CN107517595B - 双向非接触供电装置以及双向非接触供电系统 - Google Patents

Abstract

以简单的结构得到电力传输效率高的双向非接触供电装置。一种双向非接触供电装置(1)，具备通过与其它线圈的磁场耦合来进行电力交换的线圈(2)，线圈(2)与电容器(3)串联连接而连接于逆变器电路(4)的输入输出端，其中，在逆变电路(4)与直流电源(7)之间连接有双向升降压转换器(5)。

Description

双向非接触供电装置以及双向非接触供电系统

技术领域

本发明涉及利用基于线圈的磁场耦合来进行电力的输电受电的非接触供电装置，并且涉及作为输电装置以及受电装置发挥功能的双向非接触供电装置以及双向非接触供电系统。

背景技术

利用线圈产生的磁场耦合来从一方的线圈向另一方的线圈供给电力的非接触供电装置正被作为对电动汽车、家电设备等的充电单元而研究。近年来，将线圈与电容器串联或者并联连接，即使交换电力的线圈间的距离较远，也能够高效率地进行供电。尝试将这样的非接触供电不仅利用于用于对设备充电的单向的供电，还利用于从充电后的设备向其它设备放电。

例如，在以往的双向非接触供电装置中，与利用磁场耦合来和其它线圈进行电力的输电受电的线圈串联以及并联地设置有电容器，与串联电容器并联地设置有开关，与并列电容器串联地设置有开关。由此，通过选择开关的通断，能够选择与线圈仅串联连接电容器的结构、与线圈仅并联连接电容器的结构。然后，将线圈与串联以及并联的电容器连接而成的结构连接于全桥逆变器电路。全桥逆变器电路在从逆变器电路将电力供给到线圈侧时作为逆变器工作，在从线圈侧将电力供给到逆变器电路时作为二极管桥工作。然后，将全桥逆变器电路的另一端连接于双向升降压转换器，将双向升降压转换器的另一端连接于直流电源。双向升降压转换器构成为在从直流电源向全桥逆变器电路侧供给电力时作为升压斩波器电路工作，在从全桥逆变器电路侧向直流电源供给电力时作为降压斩波器电路工作。在以往的双向非接触供电系统中，这样的结构的双向非接触供电装置成对地构成。

而且，在进行非接触供电时，一方的双向非接触供电装置作为输电装置工作，另一方的双向非接触供电装置作为受电装置工作。在作为输电装置工作的情况下，切换用于选择与线圈串联以及并联连接的电容器的开关，切换为线圈与电容器串联连接的结构。然后，双向升降压转换器将直流电源的电压以原本的电压值输入到全桥逆变器电路，或者根据需要进行电压调整而输入到全桥逆变器电路。来自直流电源的直流电压被全桥逆变器电路变换成交流，并供给到线圈与电容器的串联连接。另一方面，在作为受电装置工作的情况下，切换用于选择与线圈串联以及并联连接的电容器的开关，切换为线圈与电容器并联连接的结构。线圈与电容器的并联连接所接收到的电力是交流电力，并且被供给到全桥逆变器电路，但因为全桥逆变器电路作为二极管桥工作，所以接收到的交流电力被变换成直流电力，被供给到双向升降压转换器。双向升降压转换器将接收到的电力降压为适当大小的直流电压，并供给到负载。在充电的情况下，负载可以是作为二次电池的直流电源(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-244635号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

以往的非接触供电装置具备线圈、逆变器电路和双向升降压转换器，做成能够利用开关选择性地将电容器串联或者并联连接于线圈的结构，所以将作为输电装置工作的一侧设为线圈与电容器的串联连接，将作为受电装置工作的一侧设为线圈与电容器的并联连接，通过双向升降压转换器使接收到的电力降压而供给到负载，所以实现了电力传输效率优良的双向非接触供电。

但是，通过开关切换线圈与电容器的连接方法的方法不仅在构件数量增加、装置的小型化方面存在问题，对于开关的寿命、可靠性也存在问题。另外，双向升降压转换器在使接收到的电力降压而供给到负载这方面发挥作用，但在作为输电装置工作的情况下，实质上仅仅是将直流电源的电压值直接供给到逆变器电路，存在对于高效的非接触供电未积极地发挥作用这样的问题。即，如果实质上仅作为受电时的降压转换器工作，则双向升降压转换器的下级的半导体开关元件是无用的，存在作为电路结构未最佳化这样的问题。

本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于得到电力传输效率高的双向非接触供电装置。

解决技术问题的技术方案

在本发明的双向非接触供电装置中，将通过与其它线圈的磁场耦合来向其它线圈输电或者从其它线圈受电的本线圈和与本线圈串联连接的电容器连接于逆变器电路的第1输入输出端，将双向升降压转换器的第1输入输出端连接于逆变器电路的第2输入输出端，在双向升降压转换器的第2输入输出端连接有直流电源，其中，双向升降压转换器在输电时，将从直流电源供给的电力变换成直流电源的电压以下的电压并输入到逆变器电路，在受电时，将从逆变器电路输出的电力变换成逆变器电路的输出电压以上的电压并供给到直流电源。

