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CN102396131B - 非接触供电设备、非接触受电装置以及非接触供电系统 - Google Patents

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CN102396131B
CN102396131B CN200980158682.6A CN200980158682A CN102396131B CN 102396131 B CN102396131 B CN 102396131B CN 200980158682 A CN200980158682 A CN 200980158682A CN 102396131 B CN102396131 B CN 102396131B
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榊原启之
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Soken Inc
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Nippon Soken Inc
Toyota Motor Corp
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Abstract

通过经由电磁场使供电设备(1)的初级自谐振线圈(30)和受电装置(2)的次级自谐振线圈(60)共振，以非接触的方式从供电设备(1)对受电装置(2)供电。控制装置(40)，通过控制高频电源装置(10)，控制从初级自谐振线圈(30)向次级自谐振线圈(60)的供电。此处，控制装置(40)，基于根据初级自谐振线圈(30)与次级自谐振线圈(60)之间的距离变化的S11参数，推定初级自谐振线圈(30)与次级自谐振线圈(60)之间的距离，基于该推定的距离执行供电控制。

Description

非接触供电设备、非接触受电装置以及非接触供电系统
技术领域
本发明涉及非接触供电设备、非接触受电装置以及非接触供电系统，特别涉及通过经由电磁场使分别设置在供电设备以及从供电设备受电的受电装置的共振器共振，以非接触的方式向受电装置进行供电的非接触供电设备、非接触受电装置以及非接触供电系统。
背景技术
作为考虑环境的车辆，电动汽车和混合动力汽车等电动车辆受人注目。这些车辆搭载产生行驶驱动力的电动机以及蓄积向该电动机供给的电力的可再充电蓄电装置。混合动力汽车是除了电动机还搭载了内燃机作为动力源的汽车、除了蓄电装置还搭载了燃料电池作为车辆驱动用的直流电源的汽车。
即使在混合动力汽车中，与电动汽车相同，已知能够从车辆外部的电源对车载的蓄电装置进行充电的车辆。例如，已知通过利用充电电缆连接设置在房屋的电源插座和设置在车辆的充电口，能够从一般家庭的电源对蓄电装置进行充电的、即「插电式混合动力汽车」。
另一方面，作为送电方法，不使用电源代码和送电电缆的无线送电近年来受人注目。作为该无线送电技术，作为有力的技术，已知使用了电磁感应的送电、使用了微波的送电、以及利用共振法进行送电的3个技术。
其中，共振法是使一对共振器(例如一对自谐振线圈)在电磁场(接近场)中共振，经由电磁场送电的非接触的送电技术，能够使数kW的大电力比较长距离地(例如数m)送电(例如，参照专利文献1和/或非专利文献1)。
专利文献
专利文献1：国际公开第2007/008646号册
非专利文献
非专利文献：Andre Kurs et al.、“Wireless Power Transfer via StronglyCoupled Magnetic Resonances”、[online]、2007年7月6日、SCIENCE、第317卷、p.83-86、[日本平成2007年8月17日检索]、互联网<URL：http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/317/5834/83.pdf>
发明内容
在将使用了共振法的非接触供电应用于电动车辆等的实际系统的情况下，控制系统的简化成为课题。例如，若不在供电设备和受电装置(例如从供电设备接受供电的车辆)之间进行通信就能在供电设备中判断受电装置的存在或者与受电装置之间的距离，则可以不需要进行供电设备和受电装置之间的通信控制。但是，在上述文献中，未对那样的课题进行特别地检讨。
因此，本发明的目的在于提供一种能够使控制系统简单化的非接触供电设备、非接触受电装置以及非接触供电系统。
根据本发明，非接触供电设备具备：送电用共振器、电源装置、以及控制装置。送电用共振器，通过经由电磁场与受电装置的受电用共振器共振，以非接触的方式向受电装置送电。电源装置，与送电用共振器连接，产生预定的高频电压。控制装置，通过控制电源装置，控制从送电用共振器向受电用共振器的供电。此处，控制装置，基于根据送电用共振器与受电用共振器之间的距离变化的、从送电用共振器的输入部来看受电用共振器的阻抗的频率特性，执行供电控制。阻抗由于能够利用下述公式变换成S11参数，因此以下，记述为利用S11参数来代替阻抗，执行供电控制。
S11＝(Z1-Z0)/(Z1+Z0)...(1)
此处，Z1表示从送电用共振器的输入部来看受电用共振器侧的阻抗，Z0表示从输入部来看电源装置侧的阻抗。另外，Z1使用输入到送电用共振器的电压V1和输入到送电用共振器的电流I1，通过下述公式进行表示。
Z1＝V1/I1...(2)
优选的是，控制装置，基于S11参数推定送电用共振器与受电用共振器之间的距离，基于该推定的距离执行供电控制。
