Abhängigkeit von einem Fremdkörper, der zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung aufgrund einer Abweichung der Streuinduktivität und des Wicklungswiderstandswerts kaum verändert.
9 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht. In 9 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Graph 901 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist, der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 902 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist, der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 903 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 904 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung auf (10*Rac) festgelegt ist. Man beachte, dass in dem Beispiel in Bezug auf die Graphen 901 und 902 die Werte der Parameter, die bei der Simulation in 2 verwendet wurden, mit Ausnahme des Werts der Streuinduktivität Lr, der um 30 µH von dem in der Simulation in 2 verringert wurde, und des Wicklungswiderstandswerts Ri auf der Energieübertragungsseite und des Wicklungswiderstandswerts Ris auf der Energieempfangsseite, die jeweils um 3 Ω von denjenigen in der Simulation in 2 verringert wurden, als Parameter der jeweiligen Schaltungselemente verwendet wurden.
Wenn die Graphen 901 und 903 miteinander verglichen werden, geht hervor, dass ein Eindringen eines Fremdkörpers veranlasst, dass sich ein Spitzenwert und die Wellenform der Ausgangsspannung kaum verändern und sich die Wellenform leicht zu der Hochfrequenzseite verschiebt. Daher verändert sich, bei einer Frequenz, bei der ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, wenn kein Fremdkörper eingedrungen ist, die durch einen Punkt 911 angegeben ist, die Ausgangsspannung in dem Fall, in dem der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 Rac ist, kaum dazwischen, wenn ein Fremdkörper eingedrungen ist und wenn er nicht eingedrungen ist. Daher bleiben gemessene Werte der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs und, soweit sich der Widerstandswert der Lastschaltung 27 nicht verändert, besteht eine Möglichkeit, dass fälschlicherweise bestimmt wird, dass ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung fortgeführt wird. In Wirklichkeit, wie durch die Graphen 901 und 902 veranschaulicht, veranlasst das Eindringen eines Fremdkörpers, dass die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 als Reaktion auf eine Abweichung des Widerstandswerts der Lastschaltung 27 variiert und die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 daher den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt.
Zudem haben die Erfinder herausgefunden, dass eine Frequenz, bei der ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, in einem Frequenzbereich enthalten ist, in dem die Ausgangsspannung mit zunehmender Frequenz abnimmt. Daher wird geschätzt, dass ein Fremdkörper eingedrungen ist, wenn, wie durch den Graph 901 veranschaulicht, die Ausgangsspannung zunimmt, wenn die Schaltfrequenz von einer Schaltfrequenz (dem Punkt 911 in 9), bei der ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung anscheinend fortgeführt wird, erhöht wird.
Folglich speichert gemäß einer Abwandlung, jedes Mal, wenn ein gemessener Wert einer Ausgangsspannung, die durch die Spannungserfassungsschaltung 28 gemessen ist, erfasst wird, die Bestimmungsschaltung 30 der Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 den gemessenen Wert für eine vorbestimmte Dauer (zum Beispiel mehrere zehn Millisekunden). Die Bestimmungsschaltung 30 berechnet einen Veränderungsbetrag Δv der Ausgangsspannung durch Subtrahieren eines gespeicherten gemessenen Werts der Ausgangsspannung die vorbestimmte Dauer früher von einem letzten gemessenen Wert der Ausgangsspannung. Die Bestimmungsschaltung 30 bezieht den Veränderungsbetrag Δv der Ausgangsspannung in die Bestimmungsinformationen ein und überträgt die Bestimmungsinformationen an die Energieübertragungsvorrichtung 2 über den Sender 32. Andererseits, selbst wenn die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 kontinuierlich Bestimmungsinformationen, die angeben, dass gemessene Werte der Ausgangsspannung innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen, von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfängt, erhöht die Steuerschaltung 17 periodisch die Schaltfrequenz nur um einen vorbestimmten Betrag Δf und bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist, und stoppt eine Energieübertragung, wenn ein Veränderungsbetrag Δv der Ausgangsspannung in dem Moment einen Anstieg angibt.
10 ist ein Vorgangsflussdiagramm einer Verarbeitung eines anomalen Stoppens, die durch die Steuerschaltung 17 durchgeführt wird, gemäß der Abwandlung. Die Steuerschaltung 17 kann die Verarbeitung eines anomalen Stoppens gemäß dem Vorgangsflussdiagramm, das im Folgenden beschrieben wird, durchführen.
Die Steuerschaltung 17 bestimmt, ob Bestimmungsinformationen, welche von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen werden, angegeben oder nicht, dass gemessene Werte einer Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 innerhalb eines zulässigen Spannungsbereichs liegen (Schritt S201). Wenn die Bestimmungsinformationen angegeben, dass gemessene Werte der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen (Nein in Schritt S201), besteht eine Möglichkeit, dass sich in diesem Fall der Kopplungskoeffizient verändert hat oder ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist. Daher führt die Steuerschaltung 17 ein Verarbeiten von Schritt S101 und von nachfolgenden Schritten in 8 durch.
Andererseits, wenn die Bestimmungsinformationen angegeben, dass gemessene Werte der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen (Ja in Schritt S201), bestimmt die Steuerschaltung 17, ob die Steuerschaltung 17 Bestimmungsinformationen, die angegeben, dass ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, von der Energieempfangsvorrichtung 3 kontinuierlich für eine festgelegte Dauer empfangen hat oder nicht (Schritt S202). Wenn die Dauer, für die die Bestimmungsinformationen, die angeben, dass der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, empfangen wurden, die festgelegte Dauer nicht erreicht hat (Nein in Schritt S202), geht die Steuerschaltung 17 für einen vorbestimmten Zeitraum in den Bereitschaftszustand über und wiederholt anschließend das Verarbeiten in Schritt S202.
Andererseits, wenn die Dauer, für die die Bestimmungsinformationen, die angeben, dass der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, empfangen wurden, die festgelegte Dauer erreicht hat (Ja in Schritt S202), erhöht die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, nur um eine vorbestimmte Weite Δf (Schritt S203). Die Steuerschaltung 17 bezieht sich auf einen Veränderungsbetrag Δv der Ausgangsspannung, der in Bestimmungsinformationen enthalten ist, welche von der Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen werden, nachdem sie die Schaltfrequenz erhöht hat, und bestimmt, ob Δv/Δf einen negativen Wert aufweist oder nicht (Schritt S204). Wenn Δv/Δf einen negativen Wert aufweist, d.h. die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 als Reaktion auf den Anstieg der Schaltfrequenz abnimmt (Ja in Schritt S204), bestimmt die Steuerschaltung 17, dass kein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist. Daher senkt die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule 14 von der Energieversorgungsschaltung 10 zugeführt wird, nur um die vorbestimmte Weite Δf (Schritt S205). Mit anderen Worten setzt die Steuerschaltung 17 die Schaltfrequenz auf die ursprüngliche Schaltfrequenz zurück. Die Steuerschaltung 17 wiederholt das Verarbeiten ab Schritt S201 weiter.
Andererseits, wenn Δv/Δf einen positiven Wert aufweist, d.h. die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 als Reaktion auf den Anstieg der Schaltfrequenz zunimmt (Nein in Schritt S204), bestimmt die Steuerschaltung 17, dass ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist. Daher stoppt die Steuerschaltung 17 eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung 10 zu der Übertragungsspule 14 und stoppt dadurch eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 2 an die Energieempfangsvorrichtung 3 (Schritt S206). Man beachte, dass gemäß der Abwandlung die Steuerschaltung 17 auch ein Anomaliesignal, welches angibt, dass ein Fremdkörper aus Metall erfasst wurde, an eine andere Vorrichtung über eine nicht veranschaulichte Schnittstelle ausgeben kann.