发明效果

根据本发明的双向非接触供电装置，能够得到电力传输效率高的双向非接触供电装置。

附图说明

图1是示出本发明的实施方式1的双向非接触供电装置的电路图。

图2是示出本发明的实施方式1的双向非接触供电装置的具体结构的电路图。

图3是示出根据本发明的实施方式1的双向非接触供电装置的双向非接触供电系统的电路图。

图4是示出根据本发明的实施方式1的双向非接触供电装置的其它双向非接触供电系统的电路图。

图5是示出根据本发明的实施方式1的双向非接触供电装置的 G2V供电时的双向非接触供电系统的电路图。

图6是示出G2V供电时的双向非接触供电系统的各部电压的实验结果的图。

图7是示出G2V供电时的双向非接触供电系统的电力传输效率的实验结果的图。

图8是示出本发明的实施方式1的V2G供电时的双向非接触供电系统的电路图。

图9是示出V2G供电时的双向非接触供电系统的各部电压的实验结果的图。

图10是示出V2G供电时的双向非接触供电系统的电力传输效率的实验结果的图。

图11是示出本发明的实施方式2的双向非接触供电装置的电路图。

图12是示出根据本发明的实施方式2的双向非接触供电装置的双向非接触供电系统的电路图。

图13是示出根据本发明的实施方式2的双向非接触供电装置的其它双向非接触供电系统的电路图。

图14是用于对本发明的实施方式3的双向非接触供电系统的双向非接触供电装置的控制状态的一部分进行说明的电路图。

图15是用于对本发明的实施方式3的双向非接触供电系统的双向非接触供电装置的控制状态的一部分进行说明的电路图。

图16是用于对本发明的实施方式3的双向非接触供电系统的双向非接触供电装置的控制状态的一部分进行说明的电路图。

(符号说明)

1、1a、1b双向非接触供电装置；2、2a、2b线圈；3、3a、3b 电容器；4、4a、4b逆变器电路；41逆变器电路的第1输入输出端； 42逆变器电路的第2输入输出端；5、5a、5b双向升降压转换器；51 双向升降压转换器的第1输入输出端；52双向升降压转换器的第2输入输出端；6、6a、6b控制电路；7、7a、7b直流电源

具体实施方式

以下，对于本发明的实施方式参照附图进行详细说明。此外，在各图中，相同符号表示相同或者相当部分。

实施方式1.

图1是示出本发明的实施方式1的双向非接触供电装置的电路图。双向非接触供电装置1具备与其它线圈(也称为对方侧线圈)进行磁场耦合来进行电力交换的本线圈(也称为本侧线圈)2、与线圈2 串联连接的电容器3、逆变器电路4、双向升降压转换器5以及控制逆变器电路4和双向升降压转换器5的控制电路6。

逆变器电路4具备第1输入输出端41和第2输入输出端42。在第1输入输出端41输入输出交流电力，在第2输入输出端42输入输出直流电力。在双向非接触供电装置1作为输电装置工作时，将直流电力输入到第2输入输出端42，从第1输入输出端41输出交流电力。另一方面，在双向非接触供电装置1作为受电装置工作时，将交流电力输入到第1输入输出端41，从第2输入输出端42输出直流电力。

双向升降压转换器5具备第1输入输出端51和第2输入输出端 52。在第1输入输出端51和第2输入输出端52都进行直流电力的输入输出。第1输入输出端51的电压为第2输入输出端52的电压以下。即，在双向升降压转换器5作为输电装置工作时，作为使输入到第2输入输出端52的直流电压降压或者以原本的大小的电压从第1输入输出端51输出的降压转换器工作，在作为受电装置工作时，作为使输入到第1输入输出端51的直流电压升压或者以原本的大小从第2 输入输出端52输出的升压转换器工作。将不是本实施方式的双向非接触供电装置1的结构要素的直流电源7连接于双向升降压转换器5 的第2输入输出端52。在双向非接触供电装置1作为输电装置工作时，从直流电源7输入直流电力，在作为受电装置工作时，将直流电力输出到直流电源7。

在逆变器电路4的第1输入输出端41连接有将线圈2和电容器 3串联连接而成的结构，在第2输入输出端42连接有双向升降压转换器5的第1输入输出端51。即，逆变器电路4的第2输入输出端42 的电压与双向升降压转换器5的第1输入输出端51的电压为相同的大小的电压。

图2是更具体地示出图1所示的双向非接触供电装置1的电路图。此外，在此所示的电路是一个例子，进行相同工作的电路与图1 所示的双向非接触供电装置相同，这自不待言。

逆变器电路4包括将MOSFET、IGBT等半导体开关元件Q1、 Q2、Q3、Q4全桥连接而成的桥式电路。即，将把半导体开关元件 Q1与Q2、Q3与Q4串联连接而成的结构并联连接而构成。然后，将半导体开关元件Q1与Q2的中点以及Q3与Q4的中点都连接于逆变器电路4的第1输入输出端41，将半导体开关元件Q1与Q3的连接点以及半导体开关元件Q2与Q4的连接点都连接于逆变器电路4的第2输入输出端42。

在半导体开关元件是MOSFET的情况下，如图2所示，各个 MOSFET内置有回流二极管。在半导体开关元件是IGBT的情况下，如图2所示，既有内置有回流二极管的情况，也有未内置回流二极管的情况。在使用未内置回流二极管的IGBT的情况下，按图2所示的方法与各个IGBT的半导体开关元件Q1、Q2、Q3、Q4并联地设置二极管。

通过这样的结构，逆变器电路4通过按来自控制电路6的信号控制半导体开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的导通(ON)与截止(OFF)，从而将输入到第2输入输出端42的直流电力变换成交流电力，并从第1输入输出端41输出。另外，从第1输入输出端41输入的交流电力通过半导体开关元件Q1、Q2、Q3、Q4的回流二极管构成的二极管桥被进行全波整流，变换成直流电力，并从第2输入输出端42输出。在半导体开关元件是MOSFET时，也可以在电流通过回流二极管的定时，使对应于该回流二极管的MOSFET导通，进行同步整流。