优选的是，控制装置，当基于S11参数推定的距离在预定值以下时，执行向受电装置的供电。
优选的是，控制装置，基于根据送电用共振器与受电用共振器之间的距离变化的S11参数的振幅特性，推定送电用共振器与受电用共振器之间的距离。
另外，优选的是，控制装置，基于根据送电用共振器与受电用共振器之间的距离变化的S11参数的相位特性，推定送电用共振器与受电用共振器之间的距离。
优选的是，控制装置，基于S11参数判定是否需要进行受电装置的受电以及能否向受电装置供电，当判定为能够向受电装置供电时，控制电源装置使得产生具有基于S11参数的奇异点决定的谐振频率的电压。
优选的是，非接触供电设备，还具备电流测定单元和电压测定单元。电流测定单元，检测输入到送电用共振器的电流。电压测定单元，检测输入到送电用共振器的电压。并且，控制装置，控制电源装置使得预定的小电力以预定的频带中的多个频率向受电装置输出，基于由电压测定单元检测出的电压以及由电流测定单元检测出的电流算出S11参数。
优选的是，送电用共振器，包括初级线圈和初级自谐振线圈。初级线圈，与电源装置连接。初级自谐振线圈，通过电磁感应从初级线圈接受供电，产生电磁场。
另外，根据本发明，非接触受电装置，具备受电用共振器和阻抗变更装置。受电用共振器，通过经由电磁场与供电设备的送电用共振器共振，以非接触的方式从供电设备受电。阻抗变更装置，根据是否需要从供电设备受电来变更阻抗，使得能够在供电设备中基于阻抗的频率特性判定是否需要从供电设备受电。
优选的是，阻抗变更装置，在结束从供电设备受电时，变更输入阻抗使得能够在供电设备中基于S11参数检测受电结束。
另外，根据本发明，非接触供电系统，具备：供电设备，其能够输出预定的高频电力；以及受电装置，其能够以非接触的方式从供电设备受电。供电设备包括：电源装置、送电用共振器、以及控制装置。电源装置，产生预定的高频电压。送电用共振器，与电源装置连接，从电源装置接受电力产生电磁场。控制装置，通过控制电源装置，控制从送电用共振器对受电装置的供电。受电装置包括受电用共振器。受电用共振器，通过经由电磁场与送电用共振器共振，以非接触的方式从送电用共振器接受电力。控制装置，基于根据送电用共振器与受电用共振器之间的距离变化的S11参数，执行供电控制。
优选的是，控制装置，基于S11参数推定送电用共振器与受电用共振器之间的距离，基于该推定出的距离执行供电控制。
优选的是，控制装置，当基于S11参数推定出的距离在预定值以下时，执行对受电装置的供电。
优选的是，受电装置还包括阻抗变更装置。阻抗变更装置，被构成为在结束从供电设备受电时，能够变更该受电装置的阻抗。控制装置，使用在受电装置中由阻抗变更装置变更了阻抗时预先求得的S11参数特性，基于S11参数检测与受电结束伴随的受电装置的阻抗的变更，基于该检测结果停止向受电装置的供电。
优选的是，送电用共振器，包括：初级线圈和初级自谐振线圈。初级线圈，与电源装置连接。初级自谐振线圈，通过电磁感应从初级线圈接受供电，产生电磁场。受电用共振器，包括：次级自谐振线圈和次级线圈。次级自谐振线圈，通过经由电磁场与初级自谐振线圈共振，从初级自谐振线圈受电。次级线圈，通过电磁感应取得由次级自谐振线圈接受的电力。
在本发明中，基于根据送电用共振器与受电用共振器之间的距离变化的S11参数执行供电控制，因此不在供电设备和受电装置之间进行通信就能在供电设备中判定受电装置的存在或者与受电装置的距离。因此，根据本发明，可以不需要供电设备和受电装置之间的通信控制。其结果，能够使控制系统简单化。
附图说明
图1是本发明的实施方式的非接触供电系统的整体结构图。
图2是与利用共振法的送电相关的部分的等价电路图。
图3是表示图2示出的电路网的S11参数的振幅特性的图。
图4是表示在使初级自谐振线圈和次级自谐振线圈之间的距离发生了变化的情况下的极小点的频率差、与初级自谐振线圈和次级自谐振线圈之间的距离的对应关系的图。
图5是表示在与极小点变成一个的距离相比初级自谐振线圈和次级自谐振线圈之间的距离较长时的S11参数的振幅的大小、与初级自谐振线圈和次级自谐振线圈之间的距离的对应关系的图。
图6是表示图2示出的电路网的S11参数的相位特性的图。
图7是表示从当S11参数算出时进行了扫描的频率范围中的相位特性的最小值到最大值的变化幅度、与初级自谐振线圈和次级自谐振线圈之间的距离的对应关系的图。
图8是表示在图1示出的阻抗变更部中当次级线圈和负载之间的线路断开时的S11参数的相位特性的图。
图9是表示由图1示出的控制装置所执行的供电控制的处理顺序的流程图。
图10是表示由控制装置所执行的S11参数运算处理的顺序的流程图。
图11是作为搭载了图1示出的受电装置的电动车辆的一个例子进行示出的混合动力汽车的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。对图中相同或相当的部分标记相同的符号并不重复其说明。
图1是本发明的实施方式的非接触供电系统的整体结构图。参照图1，非接触供电系统具备供电设备1和受电装置2。供电设备1包括：高频电源装置10、初级线圈20、初级自谐振线圈30、控制装置40、电流测定单元50、电压测定单元55。
高频电源装置10，与初级线圈20连接，能够基于从控制装置40接受的驱动信号产生预定的高频电压(例如大约数MHz～数10MHz)。高频电源装置10，例如由正弦波变换器电路构成，通过控制装置40进行控制。
初级线圈20，被构成为与初级自谐振线圈30大致在同轴上配置、能够通过电磁感应与初级自谐振线圈30磁结合。并且，初级线圈20，通过电磁感应将从高频电源装置10供给来的高频电力供给到初级自谐振线圈30。