Nach Schritt S206 beendet die Steuerschaltung 17 die Verarbeitung des anomalen Stoppens. Man beachte, dass, wenn nicht nur ein Fremdkörper eingedrungen ist, sondern sich auch der Kopplungskoeffizient verändert hat, sich die Ausgangsspannung manchmal kaum verändert. Daher, selbst wenn in Schritt S204 die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 als Reaktion auf einen Anstieg der Schaltfrequenz zunimmt, kann die Steuerschaltung 17, anstatt sofort eine Energieübertragung zu stoppen, das Verarbeiten von Schritt S101 und nachfolgenden Schritten in 8 durchführen und bestimmen, ob sie eine Energieübertragung stoppt oder nicht.
Gemäß einer Abwandlung ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, selbst wenn sich die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 kaum verändert, wenn ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist, in der Lage, den Fremdkörper, der eingedrungen ist, zu erfassen und zu verhindern, dass eine Fehlfunktion aufgrund des Fremdkörpers, der eingedrungen ist, auftritt.
Man beachte, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, die in der Lage ist, ein Eindringen eines Fremdkörpers zu bestimmen, nicht auf die vorangehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung sein kann, die in der Lage ist, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung innerhalb einer bestimmten Abweichung eines zulässigen Spannungsbereichs durch Einstellen der Schaltfrequenz und der Spannung einer Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule zugeführt wird, durchzuführen.
Zum Beispiel kann die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren sein. In diesem Fall kann die Energieübertragungsvorrichtung 2 in der in 5 veranschaulichten kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung einen Kondensator, der mit der Übertragungsspule 14 in Reihe geschaltet ist, aufweisen. Die Energieversorgungsschaltung 10 kann der Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite eine Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz zuführen, bei der eine Resonanzschaltung, die durch die Übertragungsspule 14 und den Kondensator gebildet ist (hiernach als Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite zur Unterscheidung von der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 bezeichnet), resoniert.
11 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung, wenn eine Spannung, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten in der in 2 veranschaulichten Simulation, welche sich auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren bezieht, verändert wird, veranschaulicht. In 11 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass bei der Simulation die gleichen Werte wie die Werte von Parametern der jeweiligen Schaltungselemente, welche bei der in 2 veranschaulichten Simulation verwendet wurden, verwendet wurden. Graph 1101 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0.4*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1102 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,4*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1103 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,67*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1104 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,67*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1105 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1106 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist.
Wie durch Punkte 1111 bis 1113 veranschaulicht, sind Ausgangsspannungen in jeweiligen Kombinationen aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird (d.h. es wird eine konstante Spannung ausgegeben), selbst wenn sich der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 unter der Bedingung, dass sich der Kopplungskoeffizient k nicht verändert, verändert, im Wesentlichen zueinander gleich. Daher geht hervor, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung bei dem SPL-Verfahren auch in der Lage ist, durch Einstellen der Schaltfrequenz und der Spannung der Wechselstrom-Energie, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen und eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Zudem existieren in dem Beispiel Frequenzen, bei denen ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, auch innerhalb von Frequenzbereichen, in denen die Ausgangsspannung mit zunehmender Frequenz abnimmt.
12 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren, wenn eine Spannung, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers in der in 11 veranschaulichten Simulation verändert wird, veranschaulicht. In 12 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass bei der Simulation die Werte der Parameter, die bei der Simulation in 2 verwendet wurden, mit Ausnahme des Werts der Streuinduktivität Lr, der um 30 µH von dem in der Simulation in 2 verringert wurde, und des Wicklungswiderstandswerts Ri auf der Energieübertragungsseite und des Wicklungswiderstandswerts Ris auf der Energieempfangsseite, die jeweils um 3 Ω von denjenigen in der Simulation in 2 erhöht wurden, als Parameter der jeweiligen Schaltungselemente verwendet wurden. Graph 1201 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0.4*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1202 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,4*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1203 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,67*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1204 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,67*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1205 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1206 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist.
Wie in 12 veranschaulicht, geht hervor, dass die Ausgangsspannung bei einem beliebigen der Kopplungskoeffizienten aufgrund einer Abweichung des Wechselstrom-Ersatzwiderstands der Lastschaltung 27 erheblich variiert und die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung aufhört, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen.
Daher ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren auch in der Lage, zu bestimmen, ob ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist oder nicht, indem die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung die Verarbeitung des anomalen Stoppens gemäß dem Vorgangsflussdiagramm, das in 8 oder 10 veranschaulicht ist, durchführt und eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung an die Energieempfangsvorrichtung stoppt, wenn sie bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall eingedrungen ist.
Zudem kann in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren der Resonanzkondensator der Resonanzschaltung auf der Energieempfangsseite weggelassen werden. In diesem Fall ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung auch in der Lage, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen. In der Abwandlung kann in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, die in 5 veranschaulicht ist, die Energieübertragungsvorrichtung 2 einen Kondensator, der mit der Übertragungsspule 14 in Reihe geschaltet ist, aufweisen und der Resonanzkondensator 22 kann in der Resonanzschaltung 20 der Energieempfangsvorrichtung 3 weggelassen werden. Eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß der Abwandlung wird hiernach zur besseren Verständlichkeit als kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SL-Verfahren bezeichnet.
13 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung, wenn eine Spannung, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SL-Verfahren verändert wird, veranschaulicht. In 13 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass bei der Simulation angenommen wird, dass Lp = 174 µH, Cr1 = 20 nF, Lop = 3Lp, Ri = Ris = 0.04 Ω, n = 1, Vin = 200 V und Ro = 200 Ω (Rac ≅ 162.1 Ω) sind. Graph 1301 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0.25*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1302 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,25*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1303 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1304 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1305 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1306 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist.
Wie durch Punkte 1311 bis 1313 veranschaulicht, sind Ausgangsspannungen in jeweiligen Kombinationen aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung, bei denen die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird (d.h. es wird eine konstante Spannung ausgegeben), selbst wenn sich der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 unter der Bedingung, dass sich der Kopplungskoeffizient k nicht verändert, verändert, im Wesentlichen zueinander gleich. Daher geht hervor, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung bei dem SL-Verfahren auch in der Lage ist, durch Einstellen der Schaltfrequenz und der Spannung der Wechselstrom-Energie, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen und eine im Wesentlichen konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Zudem existieren in dem Beispiel Frequenzen, bei denen ein Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, auch innerhalb von Frequenzbereichen, in denen die Ausgangsspannung mit zunehmender Frequenz abnimmt.
14 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen der Ausgangsspannung in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SL-Verfahren, wenn eine Spannung, welche an die Resonanzschaltung auf der Energieübertragungsseite angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers in der in 13 veranschaulichten Simulation verändert wird, veranschaulicht. In 14 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass bei der Simulation die Werte der Parameter, die bei der Simulation in 13 verwendet wurden, mit Ausnahme des Werts der Streuinduktivität Lr, der um 30 µH von dem in der Simulation in 13 verringert wurde, und des Wicklungswiderstandswerts Ri auf der Energieübertragungsseite und des Wicklungswiderstandswerts Ris auf der Energieempfangsseite, die jeweils um 3 Ω von denjenigen in der Simulation in 13 erhöht wurden, als Parameter der jeweiligen Schaltungselemente verwendet wurden. Graph 1401 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0.25*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1402 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,25*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1403 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1404 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1405 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1406 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule angelegt ist, auf Vin festgelegt ist.