双向升降压转换器5构成为将电抗器L连接于将MOSFET、 IGBT等半导体开关元件Q5、Q6串联连接的中点。如图2所示，电抗器L的另一端连接于第1输入输出端51，在第1输入输出端51连接有电容器C1。另一方面，将半导体开关元件Q5与Q6串联连接而成的结构被连接于第2输入输出端52，在第2输入输出端52连接有电容器C2。在半导体开关元件Q5和Q6是没有内置回流二极管的 IGBT的情况下，按图2所示的方向与IGBT的半导体开关元件Q5、 Q6并联地设置二极管。通过控制电路6控制半导体开关元件Q5、Q6 的导通和截止。

在双向非接触供电装置1作为输电装置工作时，双向升降压转换器5作为降压转换器工作，所以半导体开关元件Q5按照与降压比(输入到第2输入输出端52的电压的大小与从第1输入输出端51输出的电压的大小之比)相应的占空比(导通时间相对于导通和截止的合计时间之比)，根据来自控制电路6的信号被进行导通/截止控制。此时，半导体开关元件Q6可以始终截止，但在半导体开关元件Q6是 MOSFET的情况下，也可以在电流流过回流二极管的定时，根据来自控制电路6的信号使半导体开关元件Q6导通，进行同步整流。另一方面，在双向非接触供电装置1作为受电装置工作时，双向升降压转换器5作为升压转换器工作，所以半导体开关元件Q6按照与升压比(输入到第1输入输出端51的电压的大小与从第2输入输出端52 输出的电压的大小之比)相应的占空比，根据来自控制电路6的信号被进行导通/截止控制。此时，半导体开关元件Q5可以始终截止，但在半导体开关元件Q5是MOSFET的情况下，也可以在电流流过回流二极管的定时，根据来自控制电路6的信号使半导体开关元件Q5导通，进行同步整流。

本实施方式的双向非接触供电装置1如上所述地构成并工作。

图3是示出使用两台本实施方式的双向非接触供电装置的双向非接触供电系统的电路图。另外，图4是示出使用两台双向非接触供电装置的其它双向非接触供电系统的电路图。图3以及图4的双向非接触供电系统包括第1双向非接触供电装置1a和第2双向非接触供电装置1b。第1双向非接触供电装置1a的线圈2a与第2双向非接触供电装置1b的线圈2b按耦合系数k进行磁场耦合。第1双向非接触供电装置1a与第2双向非接触供电装置1b为相同的电路结构，在附图上为左右对称的结构。另外，逆变器电路4a、4b以及双向升降压转换器5a、5b与图2所示的逆变器电路4以及双向升降压转换器5 同样地包括半导体开关元件Q1～Q6等。

在图3的双向非接触供电系统中，在第1双向非接触供电装置 1a的双向升降压转换器5a的第2输入输出端连接有直流电源7a，在第2双向非接触供电装置1b的双向升降压转换器5b的第2输入输出端连接有直流电源7b。直流电源7a、7b可以是例如锂离子电池等能够充放电的直流电源。在逆变器电路4a连接有将线圈2a和电容器3a 串联连接而成的结构，在逆变器电路4b连接有将线圈2b和电容器3b 串联连接而成的结构。

另一方面，在图4的双向非接触供电系统中，代替图3的直流电源7a而连接有双向AC/DC变换器70a，在双向AC/DC变换器70a 的另一端连接有交流电源8。双向AC/DC变换器是将从第1端子输入的交流电力变换成直流电力并输出到第2端子、将从第2端子输入的直流电力变换成交流电力并输出到第1端子的电力变换器。即，双向 AC/DC变换器70a的第2端子能够进行直流电力的输入输出，所以如果从第1双向非接触供电装置1a看来则与直流电源相同，因此，本发明中所说的直流电源还包括如图4的双向AC/DC变换器70a那样的输入输出直流电力的装置。

另外，在图4的双向非接触供电系统中，代替图3的直流电源 7b而连接有双向DC/DC变换器70b，在双向DC/DC变换器70b的另一端连接有锂离子电池等能够充放电的直流电源9。图4的双向 DC/DC变换器70b是使从第1端子输入的直流电力降压或者升压而使电压值变化并输出到第2端子、使从第2端子输入的直流电力升压或者降压而使电压值变化并输出到第1端子的电力变换器。换言之为 DC/DC转换器。为了进行锂离子电池的充放电，有时设置专用的充放电装置，但在这样的情况下，本发明中所说的直流电源还包括充放电装置、即如图4的双向DC/DC变换器70b那样的输入输出直流电力的装置。

第1双向非接触供电装置1a与第2双向非接触供电装置1b是分别独立的装置，所以搭载它们的设备能够分别独立地使用。线圈2a 和线圈2b的耦合系数k因为线圈的相互位置关系不同而变化，所以随着为了进行双向非接触供电而设置各个双向非接触供电装置时的状态不同而变化。耦合系数k为0～1的系数，为了使电力传输效率变高，最好以使耦合系数k最大的方式设置各个双向非接触供电装置，但严格地进行对位会对使用者造成压力等不便的情况较多，一般来说耦合系数k小于最大的系数。将这样的耦合系数k小于最大的系数的状态称为“位置偏移”。这意味着线圈2a与2b的位置偏离了理想的位置。

接下来，对图3的双向非接触供电系统的工作进行说明。对第1 双向非接触供电装置1a作为输电装置工作、第2双向非接触供电装置1b作为受电装置工作的情况进行说明。此外，如上所述，双向非接触供电装置1a和1b为相同的电路结构，所以通过使第1双向非接触供电装置1a作为受电装置工作，使第2双向非接触供电装置1b作为输电装置工作，从而能够进行与在此的说明反向的供电，能够进行双向的供电，所以省略使第1双向非接触供电装置1a作为受电装置工作、使第2双向非接触供电装置1b作为输电装置工作时的详细说明。