初级自谐振线圈30是两端开路(非连接)的LC共振线圈，通过经由电磁场与受电装置2的次级自谐振线圈60(后述)共振，以非接触的方式向受电装置2供给电力。虽然C1表示初级自谐振线圈30的杂散电容，但实际上也可以设置电容器。
电流测定单元50，检测输入到初级线圈20的电流I，且将该检测值输出到控制装置40。电压测定单元55，检测输入到初级线圈20的电压V，且将该检测值输出到控制装置40。电流测定单元50，例如由电流传感器构成，电压测定单元55，例如由电压传感器构成。
控制装置40，生成用于控制高频电源装置10的驱动信号，且将该生成的驱动信号输出到高频电源装置10。并且，控制装置40，通过控制高频电源装置10，控制从初级自谐振线圈30对受电装置2的次级自谐振线圈60的供电。
此处，控制装置40，基于根据初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离变化的、从界面100来看初级线圈20侧的S11参数(以下称为「所述S11参数」。)推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离，基于该推定的距离执行供电控制。更详细而言，控制装置40，当基于所述S11参数推定出的距离在预定值以下时，执行从供电设备1对受电装置2的供电控制，当基于所述S11参数推定出的距离比上述预定值大时，不执行供电控制。
所述S11参数，是由初级线圈20、初级自谐振线圈30、以及受电装置2的次级自谐振线圈60和次级线圈70构成的电路网的输入端口(初级线圈20的输入)的反射系数，在开始由供电设备1对受电装置2的供电前、和/或供电中，以预定的频率定期地算出。后文对上述电路网中的S11参数的特性进行详细说明。
另外，如后文所述，当在受电装置2中与结束受电伴随而变更受电装置2的阻抗时，控制装置40基于S11参数检测受电装置2的阻抗的变更，基于该检测结果停止从供电设备1对受电装置2的供电。下文对控制装置40的功能结构进行详细说明。
另一方面，受电装置2包括：次级自谐振线圈60、次级线圈70、以及阻抗变更部80。
次级自谐振线圈60，也与上述的初级自谐振线圈30相同，为两端开路(非连接)的LC共振线圈，通过经由电磁场与供电设备1的初级自谐振线圈30共振，以非接触的方式从供电设备1接受电力。C2虽然表示次级自谐振线圈60的杂散电容，但实际上也可以设置电容器。
次级线圈70，被构成为与次级自谐振线圈60大致在同轴上配置，能够通过电磁感应与次级自谐振线圈60磁结合。并且，次级线圈70，通过电磁感应取得从次级自谐振线圈60接受的电力，且经由阻抗变更部80将该取得的电力输出到负载3。
阻抗变更部80，设置在次级线圈70和负载3之间，在负载3的阻抗发生变化的情况下，将阻抗变更部80的输入阻抗调整成固定值。作为一个例子，阻抗变更部80，包括能够调整输入阻抗的转换器。
另外，阻抗变更部80，基于来自供电设备1的指示受电结束的信号STP，将输入阻抗变更成预定值。即，当指示来自供电设备1的受电结束时，通过阻抗变更部80将受电装置2的阻抗变更为预定值。并且，与该受电结束伴随的受电装置2的阻抗的变更，通过供电设备1的控制装置40基于S11参数进行检测。
在负载3的阻抗未发生变化的情况下，也可以通过能够切断电路的开关、可变阻抗装置等构成阻抗变更部80。
图2是与利用共振法的送电相关的部分的等价电路图。参照图2，在该共振法中，与两个音叉共振相同，通过具有相同固有频率的两个LC共振线圈在电磁场(接近场)共振，经由电磁场从一方的线圈向另一方的线圈传送电力。
具体而言，使高频电源装置10与初级线圈20连接，向通过电磁感应与初级线圈20磁结合的初级自谐振线圈30供给例如大约数MHz～数10MHz的高频电力。初级自谐振线圈30为利用线圈自身的电感和杂散电容C1的LC共振器，经由电磁场(接近场)与具有与初级自谐振线圈30相同共振频率的次级自谐振线圈60共振。这样一来，能量(电力)经由电磁场从初级自谐振线圈30向次级自谐振线圈60移动。向次级自谐振线圈60移动了的能量(电力)，从通过电磁感应与次级自谐振线圈60磁结合的次级线圈70取出，供给到负载3。
上述的S11参数，对于在端口P1、P2之间形成的、由初级线圈20、初级自谐振线圈30、次级自谐振线圈60、以及次级线圈70构成的电路网，与相对于输入给端口P1的电力(从高频电源装置10输出的电力)的反射电力的比率、即端口P1的反射系数对应。
图3是表示图2示出的电路网的S11参数的振幅特性的图。参照如3，纵轴表示S11参数的振幅，横轴表示从高频电源装置10供给到电路网的高频电力的频率。曲线k11表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D1时的S11参数的振幅特性，曲线k12表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D2(＞D1)时的S11参数的振幅特性。另外，曲线k13，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D3(＞D2)时的S11参数的振幅特性，曲线k14表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D4(＞D3)时的S11参数的振幅特性。
曲线k11、k12、k13表示由于初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离(D1、D2、D3)较近而能够从供电设备1向受电装置2供给足够的电力的情况，曲线k14表示由于初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离(D4)分离过大而不能从供电设备1向受电装置2供给足够的电力的情况。
