控制装置、送电装置、受电装置以及控制方法
【专利摘要】根据实施方式，控制装置包括控制部和推测部。控制部对生成与第1谐振器耦合的第2谐振器的输入信号的频率可变信号源在第1阻抗条件下指示输入信号的第1频率扫描。控制部对频率可变信号源在第2阻抗条件下指示输入信号的第2频率扫描。推测部在进行第1频率扫描的期间检测提供输入信号的极大值或者极小值的1个以上的第1特定频率。推测部在进行第2频率扫描的期间检测提供输入信号的极大值或者极小值的1个以上的第2特定频率。推测部根据1个以上的第1特定频率以及1个以上的第2特定频率，推测第1谐振器与第2谐振器之间的耦合系数、第1谐振器的第1谐振频率以及第2谐振器的第2谐振频率中的至少一个。
【专利说明】控制装置、送电装置、受电装置以及控制方法
【技术领域】
[0001] 实施方式涉及无线电力传送。
【背景技术】
[0002] 以往，已知在无线电力传送系统中，伴随负载阻抗的变化而送电谐振器（power transmission resonator)的输入电流或者输入电压变化。另外，提出了根据相对于送电谐 振器的振荡频率的变化的输入电流或者输入电压的变化，推测耦合系数的技法。耦合系数 相当于送电谐振器中包含的电感器与受电谐振器中包含的电感器之间的磁场性的耦合度。 [0003] 根据上述技法，使用送电装置以及受电装置的等效电路来推测耦合系数。因此，耦 合系数的推测精度依赖于与上述等效电路有关的各种参数（例如送电谐振器的谐振频率、 受电谐振器的谐振频率、负载阻抗等）的精度。即，与上述等效电路有关的参数的设定值与 真值之间的误差成为使耦合系数的推测精度劣化的主要原因。
[0004] 送电谐振器的谐振频率以及受电谐振器的谐振频率由于送电谐振器以及受电谐 振器中包含的电容器以及电感器的制造偏差而变动。进而，送电谐振器的谐振频率以及受 电谐振器的谐振频率还由于送电谐振器以及受电谐振器的使用环境（例如两者的距离、存 在于两者的周围的障碍物、周围温度）而变动。因此，高精度地推测送电谐振器的谐振频率 以及受电谐振器的谐振频率并不容易，同样地，高精度地推测耦合系数也并不容易。
[0005] 专利文献1日本特开2011-199975号公报
【发明内容】
[0006] 实施方式的目的在于高精度地推测耦合系数、送电谐振器的谐振频率以及受电谐 振器的谐振频率中的至少一个。
[0007] 根据实施方式，控制装置包括控制部和推测部。控制部设定与第1谐振器连接了 的可变阻抗元件具有第1阻抗的第1阻抗条件。控制部对生成与第1谐振器耦合的第2谐 振器的输入信号的频率可变信号源在第1阻抗条件下指示输入信号的第1频率扫描。控 制部设定可变阻抗元件具有与第1阻抗不同的第2阻抗的第2阻抗条件。控制部对频率 可变信号源在第2阻抗条件下指示输入信号的第2频率扫描。推测部在进行第1频率扫 描的期间检测提供输入信号的极大值或者极小值的1个以上的第1特定频率（specific frequencies)。推测部在进行第2频率扫描的期间检测提供输入信号的极大值或者极小值 的1个以上的第2特定频率。推测部根据1个以上的第1特定频率以及1个以上的第2特 定频率，推测第1谐振器与第2谐振器之间的耦合系数、第1谐振器的第1谐振频率以及第 2谐振器的第2谐振频率中的至少一个。
【专利附图】
【附图说明】
[0008] 图1是例示第1实施方式的无线电力传送系统的图。
[0009] 图2是例示图1的送电谐振器的图。
[0010] 图3是例示图1的送电谐振器的图。
[0011] 图4是例示图1的受电谐振器的图。
[0012] 图5是例示图1的受电谐振器的图。
[0013] 图6是例示第1谐振器条件以及第1阻抗条件下的输入电流的特性的图形。
[0014] 图7是例示第1谐振器条件以及第2阻抗条件下的输入电流的特性的图形。
[0015] 图8是例示第2谐振器条件以及第1阻抗条件下的输入电流的特性的图形。
[0016] 图9是例示第2谐振器条件以及第2阻抗条件下的输入电流的特性的图形。
[0017] 图10是例示第3谐振器条件以及第1阻抗条件下的输入电流的特性的图形。
[0018] 图11是例示第3谐振器条件以及第2阻抗条件下的输入电流的特性的图形。
[0019] 图12是例示第4谐振器条件以及第1阻抗条件下的输入电流的特性的图形。 [0020]图13是例示第4谐振器条件以及第2阻抗条件下的输入电流的特性的图形。
[0021] 图14是图1的控制装置的动作例的说明图。
[0022] 图15是图1的控制装置的动作例的说明图。
[0023] 图16是例示第2实施方式的无线电力传送系统的图。
[0024] 图17是例示图16的逆变器的图。