当双向非接触供电装置1a的线圈2a与双向非接触供电装置1b 的线圈2b按耦合系数k进行磁场耦合而设置成能够供电的状态时，通过无线通信而确认是能够相互输电受电的状态。于是，作为输电装置的双向非接触供电装置1a的逆变器电路4a在例如85kHz等规定的开关频率下开始开关，将输入到逆变器电路4a的第2输入输出端的直流电力变换成交流电力，从逆变器电路4a的第1输入输出端输出。输电侧的双向升降压转换器5a的第2输入输出端连接有直流电源7a，但在输电开始时，使上级和下级双方的半导体开关元件截止，来自第 1输入输出端的输出电压变成0V。然后，双向升降压转换器5a的上级的半导体开关元件开始开关，使得直流电压被输出到双向升降压转换器5a的第1输入输出端，该直流电压被输入到逆变器电路4a的第 2输入输出端。

双向升降压转换器5a在输电时作为降压转换器工作，所以最好是下级的半导体开关元件保持截止，而上级的半导体开关元件的占空比(导通时间相对于导通时间和截止时间的合计的比率)在输电开始时从0逐渐增大而进行软启动。为了避免此时从逆变器电路4a的第1 输入输出端输出到线圈2a的电流变得过大，可以一边检测电流一边设置上限值，在要超过上限值时，对使作为降压转换器的双向升降压转换器5a的上级的半导体开关元件的占空比增大待机，以避免从双向升降压转换器5a的第1输入输出端输出的电压上升。

还能够根据来自控制电路6a的信号来控制逆变器电路4a的占空比，所以可以根据情况来控制占空比，但由于如果使占空比减小，则逆变器电路4a的半导体开关元件的开关损耗增加，所以最好将逆变器电路4a的占空比设为最大、即50％。

然后，双向升降压转换器5a对双向升降压转换器5a的上级的半导体开关元件的占空比进行反馈控制，以使在第2输入输出端测量的电力即输入电力固定于输电电力的指示值。此外，输电电力的指示值是指从外部对作为输电装置的双向非接触供电装置1a指示的输电电力的值，而在此所说的外部是指来自作为受电装置的双向非接触供电装置1b的请求或者来自使用者的指示值。即，作为输电装置的双向非接触供电装置1a识别应该输送的电力值，输入到双向升降压转换器5a的电力被控制为固定于应该输送的电力值。

另一方面，在作为受电装置的双向非接触供电装置1b中，由于线圈2b与线圈2a按耦合系数k进行磁场耦合，所以交流电流流过线圈2b。该交流电流的频率与输电装置侧的逆变器电路4a的开关频率相同。交流电流流过线圈2b，从而交流电力被非接触供电到作为受电装置的双向非接触供电装置1b。双向非接触供电装置1b是受电装置，所以逆变器电路4b的半导体开关元件全部截止，逆变器电路4b作为二极管桥工作。因此，线圈2b接收到的交流电力由逆变器电路4b变换成直流电力，从逆变器电路4b的第2输入输出端输出，供给到双向升降压转换器5b。

在作为受电装置工作的情况下，双向升降压转换器5b作为升压转换器工作，所以双向升降压转换器5b的上级的半导体开关元件保持截止。另一方面，下级的半导体开关元件被控制为在供电开始时导通(占空比100％)，使占空比逐渐减小。已知在输电侧与受电侧这两侧都将线圈和电容器串联连接而成的非接触供电系统具有导抗变换器(immittanceconverter)的特性。导抗变换器是指在输入电压恒定时输出电流恒定、在输入电流恒定时输出电压恒定的特性。

本实施方式中说明的供电系统也具有导抗变换器的特性，所以在从受电线圈观察后级时的阻抗为Z时，从输电侧的逆变器电路观察到的阻抗与Z成反比例。即，在供电开始时，通过将双向升降压转换器 5b的下级的半导体开关元件设为导通(占空比100％)，从而从受电侧的线圈2b观察后级时的阻抗Z变得非常小，从输电侧的逆变器电路4a观察到的阻抗与Z成反比例，所以变得非常大。其结果是，即使直流电压突然输入到输电侧的逆变器电路4a，也能够抑制大电流流过，所以能够安全地开始供电。

然后，使受电侧的双向升降压转换器5b的下级的半导体开关元件的占空比逐渐变小，从而从受电侧的线圈2b观察后级时的阻抗Z 逐渐变大，从输电侧的逆变器电路4a观察到的阻抗逐渐变小，所以所输入的电力逐渐变大。像这样来进行非接触供电的软启动。然后，当输电电力变到输电电力的指示值时，控制双向升降压转换器5b的下级的半导体开关元件的占空比，以使双向升降压转换器5b的第2 输入输出端的电力即从双向升降压转换器5b输出的电力变为最大。对于此时的控制法，能够使用爬山算法。通过进行这样的输电侧和受电侧的控制，从而作为双向非接触供电系统整体能够在效率最高的条件下进行供电，能够自动地在效率最高的条件下工作。

接下来，使用根据双向非接触供电系统的原型样机的实验结果来进行说明。图5是实验使用的双向非接触供电系统的电路图。图5的双向非接触供电系统与图3的双向非接触供电系统相同，但在实验中，代替作为受电侧的锂离子电池的直流电源7b而使用等价电阻与直流电源相同的电阻器(电子负载装置)71b。因此，在图5中，在将输电侧与受电侧调换时，也将输电侧的直流电源7a与受电侧的电阻器 71b调换来进行。