Wie in 14 veranschaulicht, geht hervor, dass die Ausgangsspannung bei einem beliebigen der Kopplungskoeffizienten aufgrund einer Abweichung des Wechselstrom-Ersatzwiderstands der Lastschaltung 27 erheblich variiert und die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung aufhört, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen.
Daher ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SL-Verfahren auch in der Lage, zu bestimmen, ob ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist oder nicht, indem die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung die Verarbeitung des anomalen Stoppens gemäß dem Vorgangsflussdiagramm, das in 8 oder 10 veranschaulicht ist, durchführt und eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung an die Energieempfangsvorrichtung stoppt, wenn sie bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall eingedrungen ist.
Zudem haben die Erfinder herausgefunden, dass, wenn der Widerstandswert der Lastschaltung der Energieempfangsvorrichtung einen voreingestellten Wert aufweist, die Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der vorangehend beschriebenen Ausführungsform oder ihren Abwandlungen einen lokalen minimalen Wert bei einer Frequenz aufweist, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt.
15 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für eine Beziehung zwischen Frequenzgängen der Ausgangsspannung und Frequenzgängen der Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1, die in 5 veranschaulicht ist, veranschaulicht. In dem oberen Diagramm in 15 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Zudem ist in dem unteren Diagramm in 15 eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Eingangsimpedanz ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass bei der Simulation die gleichen Werte wie die Werte von Parametern der jeweiligen Schaltungselemente, welche bei der in 2 veranschaulichten Simulation verwendet wurden, verwendet wurden. In dem oberen Diagramm repräsentiert Graph 1501 (der gleiche wie der Graph 203 in 2) einen Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1502 (der gleiche wie der Graph 204 in 2) einen Frequenzgang der Ausgangsspannung von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1511 in dem unteren Diagramm einen Frequenzgang der Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1512 einen Frequenzgang der Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist und der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (100*Rac) festgelegt ist.
Wie in 15 veranschaulicht, weist die Eingangsimpedanz, bei der Frequenz f0, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 1 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, wenn der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist, einen lokalen minimalen Wert auf. Mit anderen Worten weist Strom, welcher durch die Übertragungsspule 14 fließt, einen lokalen maximalen Wert bei der Frequenz f0 auf.
Daher kann die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung gemäß einer Abwandlung auf der Grundlage eines Frequenzgangs von Strom, welcher durch die Übertragungsspule fließt, bestimmen, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht, und in Abhängigkeit von einem Ergebnis der Bestimmung bestimmen, ob ein Fremdkörper eingedrungen ist oder nicht.
16 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der Abwandlung. Wie in 16 veranschaulicht, weist eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 eine Energieübertragungsvorrichtung 42 und eine Energieempfangsvorrichtung 43, an welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 42 durch Raum ohne Kontakt übertragen wird, auf. Die Energieübertragungsvorrichtung 42 weist eine Energieversorgungsschaltung 50, eine Übertragungsspule 54, einen Kondensator 55, eine Stromerfassungsschaltung 56, einen Empfänger 57, einen Gate-Treiber 58 und eine Steuerschaltung 59 auf. Andererseits weist die Energieempfangsvorrichtung 43 eine Resonanzschaltung 60, die eine Empfangsspule 61 und einen Resonanzkondensator 62 aufweist, eine Spule 63, eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 64, die eine Vollwellen-Gleichrichterschaltung 65 und einen Glättungskondensator 66 aufweist, eine Lastschaltung 67, eine Spannungserfassungsschaltung 68, eine Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 69, eine Schaltung mit festgelegter Last 72 und einen Sender 73 auf.
Die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 unterscheidet sich von der Energieübertragungsvorrichtung 1, die in 5 veranschaulicht ist, in Bezug auf die Energieübertragungsvorrichtung 42, in der Konfiguration der Energieversorgungsschaltung 50, dahingehend, dass sie den Kondensator 55 und die Stromerfassungsschaltung 56 aufweist, und in einem Teil einer Steuerung, welche durch die Steuerschaltung 59 durchgeführt wird. Zudem unterscheidet sich die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 in Bezug auf die Energieempfangsvorrichtung 43 von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1 dahingehend, dass sie die Schaltung mit festgelegter Last 72 aufweist. Daher werden im Folgenden die vorangehend beschriebenen Unterschiede und der damit zusammenhängende Sachverhalt erläutert.
Die Energieübertragungsvorrichtung 50 führt der Übertragungsspule 54 Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz und einer einstellbaren Spannung zu. Zu diesem Zweck weist die Energieversorgungsschaltung 50 eine Energiequelle mit variabler Spannung 51, einen Gleichstromwandler 52 und drei Umschaltelemente 53-1 bis 53-3 auf.
Die Energiequelle mit variabler Spannung 51 ist eine Energiequelle, die Gleichstrom-Energie zuführt und in der Lage ist, die Spannung von der Gleichstrom-Energie gemäß einer Steuerung von der Steuerschaltung 59 einzustellen. Man beachte, dass die Energiequelle mit variabler Spannung 51 beliebige verschiedene Schaltungskonfigurationen aufweisen kann, die in der Lage sind, die zuzuführende Spannung einzustellen. Während die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, wird Gleichstrom-Energie, welche von der Energiequelle mit variabler Spannung 51 zugeführt wird, durch die Umschaltelemente 53-1 und 53-2 in Wechselstrom-Energie umgewandelt und der Übertragungsspule 54 zugeführt. Andererseits wird die Gleichstrom-Energie, welche von der Energiequelle mit variabler Spannung 51 zugeführt wird, während die Einstellung der Schaltfrequenz für die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 zum Durchzuführen des Ausgabevorgangs mit konstanter Spannung ausgeführt wird, der Übertragungsspule 54 über den Gleichstromwandler 52 und das Umschaltelement 53-3 zugeführt.
Der Eingangsanschluss des Gleichstromwandlers 52 ist mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle mit variabler Spannung 51 verbunden und der Ausgangsanschluss des Gleichstromwandlers 52 ist mit einem Ende des Kondensators 55 über eine Diode D und das Umschaltelement 53-3 verbunden. Der Gleichstromwandler 52 reduziert die Spannung der Gleichstrom-Energie, welche von der Energiequelle mit variabler Spannung 51 zugeführt wird, auf eine vorbestimmte Spannung (zum Beispiel 5 V).
Während die Einstellung der Schaltfrequenz für die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 zum Durchzuführen des Ausgabevorgangs mit konstanter Spannung ausgeführt wird, wird die von dem Gleichstromwandler 52 ausgegebene Spannung der Übertragungsspule 54 über die Diode D, das Umschaltelement 53-3 und den Kondensator 55 zugeführt.