[0025] 图18是例示图16的逆变器的图。
[0026] 图19是例示第3实施方式的无线电力传送系统的图。
[0027] 图20是例示第4实施方式的无线电力传送系统的图。
[0028] 图21是例示第5实施方式的无线电力传送系统的图。
[0029] 图22是例示第6实施方式的无线电力传送系统的图。
[0030] 图23是例示第7实施方式的无线电力传送系统的图。
[0031] 图24是例示第8实施方式的无线电力传送系统的图。
[0032] 图25是例示第9实施方式的无线电力传送系统的图。
[0033] 图26是例示第10实施方式的无线电力传送系统的图。
[0034] 图27是例示第11实施方式的无线电力传送系统的图。
[0035] 图28是例示第12实施方式的无线电力传送系统的图。
[0036] 图29是例示第13实施方式的无线电力传送系统的图。
[0037] 图30是例示第14实施方式的无线电力传送系统的图。
[0038] 图31是例示第15实施方式的无线电力传送系统的图。
[0039] 图32是例示第16实施方式的无线电力传送系统的图。
[0040] 图33是例示第17实施方式的无线电力传送系统的图。
[0041] 图34是例示图1的控制装置的框图。
[0042] 符号说明
[0043] 100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500、 1600、1700 :控制装置；101 :控制部；102 :推测部；111、211、311、411、511、611、711、811、 911、1011、1111、1211、1311、1411、1511、1611、1711 :送电谐振器；112、312、412、512、612、 712、812、912、1012、1112、1212、1312、1512、1612、1712 :频率可变信号源；121、321、421、 521、621、721、821、921、1021、1121、1221、1321、1421、1521、1621、1721 :受电谐振器；122、 222、322、422、522、622、722、822、922、1022、1122、1222、1322、1422、1522、1622、1722 :可变 阻抗元件；212、1412 :驱动信号源；213、1413 :逆变器；331、332 :无线通信部；531、631 :可 否传送判定部；613、623 :驱动部；731 :传送电力计算部；823、1223、1526 :二次电池；831 : 充电时间计算部；1112 :信号源；1224 :逆流防止电路；1323 :负载电路；1414 :可变电压源； 1523 :整流电路；1524 :平滑化电容器；1525 :开关；1613、1623、1713、1723:检测部。
【具体实施方式】
[0044] 以下，参照附图，叙述实施方式的说明。另外，以后，对与已说明的要素相同或者类 似的要素附加同一或者类似的符号，基本上省略了重复的说明。
[0045] (第1实施方式）
[0046] 如图1例示，第1实施方式的无线电力传送系统具备控制装置100、送电谐振器 111、频率可变信号源112、受电谐振器121、以及可变阻抗元件122。
[0047] 另外，在图1的无线电力传送系统中，送电装置包括至少送电谐振器111，受电装 置包括至少受电谐振器121。控制装置100既可以嵌入于送电装置，也可以嵌入于受电装 置，还可以与送电装置以及受电装置独立地设置。
[0048] 在以后的说明中，设为频率可变信号源112包含于送电装置、并且、可变阻抗元件 122包含于受电装置。频率可变信号源112既可以兼作用于无线电力传送的信号源、也可以 与上述信号源独立地设置。
[0049] 如上所述，频率可变信号源112也可以与用于无线电力传送的信号源独立地设 置。因此，送电装置也可以代替频率可变信号源112而包括可变阻抗元件122。在该情况 下，受电装置代替可变阻抗元件122而包括频率可变信号源112。在该情况下，在以后的说 明中的与耦合系数或者谐振频率的推测关联的记述中，适当交换"送电谐振器"以及"受电 谐振器"来读取即可。
[0050] 控制装置100进行图1的无线电力传送系统中的各种控制。控制装置100在成为 控制的对象的要素设置于不同的装置（例如送电装置、受电装置等）的情况下，也可以使用 例如有线通信或者无线通信来进行控制。
[0051] 具体而言，控制装置100为了在至少2个阻抗条件下对送电谐振器111的输入信 号进行频率扫描，而对频率可变信号源112提供控制信号。另外，控制装置100为了设定上 述至少2个阻抗条件，对可变阻抗元件122提供控制信号。