在本实施方式的双向非接触供电装置中，在双向升降压转换器的第2输入输出端连接有直流电源，但在此所说的“连接有”意思是能够连接，不意味着一定连接。因此，像在此所示的实验那样地将输电侧与受电侧调换时，即使将作为电力供给源的直流电源7a与作为负载的电阻器71b调换，也是本发明的双向非接触供电装置。即，双向非接触供电装置既是输电装置也是受电装置，但在输电装置时，如果不具备作为电力供给源的直流电源，则由于原本不作为输电装置发挥功能，所以在本发明的双向非接触供电装置中不包括在双向升降压转换器的第2输入输出端绝不连接直流电源的结构。

另外，在图5中，V1～V4所示的符号是电压传感器等电压检测单元，I1～I4所示的符号是电流传感器等电流检测单元。由电压传感器以及电流传感器检测到的电压值和电流值被输入到控制电路6a、 6b，用于双向非接触供电装置1a、1b的控制。在上述说明中，记载了输电装置将输入到双向升降压转换器5a的电力控制为恒定，但这意味着将对图5的电压传感器的V1和电流传感器的I1进行运算而求出的电力控制为恒定。同样地，记载了通过爬山算法来控制受电装置，以使从双向升降压转换器5b输出的电力变得最大，而这意味着进行爬山控制以使对图5的电压传感器的V3和电流传感器的I3进行运算而求出的电力变得最大。进一步地，从逆变器电路4a输出并流过线圈2a的电流被电流传感器I2检测，并被控制电路6a控制，以避免从逆变器电路4a输出的电流变得过大。关于逆变器电路和双向升降压转换器的连接部的电压即由电压传感器V2和V4检测到的电压值，在上述说明中未使用，但由于是说明实验结果所需的，所以进行了记载。

实验是假定将一方的直流电源7a的电压恒定为219V、另一方的直流电源7b的电压在139～214V的范围内变化的锂离子电池用作直流电源7b的系统、且进行最大1kW的双向供电的系统来进行的。这是假定在电动汽车与连接于系统电源(商用交流电源)的功率调节器之间进行双向的非接触供电，在实际的系统中设想最大3kW的供电，但实验是为了进行原理验证，设为最大1kW。此外，在实际的实验中，代替功率调节器而使用直流电源装置，代替锂离子电池而使用电阻器 (电子负载装置)71b。实验中使用的最大1kW的原型样机设计成负载的等价电阻与实际的3kW的系统相同。

在以下说明中，为方便起见，为了表示供电的方向，使用G2V 供电、V2G供电这样的术语。G2V供电是指相当于从电压恒定为219V 的直流电源向电压在139～214V的范围内变化的锂离子电池供电，是从系统电源(Grid，电网)向电动汽车(Vehicle，车辆)的供电，所以称为Grid to Vehicle，简记为G2V。在图5中，相当于附图中从左向右的供电。另一方面，V2G供电是指相当于从电压在139V～214V 的范围内变化的锂离子电池向电压恒定为219V的直流电源供电，是从电动汽车(Vehicle)向系统电源(Grid)的供电，所以称为Vehicle toGrid，简记为V2G。在图5中，相当于附图中从右向左的供电。其中，如前所述，在V2G的供电中，将图5的直流电源7a与电阻器71b 调换，将直流电源7a设于电阻器71b侧(配置于右侧)，将电阻器 71b设于直流电源7a侧(配置于左侧)。

在G2V供电中，以1kW的电力对电压在139～214V的范围内变化的锂离子电池进行充电时的电池的等价电阻是19.3～45.8Ω，所以在电阻器71b模拟锂离子电池时，使电阻器(电子负载装置)71b 的电阻在超过19.3～45.8Ω的范围内变化。另一方面，在反向的V2G供电时，锂离子电池的电压设为最小139V、最大214V，对于这两个电压进行实验，受电侧的电压设为恒定为219V。

另外，在反向的V2G供电中，假定为将设备连接于受电侧(电压恒定为219V的Grid侧)，该设备所需的功耗在0.167～1kW的范围内变化，使输电电力(Vehicle侧)变化。原型样机进行如上所述的控制，通过控制电路自动控制输电侧、受电侧这两侧的双向升降压转换器的占空比。

图6是示出图5中记载的电压检测单元(电压传感器)V1～V4 的各部电压的实验结果。设想线圈的位置偏移，使线圈2a与线圈2b 的耦合系数k变化为k＝0.23、k＝0.15、k＝0.1这3种来进行。图6 (a)是示出输电侧(Grid侧)的双向升降压转换器5a的第2输入输出端的电压V1与第1输入输出端的电压V2的实验结果，图6(b) 是示出受电侧(Vehicle侧)的双向升降压转换器5b的第1输入输出端的电压V4与第2输入输出端的电压V3的实验结果。输电电力即双向升降压转换器5a的输入电力恒定为1kW。

如图6(a)所示，电压V1是直流电源7a的电压，所以在全部耦合系数k下恒定为219V，而双向升降压转换器5a的电压(输出电压)V2在耦合系数k＝0.23的情况下，随着负载电阻的大小而变化，而在k＝0.15和k＝0.1的情况下，无论负载电阻的变化情况如何都大致恒定。但是，V2的大小在k＝0.15和k＝0.1的情况下不同，在k ＝0.15的情况下为较大的电压。但是，在k＝0.1～0.23的任意情况下，输电侧的双向升降压转换器5a都作为降压转换器工作，所以双向升降压转换器5a将从直流电源7a供给的电力变换成直流电源7a的电压值以下的电压并输入到逆变器电路4a。