Für jedes der Umschaltelemente 53-1 bis 53-3 kann zum Beispiel ein n-Kanal-MOSFET verwendet werden. Die Umschaltelemente 53-1 und 53-2 sind zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle mit variabler Spannung 51 in Reihe geschaltet. Zudem ist das Umschaltelement 53-1 mit der Seite der positiven Elektrode der Energiequelle mit variabler Spannung 51 verbunden, während das Umschaltelement 53-2 mit der Seite der negativen Elektrode der Energiequelle mit variabler Spannung 51 verbunden ist. Der Drain-Anschluss des Umschaltelements 53-1 ist mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle mit variabler Spannung 51 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 53-1 ist mit dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 53-2 verbunden. Zudem sind der Source-Anschluss des Umschaltelements 53-1 und der Drain-Anschluss des Umschaltelements 53-2 mit einem Ende der Übertragungsspule 54 über den Kondensator 55 verbunden. Des Weiteren ist der Source-Anschluss des Umschaltelements 53-2 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle mit variabler Spannung 51 und dem anderen Ende der Übertragungsspule 54 über die Stromerfassungsschaltung 56 verbunden.
Zudem ist der Drain-Anschluss des Umschaltelements 53-3 mit dem Ausgangsanschluss des Gleichstromwandlers 52 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 53-3 ist mit einem Ende der Übertragungsspule 54 über den Kondensator 55 verbunden. Die Gate-Anschlüsse der Umschaltelemente sind mit dem Gate-Treiber 58 verbunden.
Während die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, hält der Gate-Treiber 58 das Umschaltelement 53-3 gemäß einem Steuersignal von der Steuerschaltung 59 in dem Aus-Zustand. Zudem schaltet der Gate-Treiber 58 abwechselnd die Umschaltelemente 53-1 und 53-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand mit einer Schaltfrequenz, bei der der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, gemäß einem Steuersignal von der Steuerschaltung 59 um. Mit anderen Worten fließt, wenn das Umschaltelement 53-1 eingeschaltet ist und das Umschaltelement 53-2 ausgeschaltet ist, Strom zu der Übertragungsspule 54 in Verbindung mit Energie, welche dem Kondensator 55 von der Energiequelle mit variabler Spannung 51 durch das Umschaltelement 53-1 zugeführt wird, und der Kondensator 55 wird geladen. Andererseits wird, wenn das Umschaltelement 53-1 ausgeschaltet ist und das Umschaltelement 53-2 eingeschaltet ist, der Kondensator 55 entladen und Strom fließt von dem Kondensator 55 zu der Übertragungsspule 54.
Zudem hält der Gate-Treiber 58, während die Einstellung der Schaltfrequenz für die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 zum Durchzuführen des Ausgabevorgangs mit konstanter Spannung ausgeführt wird, das Umschaltelement 53-1 in dem Aus-Zustand gemäß einem Steuersignal von der Steuerschaltung 59 und schaltet abwechselnd das Umschaltelement 53-3 und das Umschaltelement 53-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand mit der Schaltfrequenz gemäß einem Steuersignal von der Steuerschaltung 59 um.
Der Kondensator 55 ist zwischen die Übertragungsspule 54 und die Energieversorgungsschaltung 50 geschaltet. Der Kondensator 55 führt der Übertragungsspule 54 Wechselstrom-Energie mit der Schaltfrequenz durch wiederholtes Geladenwerden und Entladenwerden als Reaktion auf ein Umschalten der Umschaltelemente zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand mit der Schaltfrequenz zu. Man beachte, dass bevorzugt wird, dass die Kapazität des Kondensators 55 in einer derartigen Weise festgelegt ist, dass die Resonanzfrequenz der Übertragungsspule 54 und des Kondensators 55 niedriger ist als die Resonanzfrequenz der Resonanzschaltung 60 der Energieempfangsvorrichtung 43 und als die untere Grenze der Frequenz eines Frequenzbereichs, in dem die Schaltfrequenz eingestellt wird, sodass die Übertragungsspule 54 und der Kondensator 55 nicht als Resonanzschaltung in dem Frequenzbereich, in dem die Schaltfrequenz eingestellt wird, betrieben werden.
Die Stromerfassungsschaltung 56 ist zwischen die Übertragungsspule 54 und die Energieversorgungsschaltung 50 geschaltet und misst den Strom, der durch die Übertragungsspule 54 fließt. Die Stromerfassungsschaltung 56 gibt einen gemessenen Wert des Stroms an die Steuerschaltung 59 aus. Man beachte, dass die Stromerfassungsschaltung 56 parallel zu dem Kondensator 55 in Verbindung mit einem Kondensator zur Umlenkung (nicht veranschaulicht), der mit der Stromerfassungsschaltung 56 in Reihe geschaltet ist, mit der Übertragungsspule 54 verbunden werden kann. In diesem Fall ist die Stromerfassungsschaltung 56 in der Lage, den Strom, der durch die Übertragungsspule 54 fließt, indirekt zu messen.
Zudem weist die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 69 der Energieempfangsvorrichtung 43 eine Bestimmungsschaltung 70 und ein Schaltelement 71 auf, die jeweils ähnlich zu der Bestimmungsschaltung 30 und dem Schaltelement 31 gemäß der vorangehend beschriebenen Ausführungsform sind.
Während gemessene Werte der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60, welche durch die Spannungserfassungsschaltung 68 gemessen wird, innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen, d.h. die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, schaltet die Bestimmungsschaltung 70 der Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 69 das Umschaltelement 71 ein und veranlasst dadurch, dass die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 der Lastschaltung 67 über die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 64 zugeführt wird. Andererseits schaltet die Bestimmungsschaltung 70, wenn gemessene Werte der Ausgangsspannung außerhalb des zulässigen Spannungsbereichs liegen, das Umschaltelement 71 aus, wodurch sie veranlasst, dass die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 der Lastschaltung 67 nicht zugeführt wird.
Die Schaltung mit festgelegter Last 72 ist parallel zu der Lastschaltung 67 mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 64 verbunden und stellt, während die Einstellung der Schaltfrequenz durchgeführt wird, der Energieempfangsvorrichtung 43 eine Last bereit, die im Wesentlichen gleich einer Last ist, die als Referenz für die Lastschaltung 67 dient (bei der in 9 veranschaulichten Simulation zum Beispiel Rac). Zu diesem Zweck ist die Schaltung mit festgelegter Last 72 mit der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 64 parallel zu der Lastschaltung 67 verbunden und weist einen Widerstand R1 auf, der einen Widerstandswert aufweist, welcher der Last entspricht, die als Referenz für die Lastschaltung 67 dient. Der Widerstand R1 ist mit einem Umschaltelement SW1, welches ein n-Kanal-MOSFET ist, in Reihe geschaltet. Des Weiteren weist die Schaltung mit festgelegter Last 72 zwischen den beiden Ausgangsanschlüssen der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 64 einen Widerstand R2 und ein Umschaltelement SW2 auf, das ein npn-Bipolartransistor ist, welche in dieser Reihenfolge von der Seite der positiven Elektrode in Reihe geschaltet sind. Zudem sind der Widerstand R2 und das Umschaltelement SW2 zu dem Widerstand R1 parallel geschaltet. Der Gate-Anschluss des Umschaltelements SW1 ist zwischen den Widerstand R2 und ein Ende (in diesem Beispiel dem Kollektoranschluss) des Umschaltelements SW2 geschaltet. Des Weiteren ist der Basisanschluss des Umschaltelements SW2 mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Gleichrichter- und Glättungsschaltung 64 über einen Widerstand R3 und eine Zener-Diode ZD, welche in Sperrrichtung vorgespannt ist, verbunden.