如图3所示，利用共振法实现送电的图2所示的电路网的S11参数的振幅特性，当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离较近时产生2个极小点(奇异点)，随着距离接近，极小点的频率(f11、f12)远离。另外，随着距离变远，极小点的频率(f11、f12)接近，在某一定的距离Db处2个极小点变成1个。另外，还具有随着从极小点变成1个的距离Db开始变远，S11参数的振幅变大这样的特征。因此，在本实施方式中，在从供电设备1对受电装置2的供电开始时，预先求得图4所示的、在使初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离发生了变化的情况下的极小点的频率差、与初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离的对应关系。并且，基于图4示出的对应关系，在与极小点变成1个的距离Db相比初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离较短的情况下，算出图2示出的电路网的S11参数，且能够从由该算出的S11参数的振幅表示的极小点的频率差推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离。或者，预先求得图5所示的、当与极小点变成1个的距离Db相比初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离较长时的S11参数的振幅的大小、与初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离的对应关系。并且，基于图5示出的对应关系，在与极小点变成1个的距离Db相比初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离较长的情况下，算出图2示出的电路网的S11参数，且能够从该算出的S11参数的振幅的大小推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离。并且，当推定出的距离在预定值以下时，开始从供电设备1对受电装置2的供电。
代替S11参数的振幅特性，也可以基于S11参数的相位特性推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离。
图6是表示图2示出的电路网的S11参数的相位特性的图。参照图6，纵轴表示S11参数的相位，横轴表示从高频电源装置10供给到电路网的高频电力的频率。曲线k21，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D1时的S11参数的相位特性，曲线k22，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D2(＞D1)时的S11参数的相位特性。另外，曲线k23，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D3(＞D2)时的S11参数的相位特性，曲线k24，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D4(＞D3)时的S11参数的相位特性。
曲线k21、k22、k23，表示由于初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离(D1、D2、D3)较近而能够从供电设备1向受电装置2供给足够的电力的情况，曲线k24，表示由于初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离(D4)过大而不能从供电设备1向受电装置2供给足够的电力的情况。
如图6所示，利用共振法实现送电的图2所示的电路网的S11参数的相位特性，当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离较近时产生2个极小点和极大点，随着距离接近，在位于预定的频率范围内的极小点和极大点之间相位特性的变化的倾斜度变成最大的点(奇异点)的频率(f21、f22)远离。另外，随着距离变远，在位于预定的频率范围内的极小点和极大点之间相位特性的变化的倾斜度变成最大的点(奇异点)的频率(f21、f22)接近，在某一定的距离Db处2个极小点和极大点变成1个。另外，还具有当从极小点和极大点变成1个的距离Db开始变远时，在某一定的距离Dc处极小点和极大点消失，相位特性变成单调函数这样的特征。另一方面，从在算出S11参数时扫描的频率范围内的相位特性的最小值到最大值的变化幅度Δθ，具有随着距离变远而变大这样的特征。