在图6(b)中，双向升降压转换器5b的第2输入输出端的电压 V3即输出到电阻器71b的电压V3因为耦合系数k的大小而存在若干差异，但以相对于负载电阻的大小大致恒定的关系而变化。这是由于，输电电力恒定为1kW，负载电阻的大小是确定的，所以负载电阻的端电压由电力与电阻值之积的平方根来确定。但是，电力是负载电阻的功耗，所以比输入电力小系统的损耗量，因此，耦合系数k越小，则系统的损失越大，所以电压V3也是耦合系数k越小则越低。

另一方面，双向升降压转换器5b的第1输入输出端的电压V4 在耦合系数k＝0.23的情况下，稍大于第2输入输出端的电压V3的电压，但在耦合系数k＝0.15和k＝0.1的情况下，无论负载电阻的大小如何都大致恒定，为小于第2输入输出端的电压V3的电压。

在作为受电装置时，双向升降压转换器作为升压转换器工作，但在k＝0.23时双向升降压转换器5b不进行开关动作，输入到双向升降压转换器5b的第1输入输出端的直流电力直接输出到第2输入输出端。此时，由于通过双向升降压转换器5b的上级的半导体开关元件的回流二极管，所以电压降低了回流二极管的正向电压的量。即，k ＝0.23时的V3与V4之差取决于由回流二极管的正向电压导致的压降。但是，二极管的正向电压如果从系统整体的电压来看则非常小，双向升降压转换器5b不进行开关动作，所以实质上输入到双向升降压转换器5b的电压和输出的电压可视为是相同电压值。也就是说同样地也可以忽略由布线等的电阻导致的压降等。

即，双向升降压转换器在将输入的电压变换成输入的电压以上的电压而输出时，双向升降压转换器不进行开关动作，严格地说，由于由二极管的正向电压、布线的电阻导致的压降，即使双向升降压转换器的输出电压稍小于输入电压，在本实施方式中也应该解释为包括在“以上”的情况中。即，根据图6(b)的实验结果，在全部耦合系数 k下，受电侧的双向升降压转换器5b将从逆变器电路4b输出的电力变换成逆变器电路4b的输出电压以上的电压，供给到相当于作为直流电源的锂离子电池的电阻器(电子负载装置)71b。

图7是示出根据图6所示的实验结果的实验的电力传输效率的实验结果。电力传输效率根据图5的直流电源7a的输出电力与电阻器 71b的功耗之比来计算。在全部的负载电阻的范围内，在k＝0.1时得到82％以上，在k＝0.15时得到86％以上，在k＝0.23时得到88％以上，在k＝0.23的30～40Ω的情况下，得到90％以上。如图7的实验结果所示，通过使用本实施方式的双向非接触供电装置，能够得到电力传输效率高的双向非接触供电系统。

接下来，对作为反向的供电的V2G供电时的实验结果进行说明。图8是进行反向的供电时的双向非接触供电系统的电路图。图8的电路图在图5的电路图中将直流电源与电阻器调换，其它与图5相同。在图8中，进行从相当于输出电压在139V～214V的范围内变化的锂离子电池的直流电源7b向相当于输入电压恒定为219V的功率调节器的电阻器71a的供电。直流电源7b的电压值按最大值214V和最小值 139V这两种来进行实验，电阻器71a的功耗设为在0.167kW～1kW 的范围内变化。在图8的V2G供电中，第2双向非接触供电装置1b 作为输电装置工作，第1双向非接触供电装置作为受电装置工作。

图9是示出直流电源7b的电压为214V和139V时的实验结果的图。实验结果与上述G2V供电同样地，是控制电路6a和6b通过自动控制来控制双向升降压转换器5a和5b的开关以使在各条件下电力传输效率为最大时得到的各部的电压。

图9(a)示出直流电源7b的电压为214V时的作为输电装置的 第2双向升降压转换器5b的第2输入输出端的电压V3和第1输入输 出端的电压V4，图9(b)示出作为受电装置的第1双向升降压转换 器5a的第1输入输出端的电压V2和第2输入输出端的电压V1。图 9(c)同样地示出直流电源7b的电压为139V时的电压V3、V4，图 9(d)同样地示出直流电源7b的电压为139V时的电压V2、V1。

图9(a)和图9(c)示出输电侧的双向升降压转换器5b的电压 (输入电压)V3和电压(输出电压)V4，根据图可知，输电侧的双向升降压转换器5b将从直流电源7b供给的电力变换成直流电源7b 的电压V3以下的电压V4来输出，并输入到逆变器电路4b。另外，图9(b)和图9(d)示出受电侧的双向升降压转换器5a的电压(输入电压)V2和电压(输出电压)V1，根据图可知，受电侧的双向升降压转换器5a将从作为二极管桥工作的逆变器电路4a输出的电力变换成逆变器电路4a的电压(输出电压)V2以上的电压V1而供给到相当于直流电源的电阻器71a。此外，耦合系数越小，则在输电侧的双向升降压转换器5b中变换成越低的电压来输电，在受电侧的双向升降压转换器5a中变换成越高的电压而受电。

图10示出图9的实验结果所示的V2G供电时的电力传输效率。用实线表示直流电源7b的电压为214V时的结果，用虚线表示直流电源7b的电压为139V时的结果。如图10所示，根据使用本实施方式的双向非接触供电装置的双向非接触供电系统，可知在V2G供电中也能够以高的电力传输效率进行电力传输。

如以上的实验结果所说明的，使用本实施方式的双向非接触供电装置的双向非接触供电系统进行在G2V供电、V2G供电这两者中的非接触供电，可知能够以高的电力传输效率进行双向非接触供电。即，得到如下的效果：通过本发明的双向非接触供电装置能够得到电力传输效率高的双向非接触供电系统。另外，不需要像专利文献1所记载的双向非接触供电装置那样设置与线圈串联连接以及并联连接的两个电容器以及切换连接方法的开关，所以得到能够使装置小型化、能够得到可靠性高的双向非接触供电装置的效果。

实施方式2.