Während die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, ist die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 höher als die Durchbruchspannung der Zener-Diode ZD und infolgedessen wird dem Basisanschluss des Umschaltelements SW2 über die Zener-Diode ZD und den Widerstand R3 Strom zugeführt, wodurch das Umschaltelement SW2 eingeschaltet wird. Folglich nimmt die Spannung, die an den Gate-Anschluss des Umschaltelements SW1 angelegt ist, ab und das Umschaltelement SW1 wird dadurch ausgeschaltet. Daher wird die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 nicht an den Widerstand R1 angelegt.
Andererseits nimmt auch die Energie ab, welche der Energieempfangsvorrichtung 43 von der Energieübertragungsvorrichtung 42 zugeführt wird, da, während die Einstellung der Schaltfrequenz, damit die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, ausgeführt wird, die Spannung der Energie, welche der Übertragungsspule 54 von dem Gleichstromwandler 52 zugeführt wird, niedrig ist. Daher nimmt auch die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 auf eine Spannung ab, die niedriger ist als die Durchbruchspannung der Zener-Diode ZD. Infolgedessen wird das Umschaltelement SW2 ausgeschaltet und im Zusammenhang damit nimmt die Spannung, die an den Gate-Anschluss des Umschaltelements SW1 angelegt ist, zu und das Umschaltelement SW1 wird dadurch eingeschaltet. Daher wird die Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 an den Widerstand R1 angelegt. Infolgedessen wird der Energieempfangsvorrichtung 43 eine festgelegte Last, die der Widerstand R1 aufweist, bereitgestellt.
Im Folgenden wird ein Vorgang der Steuerschaltung 59 der Energieübertragungsvorrichtung 42 gemäß der Abwandlung beschrieben. Während die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, steuert die Steuerschaltung 59, wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform, die Energiequelle mit variabler Spannung 51 der Energieversorgungsschaltung 50, um der Übertragungsspule 54 Gleichspannung mit einer Spannung gemäß der Schaltfrequenz zuzuführen, in einer derartigen Weise, dass ein gemessener Wert der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 der Energieempfangsvorrichtung 43 innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereichs liegt. Zudem hält die Steuerschaltung 59 das Umschaltelement 53-3 in dem Aus-Zustand und schaltet, in Verbindung damit, die Umschaltelemente 53-1 und 53-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand mit einer Schaltfrequenz, mit der der Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchgeführt wird, über den Gate-Treiber 58 um.
Andererseits hält die Steuerschaltung 59, wenn Bestimmungsinformationen, die in einem drahtlosen Signal enthalten sind, das von der Energieempfangsvorrichtung 43 über den Empfänger 57 empfangen wird, angeben, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt, das Umschaltelement 53-1 in dem Aus-Zustand und schaltet, in Verbindung damit, abwechselnd die Umschaltelemente 53-3 und 53-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand über den Gate-Treiber 58 um und veranlasst dadurch, dass der Übertragungsspule 54 von dem Gleichstromwandler 52 Energie zugeführt wird. Zudem steuert die Steuerschaltung 59 die Energiequelle mit variabler Spannung 51 in einer derartigen Weise, dass die Spannung, welche der Übertragungsspule 54 von dem Gleichstromwandler 52 zugeführt wird, einen vorbestimmten Wert aufweist. Durch diese Steuerung reduziert die Steuerschaltung 59 die Energie, welche der Energieempfangsvorrichtung 43 von der Energieübertragungsvorrichtung 42 zugeführt wird, auf einen Pegel, bei dem Spannung an den Widerstand R1 der Schaltung mit festgelegter Last 72 der Energieempfangsvorrichtung 43 angelegt wird.
Die Steuerschaltung 59 überwacht gemessene Werte von Strom, der durch die Übertragungsspule 54 fließt, die durch eine Stromerfassungsschaltung 56 gemessen werden, während die Schaltfrequenz verändert wird, und erfasst eine Schaltfrequenz, bei der die gemessenen Werte des Stroms ein lokales Maximum aufweisen. Die Schaltfrequenz, bei der die gemessenen Werte des Stroms, welcher durch die Übertragungsspule 54 fließt, ein lokales Maximum aufweisen, ist eine Frequenz, bei der die Eingangsimpedanz der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 4 einen lokalen minimalen Wert aufweist, d.h. eine Frequenz, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, wie etwa die in 15 veranschaulichte Frequenz f0. Daher steuert die Steuerschaltung 59, wenn eine Schaltfrequenz, bei der die gemessenen Werte des Stroms, welcher durch die Übertragungsspule 54 fließt, ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird, das Umschalten der Umschaltelemente 53-1 und 53-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand über den Gate-Treiber 58 mit der Schaltfrequenz in einer derartigen Weise, dass der Übertragungsspule 54 Energie von der Energiequelle mit variabler Spannung 51 zugeführt wird. Zudem schaltet die Steuerschaltung 59 das Umschaltelement 53-3 aus. Dieser Vorgang ermöglicht es der Steuerschaltung 59, die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 dazu zu bringen, den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen. Zudem steuert, wie vorangehend beschrieben, die Steuerschaltung 59 die Energiequelle mit variabler Spannung 51 der Energieversorgungsschaltung 50, um der Übertragungsspule 54 Gleichspannung mit einer Spannung gemäß der Schaltfrequenz zuzuführen, in einer derartigen Weise, dass gemessene Werte der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung 60 der Energieempfangsvorrichtung 43 innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Bereichs liegen.
Man beachte, dass, wenn ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 54 und der Empfangsspule 61 eingedrungen ist, die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 aufhört, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen, und infolgedessen ein lokaler minimaler Wert der Eingangsimpedanz, wie durch den Graph 1511 in dem unteren Diagramm in 15 veranschaulicht, verschwindet. Mit anderen Worten wird die Eingangsimpedanz zum Beispiel dazu gebracht, als Reaktion auf eine zunehmende Schaltfrequenz anzusteigen. Daher wird, wenn keine Schaltfrequenz, bei der gemessene Werte eines Stroms, welcher durch die Übertragungsspule 54 fließt, welcher durch die Stromerfassungsschaltung 56 gemessen wird, ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird, selbst wenn gemessene Werte des Stroms zur Zeit der Einstellung der Schaltfrequenz überwacht werden, bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 54 und der Empfangsspule 61 eingedrungen ist.
Daher kann gemäß der Abwandlung in Schritt S103 in dem Vorgangsflussdiagramm in 8 die Steuerschaltung 59 bestimmen, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, wenn eine Schaltfrequenz, bei der gemessene Werte des Stroms, welcher durch die Übertragungsspule 54 fließt, welcher durch die Stromerfassungsschaltung 56 gemessen wird, ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird. Umgekehrt kann die Steuerschaltung 59 bestimmen, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4 den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt und ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 54 und der Empfangsspule 61 eingedrungen ist, wenn keine Schaltfrequenz, bei der gemessene Werte des Stroms, welcher durch die Übertragungsspule 54 fließt, welcher durch die Stromerfassungsschaltung 56 gemessen wird, ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird.
Man beachte, dass die Steuerschaltung 59 bei der Abwandlung auch bestimmen kann, ob ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 54 und der Empfangsspule 61 eingedrungen ist oder nicht, gemäß dem Vorgangsflussdiagramm, das in 10 veranschaulicht ist.
Man beachte, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, die in 16 veranschaulicht ist, wie bei der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, die in 5 veranschaulicht ist, auch gemäß dem SPL-Verfahren oder dem SL-Verfahren eingerichtet sein kann.
Gemäß der Abwandlung ist die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung in der Lage, eine Schaltfrequenz, bei der die kontaktlose Energieübertragungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, durch Überwachen von Strom, welcher durch die Übertragungsspule der Energieübertragungsvorrichtung fließt, und, in Verbindung damit, Erfassen, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, zu erfassen.