因此，在从供电设备1对受电装置2开始供电时，预先求得图4所示的、在预定的频率范围内的极小点和极大点之间相位特性的变化的倾斜度变成最大的点的频率差、与初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离的对应关系。并且，基于图4示出的对应关系，在与极小点和极大点变成1个的距离Db相比初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离较短的情况下，算出图2示出的电路网的S11参数，且能够从由该算出的S11参数的相位表示的、在预定的频率范围内的极小点和极大点之间相位特性的变化的倾斜度变成最大的点的频率差，推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离。或者，预先求得图7所示的、从在算出S11参数时扫描的频率范围内的相位特性的最小值到最大值的变化幅度Δθ、与初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离的对应关系。并且，基于图7示出的对应关系，在与极小点和极大点变成1个的距离Db相比初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离较短的情况下，算出图2示出的电路网的S11参数，且能够根据由该算出的S11参数的相位所表示的、从在算出S11参数时扫描的频率范围内的相位特性的最小值到最大值的变化幅度Δθ推定初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离。
图8是表示在图1示出的阻抗变更部80中当次级线圈70和负载3之间的线路开路时的S11参数的相位特性的图。参照图8，纵轴表示S11参数的相位，横轴表示从高频电源装置10供给到电路网的高频电力的频率。曲线31，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D1时的S11参数的相位特性，曲线32，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D2(＞D1)时的S11参数的相位特性。另外，曲线33，表示当初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离为D3(＞D2)时的S11参数的相位特性。如图8所示，利用共振法实现送电的图2所示的电路网的S11参数的相位特性，具有与初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离无关，而是用单调函数进行表示这样的特征。
当在受电装置2(图1)中与受电结束伴随而使受电装置2的阻抗变更为预定值时，S11参数的相位特性，如图8所示发生变化。因此，在本实施方式中，当受电装置2的受电结束时，算出图2所示的电路网的S11参数，若该算出的S11参数的相位特性为单调函数，则可以在供电设备1侧检测受电装置2中的阻抗的变化即受电结束。
图9是表示由图1示出的控制装置40所执行的供电控制的处理顺序的流程图。该流程图的处理，每隔一定时间或者每当预定的条件成立时从主程序读出、并执行。
参照图9，控制装置40，基于能够通过后述的S11参数运算处理得到的、扫描频率f1～fm(m为2以上的自然数)的S11参数，计算初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离(步骤S10)。例如，如图3和图6所说明地那样，基于S11参数的振幅特性或者相位特性，推定初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离。
接着，控制装置40，基于扫描频率f1～fm的S11参数，判断是否需要受电装置2(图1)的受电(步骤S20)。例如，如用图8所说明地那样，基于算出的S11参数的相位特性和图8示出的相位特性的比较结果，判断是否需要受电装置2的受电。
并且，控制装置40，判断能否从供电设备1向受电装置2输出大电力(供电电力)(步骤S30)。详细而言，在步骤S10中推定的初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离在预定值以下，并且在步骤S20中判断为在受电装置2中需要受电时，控制装置40，判定为能够从供电设备1向受电装置2输出大电力。上述预定值，被设定为能够实施从供电设备1对受电装置2的供电的值。
当在步骤S30中判定为能够从供电设备1向受电装置2输出大电力时(在步骤S30中为“是”)，控制装置40，基于算出的S11参数决定谐振频率f0(步骤S40)。该谐振频率f0，是在S11参数的振幅特性所表示的极小点或者相位特性所表示的预定的频率范围内的极小点和极大点之间相位特性的变化的倾斜度变为最大的点的频率。
并且，控制装置40，生成用于控制高频电源装置10的驱动信号，输出到高频电源装置10，使得具有该决定的谐振频率f0的大电力(供电电力)从供电设备1输出到受电装置2(步骤S50)。
当在步骤S30中判定为不能从供电设备1向受电装置2输出大电力时(在步骤S30中为“否”)，停止大电力的输出(步骤S60)。在未从供电设备1向受电装置2输出大电力的情况下，禁止大电力的输出。
图10是表示由控制装置40所执行的S11参数运算处理的顺序的流程图。S11参数可以通过按预定间隔对预定的频带进行扫描来得到。具体而言，例如图6和/或图8所示的频率范围设定为预定的频带，按各个在该频带中以预定间隔依次发生变化的m个的扫描频率算出S11参数。图10所示的流程图的处理，按一定周期进入图9示出的供电控制的处理，以与图9示出的流程图的处理相比较足够短的周期来执行。
参照图10，控制装置40，首先将计数值n设定为1(步骤S110)。接着，控制装置40，生成用于控制高频电源装置10的驱动信号、且输出到高频电源装置10，使得具有扫描频率fn的小电力(比真正供电时小的电力)从供电设备1输出到受电装置2(步骤S120)。
接着，控制装置40，从电流测定单元50取得输入到初级线圈20的电流I的检测值，从电压测定单元55取得输入到初级线圈20的电压V的检测值，同时取得相位差(步骤S13)。并且，控制装置40，基于那些取得的信息，利用下述公式算出扫描频率fn的S11参数(步骤S140)。
S11＝((V/I-Z0)/((V/I)+Z0)...(3)