[0052] 进而，控制装置100在对送电谐振器111的输入信号进行频率扫描的期间，观测送 电谐振器111的输入电流、输入电压以及输入电力中的至少一个特性。能够根据频率可变 信号源112的类别，决定控制装置100观测输入电流、输入电压以及输入电力中的哪一个特 性。
[0053] 在频率可变信号源112是恒定电力源的情况下，控制装置100也可以观测输入电 流、输入电压以及输入电力中的某一个特性。在频率可变信号源112是恒定电压源的情况 下，控制装置100优选观测输入电流的特性。在频率可变信号源112是恒定电流源的情况 下，控制装置100优选观测输入电压的特性。在以后的说明中，为了简化，设为频率可变信 号源112是恒定电压源，控制装置100观测输入电流的特性。
[0054] 如后所述，控制装置100根据观测到的输入电流的特性检测多个特定频率。然后， 如后所述，控制装置1〇〇根据检测到的多个特定频率，推测耦合系数k、送电谐振器111的谐 振频率&以及受电谐振器121的谐振频率f2。
[0055] 另外，也可以如图34例示地进行控制装置100中的功能分割。图34的控制装置 100包括控制部101以及推测部102。控制部101具备与针对其他要素的控制动作关联的 功能。具体而言，控制部101设定阻抗条件、或者指示送电谐振器111的输入信号的频率扫 描。推测部102具备与耦合系数、送电谐振器111的谐振频率以及受电谐振器121的谐振 频率的推测关联的功能。具体而言，推测部102根据观测到的输入电流的特性检测多个特 定频率、或者根据检测到的多个特定频率进行推测。另外，图34未限定控制装置100中的 功能分割。控制装置100具备的功能既可以细分化而通过多个专用电路实现，也可以汇总 为1个通用处理器（例如CPU)。
[0056] 送电谐振器111既可以是图2例示的串联谐振电路，也可以是图3例示的并联谐 振电路。送电谐振器111包括电感=1^的电感器、和电容=(^的电容器。电感h以及电 容(^影响送电谐振器111的谐振频率f i。因此，一般，以得到期望的谐振频率的方式，设 计电感器以及电容器。但是，由于电感器以及电容器的制造偏差、使用环境变动，电感1^以 及电容(^相对设计值包含误差。
[0057] 频率可变信号源112生成送电谐振器111的输入信号。关于输入信号，既可以仅 限用于耦合系数k、谐振频率心以及谐振频率f2的推测，也可以还用于无线电力传送。频 率可变信号源112根据来自控制装置100的控制信号，进行送电谐振器111的输入信号的 频率扫描。
[0058] 受电谐振器121既可以是图4例示的串联谐振电路，也可以是图5例示的并联谐 振电路。受电谐振器121包括电感=1^2的电感器、和电容=(：2的电容器。电感L2以及电 容(：2影响受电谐振器121的谐振频率f 2。因此，一般，以得到期望的谐振频率f2的方式，设 计电感器以及电容器。但是，由于电感器以及电容器的制造偏差、使用环境变动，电感。以 及电容(：2相对设计值包含误差。
[0059] 可变阻抗元件122能够根据来自控制装置100的控制信号使阻抗在至少2个值之 间变化。具体而言，设为可变阻抗元件122的阻抗在第1阻抗条件下充分高、在第2阻抗条 件下充分低。优选，可变阻抗元件122在第1阻抗条件下处于开路状态、在第2阻抗条件下 处于短路状态。例如，如果可变阻抗元件122是开关元件，则在第1阻抗条件下可变阻抗元 件122处于断开（OFF)状态，在第2阻抗条件下可变阻抗元件122处于导通（ON)状态。
[0060] 以下，说明控制装置100根据送电谐振器111的输入电流的特性检测多个特定频 率的动作、以及、根据检测到的多个特定频率推测耦合系数k、谐振频率fi以及谐振频率f 2的动作。
[0061] 另外，在以后的说明中，为便于说明，以角频率[rad/s]的形式导出谐振频率。频 率fjHz]与角频率ojrad/s]之间的关系如下述公式（1)所示。*是用于确定频率f；和 角频率的索弓丨。在以后的说明中，"1"、"2"、1"、"8"、"(："等被用作索引*。
[0062]【式1】
【权利要求】