Des Weiteren können gemäß einer weiteren Abwandlung in der Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung die Empfangsspule und der Resonanzkondensator, wie bei der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SS-Verfahren, miteinander in Reihe geschaltet sein. In diesem Fall ist, da die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführen kann, die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform oder irgendeiner ihrer Abwandlungen, auch in der Lage, eine Schaltfrequenz, bei der die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, zu erfassen und, in Verbindung damit, zu erfassen, dass ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist.
17 ist eine schematische Ansicht einer Konfiguration einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß der Abwandlung. Wie in 17 veranschaulicht, weist eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 gemäß der Abwandlung eine Energieübertragungsvorrichtung 2 und eine Energieempfangsvorrichtung 44, an welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 2 durch Raum ohne Kontakt übertragen wird, auf. Die Energieübertragungsvorrichtung 2 weist eine Energieversorgungsschaltung 10, eine Übertragungsspule 14, einen Empfänger 15, Gate-Treiber 16-1 und 16-2 und eine Steuerschaltung 17 auf. Andererseits weist die Energieempfangsvorrichtung 44 eine Resonanzschaltung 20a, die eine Empfangsspule 21 und einen Resonanzkondensator 22 aufweist, eine Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24, eine Lastschaltung 27, eine Spannungserfassungsschaltung 28, eine Konstantspannung-Bestimmungsschaltung 29 und einen Sender 32 auf. Die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 unterscheidet sich von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 1, die in 5 veranschaulicht ist, in der Konfiguration der Resonanzschaltung 20a und dahingehend, dass die Spule 23 entfällt. Daher werden im Folgenden die vorangehend beschriebenen Unterschiede und der damit zusammenhängende Sachverhalt erläutert.
In der Resonanzschaltung 20a sind die Empfangsspule 21 und der Resonanzkondensator 22 miteinander in Reihe geschaltet. Energie, welche über die Empfangsspule 21 empfangen wird, wird an die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 24 über den Resonanzkondensator 22 ausgegeben. Da die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5, wie vorangehend beschrieben, eine ähnliche Konfiguration zu der des SS-Verfahrens aufweist, ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 in der Lage, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen. Zudem kann in der Abwandlung, da, abweichend von der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SPL-Verfahren, die Resonanzschaltung 20a eine Reihenresonanz durchführt, die Spule 23 weggelassen werden. Man beachte, dass, abweichend von dem SS-Verfahren, die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 keine Resonanz der Übertragungsspule 14 auf der Energieübertragungsseite nutzen muss. Mit anderen Worten kann die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2, wie bei der vorangehend beschriebenen Ausführungsform, die Energieversorgungsschaltung 10 steuern, um der Übertragungsspule 14 Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz zuzuführen, bei der die Übertragungsspule 14 nicht resoniert.
18 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung, wenn eine Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, gemäß dem Kopplungskoeffizienten in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 gemäß der Abwandlung verändert wird, veranschaulicht. In 18 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Man beachte, dass bei der Simulation angenommen wird, dass Lp = 174 µH, Cp = 20 nF, Ri = Ris = 0.1 Ω, n = 1, Vin = 300 V und Ro = 10 Ω (Rac ≅ 8.1 Ω) sind. Graph 1801 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1802 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1803 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1804 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1805 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,25*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1806 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,25*Vin) festgelegt ist.
Wie durch Punkte 1811 bis 1813 in 18 veranschaulicht, existiert in der Abwandlung für jeden Wert des Kopplungskoeffizienten auch eine Kombination aus einer Frequenz und einer Ausgangsspannung, bei der die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant wird (d.h. es wird eine konstante Spannung ausgegeben), selbst wenn sich der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 unter der Bedingung, dass sich der Kopplungskoeffizient k nicht verändert, verändert. Die Ausgangsspannungen bei den jeweiligen Punkten 1811 bis 1813 sind im Wesentlichen gleich zueinander.
Wie vorangehend beschrieben wurde, wird deutlich, dass es in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5, soweit kein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist, ein angemessenes Einstellen der Schaltfrequenz und der Spannung der Wechselstrom-Energie, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt wird, auch ermöglicht, die Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant zu halten, selbst wenn sich entweder der Widerstandswert der Lastschaltung 27 oder der Kopplungskoeffizient verändert.
19 ist ein Diagramm, welches ein Beispiel für Simulationsergebnisse von Frequenzgängen einer Ausgangsspannung in Bezug auf die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers veranschaulicht. In 19 ist eine Frequenz entlang der horizontalen Achse eingezeichnet und eine Ausgangsspannung ist entlang der vertikalen Achse eingezeichnet. Graph 1901 repräsentiert einen Frequenzgang der Ausgangsspannung zur Zeit eines Eindringens eines Fremdkörpers, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1902 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,15 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf Vin festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1903 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf Rac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Zudem repräsentiert Graph 1904 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,3 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10* Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,5*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1905 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 aufRac festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,25*Vin) festgelegt ist. Des Weiteren repräsentiert Graph 1906 einen Frequenzgang der Ausgangsspannung, wenn der Kopplungskoeffizient k mit k = 0,6 festgelegt ist, der Wechselstrom-Ersatzwiderstand der Lastschaltung 27 auf (10*Rac) festgelegt ist und die Spannung, welche an die Übertragungsspule 14 angelegt ist, auf (0,25*Vin) festgelegt ist. Man beachte, dass in dem Beispiel, um eine Beeinflussung durch ein Eindringen eines Fremdkörpers zu repräsentieren, die Werte der Parameter, die bei der Simulation in 18 verwendet wurden, mit Ausnahme des Werts der Streuinduktivität Lr, der um 50 µH von dem in der Simulation in 18 verringert wurde, und des Wicklungswiderstandswerts Ri auf der Energieübertragungsseite und des Wicklungswiderstandswerts Ris auf der Energieempfangsseite, die jeweils um 3 Ω von denjenigen in der Simulation in 18 erhöht wurden, als Parameter der jeweiligen Schaltungselemente verwendet wurden.
Wie in 19 veranschaulicht, geht hervor, dass die Ausgangsspannung bei einem beliebigen der Kopplungskoeffizienten aufgrund einer Abweichung des Wechselstrom-Ersatzwiderstands der Lastschaltung 27 erheblich variiert und die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 aufhört, einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen. Des Weiteren geht hervor, dass das Eindringen eines Fremdkörpers veranlasst, dass sich die Wellenformen der Ausgangsspannung zu der Hochfrequenzseite unabhängig von dem Kopplungskoeffizienten verschieben.
Daher ist die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 auch in der Lage, zu bestimmen, ob ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist oder nicht, indem die Steuerschaltung 17 der Energieübertragungsvorrichtung 2 die Verarbeitung des anomalen Stoppens gemäß dem Vorgangsflussdiagramm, das in 8 oder 10 veranschaulicht ist, durchführt und eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 2 an die Energieempfangsvorrichtung 44 stoppt, wenn sie bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall eingedrungen ist.