此处，Z0表示从初级线圈20的电力输入部来看高频电源装置10侧的阻抗。并且，当算出扫描频率fn的S11参数时，控制装置40，判定计数值n是否比m小(步骤S150)。当判定为计数值n比m小时(在步骤S150中为“是”)，控制装置40，将计数值n设定为(n+1)(步骤S160)，使处理转移到步骤S120。另一方面，当在步骤S150中判定为计数值n在m以上时(在步骤S150中为“否”)，控制装置40，使处理转移到步骤S170，结束一连串的处理。
在进行上述的控制时，为了算出S11参数，同样也可以通过像网络分析仪那样地使用了方向性耦合器的方法来实现。另外，代替S参数而使用Z参数和/或Y参数等也同样能够实现。
图11是作为搭载了图1示出的受电装置2的电动车辆的一个例子进行示出的混合动力汽车的结构图。参照图11，混合动力汽车200包括：蓄电装置210、系统主继电器SMR1、升压转换器220、变换器230，232、电动发电机240，242、发动机250、动力分配装置260、以及驱动轮270。另外，混合动力汽车200还包括：次级自谐振线圈60、次级线圈70、阻抗变更部80、整流器280、系统主继电器SMR2、以及车辆ECU290。
混合动力汽车200，将发动机250和电动发电机242作为动力源进行搭载。发动机250和电动发电机240、242，与动力分配装置260连结。并且，混合动力汽车200，利用发动机250和电动发电机242的至少一方产生的驱动力来行驶。发动机250产生的动力，通过动力分配装置260被分配成两条路径。即，一个是传递给驱动轮270的路径，另一个是传递给电动发电机240的路径。
电动发电机240为交流旋转电机，例如由在转子埋设了永磁体的三相交流同步电动机构成。电动发电机240，经由动力分配装置260来使用发动机250的动能进行发电。例如，当蓄电装置210的充电状态(「也被称为SOC(State Of Charge)。」变得比预先确定的值低时，发动机250启动，通过电动发电机240进行发电，向蓄电装置210充电。
电动发电机242也是交流旋转电机，与电动发电机240相同，例如由在转子埋设了永磁体的三相交流同步电动机构成。电动发电机242，使用在蓄电装置210中蓄积的电力以及由电动发电机240发电产生的电力的至少一个来产生驱动力。并且，电动发电机242的驱动力，被传递给驱动轮270。
另外，车辆的制动时、下坡斜面上的加速度降低时，将作为动能和势能蓄积在车辆的机械能经由驱动轮270用于电动发电机242的旋转驱动，电动发电机242作为发电机进行工作。由此，电动发电机242，作为将行驶能量变换成电力来产生制动力的再生制动器进行工作。并且，通过电动发电机242发电产生的电力，在蓄电装置210蓄积。
动力分配装置260，由包括太阳轮、小齿轮、行星架、以及齿圈的行星齿轮构成。小齿轮与太阳轮和齿圈接合。行星架支持小齿轮使其能够自转，并且与发动机250的曲轴连结。太阳轮与电动发电机240的旋转轴连结。齿圈与电动发电机242的旋转轴和驱动轮270连结。
系统主继电器SMR1配设在蓄电装置210和升压转换器220之间，根据来自车辆ECU290的信号，使蓄电装置210与升压转换器220电连接。升压转换器220，将正极线PL2的电压升压为蓄电装置210的输出电压以上的电压。升压转换器220，例如由直流斩波电路构成。变换器230、232，分别对电动发电机240、242进行驱动。变换器230、232，例如包括三相桥式电路。
次级自谐振线圈60、次级线圈70、以及阻抗变更部80，如用图1所说明。整流器280，对通过次级线圈70取出的交流电力进行整流。系统主继电器SMR2，配设在整流器280和蓄电装置210之间，根据来自车辆ECU290的信号，使整流器280与蓄电装置210电连接。
车辆ECU290，在行驶模式时，分别使系统主继电器SMR1、SMR2导通和切断。并且，车辆ECU290，在车辆的行驶时，基于加速开度、车辆速度、以及其他来自各种传感器的信号，生成用于驱动升压转换器220和电动发电机240、242的信号，且将该生成了的信号输出给升压转换器220和变换器230、232。
另外，当进行从供电设备1(图1)对混合动力车辆220的供电时，车辆ECU290，使系统主继电器SMR2导通。由此，向蓄电装置210供给通过次级自谐振线圈60所接受的电力。并且，当蓄电装置210的SOC超过上限值时，车辆ECU290，向阻抗变更部80输出阻抗的变更指令。如上所述，通过阻抗变更部80进行的阻抗的变更，在供电设备1中基于S11参数进行检测，停止从供电设备1对混合动力车辆200的供电。
通过同时使系统主继电器SMR1、SMR2导通，能够在车辆的行驶时从供电设备1接受电力。
在阻抗变更部80为继电器开关的情况下，可以不要系统主继电器SMR2。另外，在整流器280和蓄电装置210之间，还可以设置使通过整流器280进行了整流的直流电力向蓄电装置210的电压水平进行电压变换的DC/DC转换器。
如上所述，在本实施方式中，基于根据初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离变化的S11参数，推定初级自谐振线圈30和次级自谐振线圈60之间的距离。并且，基于该推定出的距离执行供电控制，因此不在供电设备1和受电装置2之间进行通信就可以在供电设备1中判断受电装置2的存在或者与受电装置2的距离。另外，在本实施方式中，在受电装置2中与受电结束伴随来变更受电装置2的阻抗。并且，在供电设备1中基于S11参数检测该阻抗的变更，因此不在供电设备1和受电装置2之间进行通信就可以在供电设备1中对受电装置2的受电结束进行检测。因此，根据本实施方式，可以不需要供电设备1和受电装置2之间的通信控制。其结果，可以使控制系统简单化。