图11是示出本发明的实施方式2的双向非接触供电装置的电路图。本实施方式2的双向非接触供电装置1与实施方式1相比，逆变器电路4不同，逆变器电路4包括半桥电路。

图11的双向非接触供电装置1的逆变器电路4与实施方式1所示的图2的双向非接触供电装置1的逆变器电路4不同，在代替图2 的半导体开关元件Q3、Q4而设置有电容器C3、C4这点上不同。即，在图11的逆变器电路4中，半导体开关元件Q1和Q2串联连接而成的结构与电容器C3和C4串联连接而成的结构并联连接，半导体开关元件Q1与Q2的中点和电容器C3与C4的中点连接于逆变器电路 4的第1输入输出端41。这样的电路结构被称为半桥电路。

在作为输电装置工作时，包括半桥电路的逆变器电路4在占空比为最大的50％的情况下，将输入到第2输入输出端42的电压的1/2 的平均电压从第1输入输出端41输出。另一方面，在作为受电装置工作时，半导体开关元件Q1、Q2截止，通过回流二极管被进行全波整流，而图11的结构为倍压整流电路的结构，所以输入到第1输入输出端41的平均电压的2倍的电压从第2输入输出端42被输出。

本实施方式的双向非接触供电装置在作为输电装置工作时，使所输入的直流电力的电压降压并变换成交流而供给到线圈。另外，在作为受电装置工作时，将由线圈接收到的交流电力变换成直流并升压，供给到相当于负载的直流电源。半桥电路在输电时起到使电压降压的作用，在受电时起到使电压升压的作用，所以与本发明的工作概念相符合。

因此，在像本实施方式那样逆变器电路4包括半桥电路时，不需要使双向升降压转换器5的输电时的降压比、受电时的升压比增大，能够降低双向升降压转换器5的开关损耗。但是，半桥电路与全桥电路相比，电力容量变小，所以本实施方式2的双向非接触供电装置适合于小型的双向非接触供电装置。

图12是示出使用两台图11所示的双向非接触供电装置1的双向非接触供电系统的电路图。双向非接触供电装置1a的线圈2a与双向非接触供电装置1b的线圈2b按耦合系数k进行磁场耦合，从而能够从双向非接触供电装置1a将电力供给到双向非接触供电装置1b、或者相反地从双向非接触供电装置1b将电力供给到双向非接触供电装置1a。此外，逆变器电路4a、4b以及双向升降压转换器5a、5b与图 11所示的逆变器电路4以及双向升降压转换器5同样地包括半导体开关元件Q1、Q2、Q5、Q6等。

在该情况下，也如实施方式1所示，各双向升降压转换器5a、 5b在输电时作为降压转换器工作，在受电时作为升压转换器工作。即，双向升降压转换器5a、5b如实施方式1所说明地工作。

图13是示出使用实施方式2的双向非接触供电装置和实施方式 1的双向非接触供电装置的双向非接触供电系统的电路图。在双向非接触供电装置1a中，逆变器电路4a包括半桥电路，在双向非接触供电装置1b中，逆变器电路4b包括全桥电路。此外，逆变器电路4a、双向升降压转换器5a与图11所示的逆变器电路4以及双向升降压转换器5同样地包括半导体开关元件Q1、Q2、Q5、Q6等，另外，逆变器电路4b、双向升降压转换器5b与图2所示的逆变器电路4以及双向升降压转换器5同样地包括半导体开关元件Q1～Q6等。

如图13所示，即使是将电路结构不同的双向非接触供电装置组合而成的双向非接触供电系统，也能够进行双向的非接触供给，在该情况下也如上所述，双向升降压转换器5a、5b在作为输电装置工作时作为降压转换器工作，在作为受电装置工作时作为升压转换器工作。

实施方式3.

图14～图16是用于说明本发明的实施方式3的非接触供电系统中的双向非接触供电装置的控制状态的电路图，说明了本发明的双向非接触供电装置具有的紧急时的控制。各图示出双向非接触供电装置的各半导体开关元件的控制状态。此外，电路结构与图3所示的根据实施方式1的双向非接触供电装置的双向非接触供电系统相同。

图14所示的状态为该图右侧的第2双向非接触供电装置1b进行受电工作。当电流按图14所示的箭头方向(也称为正方向)流过线圈2b、电容器3b、逆变器电路4b时，使包括全桥电路的逆变器电路 4b的两支路的下级侧的半导体开关元件即半导体开关元件Q2、Q4 导通，使上级侧的半导体开关元件即半导体开关元件Q1、Q3截止，使双向升降压转换器5b的下级的升压工作用的半导体开关元件Q6 导通，使上级的降压工作用的半导体开关元件Q5截止。

另外，当电流按图15所示的箭头方向(也称为负方向)流过时，使包括全桥电路的逆变器电路4b的两支路的上级侧的半导体开关元件即半导体开关元件Q1、Q3导通，使下级侧的半导体开关元件即半导体开关元件Q2、Q4截止，使双向升降压转换器5b的下级的升压工作用的半导体开关元件Q6导通，使上级的降压工作用的半导体开关元件Q5截止。