Man beachte, dass in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 5 die Energieübertragungsvorrichtung 2 einen Kondensator, der mit der Übertragungsspule 14 in Reihe geschaltet ist, aufweisen kann und die Steuerschaltung 17 die Energieversorgungsschaltung 10 in einer derartigen Weise steuern kann, dass der Übertragungsspule 14 eine Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz, bei der die Resonanzschaltung, die durch die Übertragungsspule 14 und den Kondensator gebildet ist, resoniert, zugeführt wird. In diesem Fall arbeitet die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 5 als eine kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß dem SS-Verfahren. In diesem Fall ist die Steuerschaltung 17 auch in der Lage, zu bestimmen, ob ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule 14 und der Empfangsspule 21 eingedrungen ist oder nicht, indem sie die Verarbeitung des anomalen Stoppens gemäß dem Vorgangsflussdiagramm, das in 8 oder 10 veranschaulicht ist, durchführt und eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 2 an die Energieempfangsvorrichtung 44 stoppt, wenn sie bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall eingedrungen ist.
Des Weiteren kann in der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 4, die in 16 veranschaulicht ist, wie bei der kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung 5, die Energieempfangsvorrichtung 43, anstelle der Resonanzschaltung 60, in der die Empfangsspule 61 und der Resonanzkondensator 62 zueinander parallel geschaltet sind, eine Resonanzschaltung aufweisen, in der eine Empfangsspule und ein Resonanzkondensator miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Spule 63, die zwischen die Resonanzschaltung und die Gleichrichter- und Glättungsschaltung 64 geschaltet ist, kann weggelassen werden. In diesem Fall führt die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung auch einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durch, wenn kein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist, und hört auf, den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchzuführen, wenn ein Fremdkörper zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist. Daher ist die Steuerschaltung 59 der Energieübertragungsvorrichtung 42 in der Lage, zu bestimmen, ob ein Fremdkörper aus Metall zwischen der Übertragungsspule und der Empfangsspule eingedrungen ist oder nicht, indem sie die Verarbeitung des anomalen Stoppens ähnlich zu derjenigen durchführt, die durch die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung 4, die in 16 veranschaulicht ist, durchgeführt wird, und eine Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 42 an die Energieempfangsvorrichtung 43 stoppt, wenn sie bestimmt, dass ein Fremdkörper aus Metall eingedrungen ist.
Des Weiteren kann gemäß einer weiteren Abwandlung die Energieversorgungsschaltung, die der Übertragungsspule Wechselstrom-Energie zuführt, in der Energieübertragungsvorrichtung eine Schaltungskonfiguration aufweisen, die sich von der in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform und ihren Abwandlungen unterscheidet, soweit die Energieversorgungsschaltung eine Schaltung ist, die die Schaltfrequenz und die Spannung, die an die Übertragungsspule angelegt ist, variabel einstellen kann.
20A und 20B sind jeweils Schaltbilder von Energieversorgungsschaltungen gemäß der Abwandlung.
Eine Energieversorgungsschaltung 110, die in 20A veranschaulicht ist, weist eine Energiequelle 11, eine Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12, zwei Umschaltelemente 13-1 und 13-2 und einen mit einer Übertragungsspule 14 in Reihe geschalteten Kondensator 131 zum Sperren eines Gleichstroms auf. Man beachte, dass bei dieser Abwandlung für die Umschaltelemente zum Beispiel auch n-Kanal-MOSFETs verwendet werden können. Zudem kann die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 zum Beispiel identisch zu der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform eingerichtet sein.
In dieser Abwandlung sind das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen dem Anschluss der positiven Elektrode und dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 in Reihe geschaltet. Zudem ist das Umschaltelement 13-1 mit der Seite der positiven Elektrode der Energiequelle 11 verbunden, während das Umschaltelement 13-2 mit der Seite der negativen Elektrode der Energiequelle 11 verbunden ist. Der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-1 ist mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-1 ist mit dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 verbunden. Zudem ist der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit dem Anschluss der negativen Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 verbunden. Des Weiteren sind der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und der Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 mit einem Ende der Übertragungsspule 14 verbunden und der Source-Anschluss des Umschaltelements 13-2 ist mit dem anderen Ende der Übertragungsspule 14 über den Kondensator 131 verbunden. Zudem sind die Gate-Anschlüsse der Umschaltelemente mit einem Gate-Treiber 16-2 verbunden.
In dieser Abwandlung kann der Gate-Treiber 16-2 das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand gemäß einem Steuersignal von einer Steuerschaltung 17 abwechselnd umschalten. Mit anderen Worten fließt, wenn das Umschaltelement 13-1 eingeschaltet ist und das Umschaltelement 13-2 ausgeschaltet ist, Strom von der Energiequelle 11 zu der Übertragungsspule 14 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 und das Umschaltelement 13-1, und der Kondensator 131 wird geladen. Andererseits wird, wenn das Umschaltelement 13-1 ausgeschaltet ist und das Umschaltelement 13-2 eingeschaltet ist, der Kondensator 131 entladen und Strom fließt von dem Kondensator 131 über die Übertragungsspule 14 und das Umschaltelement 13-2. In dieser Abwandlung kann die Steuerschaltung 17 daher die Schaltfrequenz, mit der das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand über den Gate-Treiber 16-2 umgeschaltet werden, in Abhängigkeit von Bestimmungsinformationen, die von einer Energieempfangsvorrichtung 3 empfangen werden, steuern.
Eine Energieversorgungsschaltung 120, die in 20B veranschaulicht ist, weist, wie bei der Energieversorgungsschaltung 110, eine Energiequelle 11, eine Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12, zwei Umschaltelemente 13-1 und 13-2 und einen Kondensator 131, der mit einer Übertragungsspule 14 in Reihe geschaltet ist, auf. Man beachte, dass ein Ende der Übertragungsspule 14 in der Energieversorgungsschaltung 120, im Vergleich zu der Energieversorgungsschaltung 110, mit dem Anschluss der positiven Elektrode der Energiequelle 11 über die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung 12 und das andere Ende der Übertragungsspule 14 mit dem Source-Anschluss des Umschaltelements 13-1 und dem Drain-Anschluss des Umschaltelements 13-2 über den Kondensator 131 verbunden ist.
In dieser Abwandlung kann der Gate-Treiber 16-2 auch das Umschaltelement 13-1 und das Umschaltelement 13-2 zwischen einem Ein- und einem Aus-Zustand gemäß einem Steuersignal von einer Steuerschaltung 17 abwechselnd umschalten.
Zudem kann in der in 5 veranschaulichten Ausführungsform und der in 17 veranschaulichten Abwandlung sowie den in 20A und 20B veranschaulichten Abwandlungen eine Energiequelle mit variabler Spannung anstelle der Energiequelle und der Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung, wie in 16 veranschaulicht, verwendet werden. Umgekehrt können in der in 16 veranschaulichten Abwandlung die Energiequelle und die Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung in der in 5 veranschaulichten Ausführungsform anstelle der Energiequelle mit variabler Spannung verwendet werden. Des Weiteren kann in der in 16 veranschaulichten Abwandlung die Energiequelle mit variabler Spannung 51 in einer derartigen Weise eingerichtet sein, dass sie in der Lage ist, der Übertragungsspule 54 Energie mit einer vorbestimmten Spannung zuzuführen, während die Schaltfrequenz eingestellt wird. In diesem Fall können der Gleichstromwandler 52 und das Umschaltelement 53-3 weggelassen werden.
Zudem kann in der vorangehend beschriebenen Ausführungsform oder irgendeiner der jeweiligen Abwandlungen davon, wenn es möglich ist, den Empfänger der Energieübertragungsvorrichtung und den Sender der Energieempfangsvorrichtung miteinander in einer drahtgebundenen Weise zu verbinden, jeder von dem Empfänger und dem Sender eine Kommunikationsschaltung aufweisen, die in der Lage ist, ein Signal, welches Bestimmungsinformationen aufweist, in einer drahtgebundenen Weise zu übermitteln.