在上述的实施方式中，设定为基于S11参数推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离，并且基于该推定出的距离执行供电控制，但也可以不推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离而基于S11参数执行直接供电控制。例如，基于初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离预先决定是否实施供电的S11参数的阈值，由此能够不推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离而基于S11参数执行供电控制。
另外，在上述实施方式中，阻抗变更部80，设为在负载3的阻抗发生变化的情况下将阻抗变更部80的输入阻抗调整成固定值，但该功能并不是必需的。当负载3的阻抗发生变化时，共振频率发生变化，在利用S11参数推定出的初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离中产生误差。因此，在可以容许该误差的情况下，不需要与负载3的阻抗变化对应将输入阻抗调整成固定值的功能，阻抗变更部80，只要具备基于指示来自供电设备1的受电结束的信号STP将输入阻抗变更为预定值的功能即可。另外，即使阻抗变更部80不具备：在负载3的阻抗本来未发生变化的情况下在受电中与负载3的阻抗变化对应将输入阻抗调整成固定值的功能，也能够高精度地推定初级自谐振线圈30与次级自谐振线圈60之间的距离。
另外，在上述实施方式中，设为使用初级线圈20通过电磁感应进行对初级自谐振线圈30的供电，使用次级线圈70通过电磁感应从次级自谐振线圈60取出电力，但也可以不设置初级线圈20而从高频电源装置10对初级自谐振线圈30进行直接供电，也可以不设置次级线圈70而从次级自谐振线圈60直接取出电力。
另外，在上述中，设为通过使一对自谐振线圈共振进行送电，但作为共振体也可以代替一对自谐振线圈而使用一对高电介质盘。高电介质盘，由高介电常数的材料形成，例如使用TiO2、BaTi4O9、LiTaO3等。
另外，在上述中，作为搭载了受电装置2的电动车辆的一个例子，说明了能够通过动力分配装置260将发动机250的动力分配而传递给驱动轮270和电动发电机240的串/并联型的混合动力汽车，但本发明也能够适用于其他形式的混合动力汽车。即，例如为了只驱动电动发电机240而使用发动机250、只利用电动发电机242来产生车辆的驱动力的、所谓的串联型的混合动力汽车；在发动机250生成了的动能中只有再生能被作为电能进行回收的混合动力汽车；将发动机作为主动力且根据需要由马达进行辅助的马达辅助型的混合动力汽车等也能够适用于本发明。另外，本发明也能够适用于不具备发动机250而只利用电力进行行驶的电动汽车、除了蓄电装置210还具备燃料电池作为直流电源的燃料电池车。
在上述中，初级自谐振线圈30和初级线圈20，形成本发明的「送电用共振器」的一个实施例，次级自谐振线圈60和次级线圈70，形成本发明的「受电用共振器」的一个实施例。另外，阻抗变更部80，形成本发明的「阻抗变更装置」的一个实施例。
应该认为，本次公开的实施方式，在所有方面都只是例示而并非限制性的内容。本发明的范围并不是由上述实施方式的说明而是由权利要求所表示，包括与权利要求同等的含义和范围内的所有变更。
标号说明
1供电设备、2受电装置、3负载、10高频电源装置、20初级线圈、30初级自谐振线圈、40控制装置、50电流测定单元、55电压测定单元、60次级自谐振线圈、70次级线圈、80阻抗变更部、200混合动力汽车、210蓄电装置、220升压转换器、230、232变换器、240、242电动发电机、250发动机、260动力分配装置、270驱动轮、280整流器、290车辆ECU、C1、C2杂散电容、SMR1、SMR2系统主继电器、PL1、PL2正极线、NL负极线。

Claims (20)

1.一种非接触供电设备，具备：
送电用共振器(20,30)，其通过经由电磁场与受电装置(2)的受电用共振器(60,70)共振，以非接触的方式向所述受电装置送电；
电源装置(10)，其与所述送电用共振器连接，产生预定的高频电压；以及
控制装置(40)，其通过控制所述电源装置，控制从所述送电用共振器向所述受电用共振器的供电，
所述控制装置，使向所述受电装置输出的电力的频率变化，检测参数的振幅特性的极小点的频率，在产生两个所述极小点的情况下，基于检测到的两个所述极小点的频率差，执行供电控制，所述参数能够变换为根据所述送电用共振器与所述受电用共振器之间的距离变化的阻抗，
所述参数是S11参数、Z参数以及Y参数的任一个。
2.根据权利要求1所述的非接触供电设备，其中，
所述控制装置，基于所述频率差推定所述送电用共振器和所述受电用共振器之间的距离，基于该推定出的距离执行供电控制。
3.根据权利要求2所述的非接触供电设备，其中，
所述控制装置，当基于所述频率差推定出的距离在预定值以下时，执行对所述受电装置的供电。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的非接触供电设备，其中，
所述控制装置，基于所述参数的频率特性判定是否需要进行所述受电装置的受电以及是否能够向所述受电装置供电，当判定为能够向所述受电装置供电时，控制所述电源装置使得产生具有基于所述参数的频率特性的奇异点决定的谐振频率的电压。
5.根据权利要求1～3中的任一项所述的非接触供电设备，其中，还具备：