本发明的双向非接触供电装置在特定的定时转移到上述控制模式。对需要该控制模式的情况及其效果进行说明。

在非接触供电装置中，输电侧与受电侧未进行有线连接，所以在产生问题时的迅速断电存在问题。

例如，在受电侧异常时，从受电侧向输电侧通过无线通信进行请求以使电力停止，在受电侧，在接受到该通信之后，停止或者减少输电侧的电力供给。

在非接触供电装置中，在输电侧与受电侧使用无线通信，所以在从受电侧的断电请求至实际的断电为止的期间，受电侧的电路有可能会损坏。

另外，同样地由于在输电侧异常时、通信错误等，在受电侧有可能产生过大的电力而损坏。

作为根据本实施方式3的控制模式的保护控制模式对于避免在双向非接触供电装置进行受电工作时由过大的电力导致的损坏具有效果。

如实施方式1所述，由于是将进行电力的受电的线圈与电容器串联连接而成的结构，所以从输电侧的逆变器电路观察到的阻抗与从受电线圈观察到的阻抗成反比例。因此，在受电工作时的双向非接触供电装置中，在开始受电时，将该双向升降压转换器的升压工作用的半导体开关元件Q6导通时的占空比设为100％，从而能够使输电侧的逆变器的输出阻抗增大。图16示出该状态。

换言之，没有通信指令，仅通过受电侧的工作，能够强制性地降低输电电力。

另外，通过该工作，流向电池的电流消失，所以也能够防止向双向非接触供电装置后级的电路、电池等供给过大的电力。

但是，仅在双向升降压转换器5b的半导体开关元件Q6导通工作的情况下，在从输电侧持续供给电力的情况下，有可能根据电感等的参数而过大的电流流过升压电抗器(相当于图2中的电抗器L)和半导体开关元件Q6。

为了减少此时流过的电流值，需要减少双向升降压转换器前级的电容器(相当于图2中的电容器C2)的电压，需要使来自作为二极管桥发挥功能的逆变器电路的电流流入停止。

在此，如图14、图15所示，与电流的方向相配合地将逆变器电路的半导体开关元件导通/截止，从而使电流在逆变器电路内循环，从而能够防止电流向双向升降压转换器的方向流入。

另外，此时，从受电线圈观察到的阻抗也变小，所以从输电侧的逆变器电路观察到的输出阻抗变大，具有强制性地减少电力的效果。

如上所述，通过将逆变器电路和双向升降压转换器的开关动作组合，从而在发生异常时也能够强制性地且无需通信地减少输电侧的电力，另外能够降低由过大的电压电流导致的损坏风险。

本发明能够在本发明的范围内自由地组合各实施方式或者适当对各实施方式进行变更、省略。

Claims (5)

1.一种双向非接触供电装置，通过与其它线圈的磁场耦合来向所述其它线圈输电或者从所述其它线圈受电的本线圈和与所述本线圈串联连接的电容器连接于逆变器电路的第1输入输出端，双向升降压转换器的第1输入输出端连接于所述逆变器电路的第2输入输出端，直流电源连接于所述双向升降压转换器的第2输入输出端，所述双向非接触供电装置的特征在于，

所述双向升降压转换器具有在降压工作时使用的上级的半导体开关元件和在升压工作时使用的下级的半导体开关元件，在输电时，将从所述直流电源供给的电力变换成所述直流电源的电压以下的电压并输入到所述逆变器电路，在受电时，将从所述逆变器电路输出的电力变换成所述逆变器电路的输出电压以上的电压并供给到所述直流电源，在受电时对所述下级的半导体开关元件进行控制以使占空比从受电开始时的占空比逐渐变小，对所述下级的半导体开关元件的占空比进行控制以在向所述直流电源的输出电力达到预先确定的指示值之后使所述输出电力变为最大。

2.根据权利要求1所述的双向非接触供电装置，其特征在于，

所述双向升降压转换器进行控制，以在开始受电时使上级的降压工作用的半导体开关元件截止，并且将下级的升压工作用的半导体开关元件的占空比设为100％，并使占空比逐渐变小。

3.根据权利要求1所述的双向非接触供电装置，其特征在于，

所述双向升降压转换器在开始受电并且向所述直流电源的输出电力达到预先确定的电力值后，进行控制以使用爬山算法使所述输出电力变为最大，在输电时进行控制以使输入到所述双向升降压转换器或所述逆变器电路的电力恒定。

4.根据权利要求1所述的双向非接触供电装置，其特征在于，

所述逆变器电路包括具有回流二极管的半导体开关元件的全桥电路，所述双向升降压转换器具有如下控制模式：在受电时，在使所述下级的半导体开关元件导通、使所述上级的半导体开关元件截止的状态下，在将从与所述本线圈串联连接的电容器流到包括所述全桥电路的逆变器电路的方向的电流设为正方向、将从所述本线圈流到包括所述全桥电路的逆变器电路的方向的电流设为负方向的情况下，在电流在正方向上流过时，使包括所述全桥电路的逆变器电路的下级侧的半导体开关元件导通，使包括所述全桥电路的逆变器电路的上级侧的半导体开关元件截止，在电流在负方向上流过时，使包括所述全桥电路的逆变器电路的上级侧的半导体开关元件导通，使包括所述全桥电路的逆变器电路的下级侧的半导体开关元件截止。

5.一种双向非接触供电系统，其特征在于，

具备权利要求1所述的双向非接触供电装置作为第1双向非接触供电装置，具备权利要求1所述的双向非接触供电装置作为第2双向非接触供电装置，使所述第1双向非接触供电装置的本线圈与所述第2双向非接触供电装置的本线圈磁耦合。

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