Wie vorangehend erörtert wurde, könnte ein Fachmann auf dem Gebiet verschiedene Änderungen, welche für die Ausführungsformen geeignet sind, vornehmen, ohne von dem Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Bezugszeichenliste

1, 4, 5: Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung
2, 42: Energieübertragungsvorrichtung
10, 110, 120: Energieversorgungsschaltung
11: Energiequelle
12: Leistungsfaktor-Verbesserungsschaltung
51: Energiequelle mit variabler Spannung
52: Gleichstromwandler
13-1 bis 13-4, 53-1 bis 53-3: Umschaltelement
14, 54: Übertragungsspule
55: Kondensator
56: Stromerfassungsschaltung
15, 57: Empfänger
16-1, 16-2, 58: Gate-Treiber
17, 59: Steuerschaltung
3, 43, 44: Energieempfangsvorrichtung
20, 20a, 60: Resonanzschaltung
21, 61: Empfangsspule
22, 62: Resonanzkondensator
23, 63: Spule
24, 64: Gleichrichter- und Glättungsschaltung
25, 65: Vollwellen-Gleichrichterschaltung
26, 66: Glättungskondensator
27, 67: Lastschaltung
28, 68: Spannungserfassungsschaltung
29, 69: Konstantspannung-Bestimmungsschaltung
30, 70: Bestimmungsschaltung
31, 71: Umschaltelement
72: Schaltung mit festgelegter Last
32, 73: Sender
111: Wechselstrom-Energiequelle
131: Kondensator

Claims

Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung, umfassend eine Energieübertragungsvorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung, an welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung ohne Kontakt übertragen wird, wobei die Energieempfangsvorrichtung umfasst: eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule, welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung empfängt, aufweist; und eine Gleichrichterschaltung, die eine von der Resonanzschaltung ausgegebene Energie gleichrichtet, und wobei die Energieübertragungsvorrichtung umfasst: eine Übertragungsspule, die der Energieempfangsvorrichtung Energie zuführt; eine Energieversorgungsschaltung, die der Übertragungsspule Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz zuführt; und eine Steuerschaltung, die eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule stoppt, wenn die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt, selbst wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, über einen vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Energieempfangsvorrichtung ferner eine Spule umfasst, die zwischen der Resonanzschaltung und der Gleichrichterschaltung mit der Empfangsspule in Reihe geschaltet ist, wobei die Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung ferner einen Resonanzkondensator aufweist, der zu der Empfangsspule parallel geschaltet ist, und wobei die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung die Energieversorgungsschaltung in einer derartigen Weise steuert, dass der Übertragungsspule Wechselstrom-Energie mit einer Schaltfrequenz, bei der die Übertragungsspule nicht resoniert, zugeführt wird.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die Resonanzschaltung der Energieempfangsvorrichtung ferner einen Resonanzkondensator, der mit der Empfangsspule in Reihe geschaltet ist, aufweist.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energieempfangsvorrichtung ferner umfasst: eine Spannungserfassungsschaltung, die eine Ausgangsspannung einer von der Resonanzschaltung ausgegebenen Energie misst und einen gemessenen Wert der Ausgangsspannung erhält; eine Konstantspannung-Bestimmungsschaltung, die, basierend auf einem gemessenen Wert der Ausgangsspannung, bestimmt, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht und ob ein gemessener Wert der Ausgangsspannung von der Resonanzschaltung innerhalb eines vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht; und einen Sender, der an die Energieübertragungsvorrichtung ein Signal überträgt, welches Bestimmungsinformationen aufweist, die angeben, ob die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt oder nicht und ob ein gemessener Wert der Ausgangsspannung innerhalb des vorbestimmten zulässigen Spannungsbereichs liegt oder nicht, und wobei die Energieübertragungsvorrichtung ferner umfasst einen Empfänger, der das Signal empfängt, welches die Bestimmungsinformationen aufweist, wobei die Steuerschaltung eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule stoppt, wenn die Steuerschaltung die Bestimmungsinformationen nicht empfängt, die angeben, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, selbst wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, über den vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung der Energieempfangsvorrichtung einen Veränderungsbetrag gemessener Werte der Ausgangsspannung während eines Ablaufs eines vorbestimmten Zeitraums berechnet, wobei der Sender der Energieempfangsvorrichtung den Veränderungsbetrag gemessener Werte der Ausgangsspannung in die Bestimmungsinformationen einbezieht, und wobei die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule stoppt, wenn der Veränderungsbetrag gemessener Werte der Ausgangsspannung, welcher in den Bestimmungsinformationen enthalten ist, angibt, dass die gemessenen Werte der Ausgangsspannung ansteigen, wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, in einer derartigen Weise verändert wird, dass sie um einen vorbestimmten Betrag erhöht wird.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß Anspruch 4 oder 5, wobei die Konstantspannung-Bestimmungsschaltung bestimmt, dass die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung den Ausgabevorgang mit konstanter Spannung durchführt, wenn gemessene Werte der Ausgangsspannung im Wesentlichen konstant werden, selbst wenn ein Widerstandswert einer Schaltung, die mit der Resonanzschaltung verbunden ist, verändert wird.
Kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Energieübertragungsvorrichtung ferner eine Stromerfassungsschaltung umfasst, die Strom, welcher durch die Übertragungsspule fließt, misst und einen gemessenen Wert des Stroms erhält, und wobei die Steuerschaltung der Energieübertragungsvorrichtung gemessene Werte des Stroms überwacht, während sie die Schaltfrequenz über den vorbestimmten Frequenzbereich verändert, und dadurch bestimmt, ob eine Schaltfrequenz, bei der gemessene Werte des Stroms ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird oder nicht, und eine Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule stoppt, wenn keine Schaltfrequenz, bei der gemessene Werte des Stroms ein lokales Maximum aufweisen, erfasst wird.
Verfahren zum anomalen Stoppen in einer kontaktlosen Energieversorgungsvorrichtung, umfassend eine Energieübertragungsvorrichtung und eine Energieempfangsvorrichtung, an welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung ohne Kontakt übertragen wird, wobei die Energieempfangsvorrichtung umfasst: eine Resonanzschaltung, die eine Empfangsspule, welche Energie von der Energieübertragungsvorrichtung empfängt, aufweist; und eine Gleichrichterschaltung, die eine von der Resonanzschaltung ausgegebene Energie gleichrichtet, und wobei die Energieübertragungsvorrichtung umfasst: eine Übertragungsspule, die der Energieempfangsvorrichtung Energie zuführt; und eine Energieversorgungsschaltung, die der Übertragungsspule Wechselstrom-Energie mit einer einstellbaren Schaltfrequenz zuführt, wobei das Verfahren zum anomalen Stoppen umfasst: einen Schritt zum Verändern der Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie, welche der Übertragungsspule von der Energieversorgungsschaltung zugeführt wird, über einen vorbestimmten Frequenzbereich; und einen Schritt zum Stoppen einer Energiezufuhr von der Energieversorgungsschaltung zu der Übertragungsspule, wenn die kontaktlose Energieversorgungsvorrichtung einen Ausgabevorgang mit konstanter Spannung nicht durchführt, selbst wenn die Schaltfrequenz der Wechselstrom-Energie über den vorbestimmten Frequenzbereich verändert wird.