电流测定单元(50)，其检测输入到所述送电用共振器的电流；以及
电压测定单元(55)，其检测输入到所述送电用共振器的电压；
所述控制装置，控制所述电源装置使得预定的小电力以预定的频带中的多个频率向所述受电装置输出，基于由所述电压测定单元检测出的电压以及由所述电流测定单元检测出的电流，算出所述参数的频率特性。
6.根据权利要求1～3中的任一项所述的非接触供电设备，其中，
所述送电用共振器包括：
初级线圈(20)，其与所述电源装置连接；以及
初级自谐振线圈(30)，其通过电磁感应从所述初级线圈接受供电，产生所述电磁场。
7.根据权利要求1所述的非接触供电设备，其中，
所述参数是根据所述送电用共振器和所述受电用共振器之间的距离变化的、由所述送电用共振器和所述受电用共振器形成的电路的S11参数，
所述S11参数是所述电路的输入端的反射系数。
8.根据权利要求7所述的非接触供电设备，其中，
所述控制装置，基于所述S11参数的所述频率差推定所述送电用共振器和所述受电用共振器之间的距离，基于所推定出的距离执行供电控制。
9.一种非接触受电装置，具备：
受电用共振器(60,70)，其通过经由电磁场与供电设备(1)的送电用共振器(20,30)共振，以非接触的方式从所述供电设备接受电力；以及
阻抗变更装置(80)，其根据是否需要从所述供电设备受电来变更阻抗，使得能够在所述供电设备中基于能够变换为阻抗的参数的频率特性判定是否需要从所述供电设备受电，
所述参数是S11参数、Z参数以及Y参数的任一个。
10.根据权利要求9所述的非接触受电装置，其中，
所述阻抗变更装置，在结束从所述供电设备受电时，变更输入阻抗使得能够在所述供电设备中基于所述参数的频率特性检测受电结束。
11.根据权利要求9所述的非接触受电装置，其中，
所述参数是由所述送电用共振器和所述受电用共振器形成的电路的S11参数，
所述S11参数是所述电路的输入端的反射系数。
12.根据权利要求11所述的非接触受电装置，其中，
所述阻抗变更装置，在结束从所述供电设备受电时，变更输入阻抗使得能够在所述供电设备中基于所述S11参数检测受电结束。
13.一种非接触供电系统，具备：
供电设备(1)，其能够输出预定的高频电力；以及
受电装置(2)，其能够以非接触的方式从所述供电设备接受电力，
所述供电设备，包括：
电源装置(10)，其产生预定的高频电压；
送电用共振器(20,30)，其与所述电源装置连接，从所述电源装置接受电力产生电磁场；以及
控制装置(40)，其通过控制所述电源装置，控制从所述送电用共振器向所述受电装置的供电，
所述受电装置包括受电用共振器(60,70)，该受电用共振器(60,70)通过经由所述电磁场与所述送电用共振器共振，以非接触的方式从所述送电用共振器接受电力，
所述控制装置，使从所述供电设备向所述受电装置输出的电力的频率变化，检测参数的振幅特性的极小点的频率，在产生两个所述极小点的情况下，基于检测到的两个所述极小点的频率差，执行供电控制，所述参数能够变换为根据所述送电用共振器与所述受电用共振器之间的距离变化的阻抗，
所述参数是S11参数、Z参数以及Y参数的任一个。
14.根据权利要求13所述的非接触供电系统，其中，
所述控制装置，基于所述频率差推定所述送电用共振器与所述受电用共振器之间的距离，基于所推定出的距离执行供电控制。
15.根据权利要求14所述的非接触供电系统，其中，
所述控制装置，当基于所述频率差推定出的距离在预定值以下时，执行向所述受电装置供电。
16.根据权利要求13或15所述的非接触供电系统，其中，
所述受电装置还包括阻抗变更装置(80)，该阻抗变更装置(80)被构成为在结束从所述供电设备受电时，能够变更该受电装置的阻抗，
所述控制装置，使用在所述受电装置中由所述阻抗变更装置变更了阻抗时预先求得的所述参数的频率特性，基于所述参数的频率特性检测与受电结束伴随的所述受电装置的阻抗的变更，基于检测结果停止向所述受电装置的供电。
17.根据权利要求13～15中的任一项所述的非接触供电系统，其中，
所述送电用共振器，包括：
初级线圈(20)，其与所述电源装置连接；以及
初级自谐振线圈(30)，其通过电磁感应从所述初级线圈接受供电，产生所述电磁场，
所述受电用共振器，包括：
次级自谐振线圈(60)，其通过经由所述电磁场与所述初级自谐振线圈共振，从所述初级自谐振线圈受电；以及
次级线圈(70)，其通过电磁感应取得由所述次级自谐振线圈接受的电力。
18.根据权利要求13所述的非接触供电系统，其中，
所述参数是根据所述送电用共振器和所述受电用共振器之间的距离变化的、由所述送电用共振器和所述受电用共振器形成的电路的S11参数，
所述S11参数是所述电路的输入端的反射系数。
19.根据权利要求18所述的非接触供电系统，其中，
所述控制装置，基于所述S11参数的所述频率差推定所述送电用共振器和所述受电用共振器之间的距离，基于所推定出的距离执行供电控制。
20.一种非接触供电设备，具备：
送电用共振器(20,30)，其通过经由电磁场与受电装置(2)的受电用共振器(60,70)共振，以非接触的方式向所述受电装置送电；
电源装置(10)，其与所述送电用共振器连接，产生预定的高频电压；以及
控制装置(40)，其通过控制所述电源装置，控制从所述送电用共振器向所述受电用共振器的供电，
所述控制装置，使向所述受电装置输出的电力的频率变化，检测参数的相位特性的从最小值到最大值的变化幅度，基于检测到的变化幅度，执行供电控制，所述参数能够变换为根据所述送电用共振器与所述受电用共振器之间的距离变化的阻抗，
所述参数是S11参数、Z参数以及Y参数的任一个。
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