1. 一种控制装置，具备： 控制部，设定与第1谐振器连接的可变阻抗元件具有第1阻抗的第1阻抗条件，对生成 与所述第1谐振器耦合的第2谐振器的输入信号的频率可变信号源，在所述第1阻抗条件 下指示所述输入信号的第1频率扫描，设定所述可变阻抗元件具有与所述第1阻抗不同的 第2阻抗的第2阻抗条件，对所述频率可变信号源，在所述第2阻抗条件下指示所述输入信 号的第2频率扫描；以及 推测部，在进行所述第1频率扫描的期间检测提供所述输入信号的极大值或者极小值 的1个以上的第1特定频率，在进行所述第2频率扫描的期间检测提供所述输入信号的极 大值或者极小值的1个以上的第2特定频率，根据所述1个以上的第1特定频率以及所述 1个以上的第2特定频率，推测所述第1谐振器与所述第2谐振器之间的耦合系数、所述第 1谐振器的第1谐振频率以及所述第2谐振器的第2谐振频率中的至少一个。
2. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述推测部通过针对所述1个以上的第1特定频率以及所述1个以上的第2特定频率 应用参照表格或者变换式，推测所述耦合系数、所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率中 的至少一个。
3. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述可变阻抗元件是开关元件，在所述第1阻抗条件下处于断开状态，在所述第2阻抗 条件下处于导通状态。
4. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述频率可变信号源包括驱动信号源以及逆变器， 所述驱动信号源生成用于驱动所述逆变器的开关信号， 所述控制部对所述驱动信号源在所述第1阻抗条件下指示所述开关信号的第1频率扫 描，对所述驱动信号源在所述第2阻抗条件下指示所述开关信号的第2频率扫描， 所述推测部在进行所述第1频率扫描的期间检测示出所述逆变器的输入信号或者输 出信号的极大值或者极小值的所述1个以上的第1特定频率，在进行所述第2频率扫描的 期间检测示出所述逆变器的输入信号或者输出信号的极大值或者极小值的所述1个以上 的第2特定频率。
5. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 还具备进行无线通信的无线通信部， 所述控制部经由所述无线通信部，设定所述第1阻抗条件以及所述第2阻抗条件。
6. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 还具备进行无线通信的无线通信部， 所述控制部经由所述无线通信部，对所述频率可变信号源指示所述第1频率扫描以及 所述第2频率扫描， 所述推测部经由所述无线通信部，检测所述1个以上的第1特定频率以及所述1个以 上的第2特定频率。
7. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率的至少一方可变， 所述控制部根据所述耦合系数、所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率中的至少一 个的推测值，调整所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率的至少一方。
8. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述推测部对根据所述耦合系数、所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率中的至少 一个的推测值判定将来的无线电力传送可否正常地执行并将判定结果通知到外部的判定 部提供该推测值。
9. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述第1谐振器以及所述第2谐振器中的至少一方具备由驱动部驱动的机械式的移动 机构， 所述推测部对根据所述耦合系数、所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率中的至少 一个的推测值判定将来的无线电力传送可否正常地执行的判定部提供该推测值， 所述驱动部在由所述判定部判定为所述无线电力传送无法执行的情况下驱动所述移 动机构。
10. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述推测部对根据所述耦合系数、所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率中的至少 一个的推测值计算将来的无线电力传送中的传送电力的预测值的计算部提供该推测值。
11. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述推测部对根据所述耦合系数、所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率中的至少 一个的推测值计算将来的经由无线电力传送的二次电池的充电时间的预测值的计算部提 供该推测值。
12. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述控制部在所述1个以上的第1特定频率以及所述1个以上的第2特定频率中的至 少一个未被正确地检测出的情况下，调整所述频率可变信号源的设定电压、设定电流或者 设定电力。
13. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率的至少一方可变， 所述控制部在所述1个以上的第1特定频率以及所述1个以上的第2特定频率中的至 少一个未被正确地检测出的情况下，调整所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率的至少 一方。
14. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率的至少一方具备第1电路和第2电路，所述 第1电路与为了无线电力传送而使用的谐振电路部分相当，所述第2电路包括能够与该第 1电路串联或者并联地连接的具有既知的电容的电容器以及具有既知的电感的电感器中的 至少一方， 所述控制部控制所述第1电路与所述第2电路之间的连接状态， 所述推测部在所述第1电路与所述第2电路连接的情况下，还根据所述既知的电容以 及所述既知的电感中的至少一方，推测未连接所述第2电路时的所述耦合系数、所述第1谐 振频率以及所述第2谐振频率中的至少一个。
15. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述控制部在进行所述第1频率扫描的期间以及进行所述第2频率扫描的期间，使用 于无线电力传送的信号源的设定电压、设定电流以及设定电力中的某一个降低。
16. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述第1谐振器与二次电池、和防止从所述二次电池向所述可变阻抗元件的逆流的逆 流防止电路连接。
17. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 如果所述可变阻抗元件的两端之间发生了超过阈值的电压，则该可变阻抗元件使阻抗 降低。
18. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述频率可变信号源兼作用于无线电力传送的信号源， 所述控制部相比于进行所述无线电力传送的期间，使进行所述第1频率扫描的期间以 及在进行所述第2频率扫描的期间的所述频率信号源的设定电压、设定电流以及设定电力 中的某一个降低。
19. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述第1谐振器与对该第1谐振器的输出电流进行整流的整流电路、使该整流电路的 输出电压平滑化的平滑化电容器、插入于所述平滑化电容器与二次电池之间的开关、以及 所述二次电池连接， 所述控制部将所述开关设定为导通状态，在所述平滑化电容器被充电之后将所述开关 设定为断开状态，在所述开关被设定为断开状态之后指示所述第1频率扫描。
20. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述控制部在所述耦合系数、所述第1谐振频率以及所述第2谐振频率中的至少一个 的推测值脱离了容许范围的情况下，对检测与所述第1谐振器以及所述第2谐振器中的至 少一方的使用环境有关的信息的检测部提供动作指示。
21. 根据权利要求1所述的控制装置，其特征在于， 所述控制部在根据所述1个以上的第1特定频率以及所述1个以上的第2特定频率中 的至少一个计算出的Q值脱离了容许范围的情况下，对检测与所述第1谐振器以及所述第 2谐振器中的至少一方的使用环境有关的信息的检测部提供动作指示。
22. -种送电装置， 具备权利要求1所述的控制装置。
23. 根据根据权利要求22所述的送电装置，其特征在于， 还具备所述第2谐振器以及所述频率可变信号源。
24. 根据根据权利要求22所述的送电装置，其特征在于， 具备所述第1谐振器以及所述可变阻抗元件。
25. -种受电装置， 具备权利要求1所述的控制装置。
26. 根据权利要求25所述的受电装置，其特征在于， 还具备所述第1谐振器以及所述可变阻抗元件。
27. 根据权利要求25所述的受电装置，其特征在于， 还具备所述第2谐振器以及所述频率可变信号源。
28. -种控制方法，包括： 设定与第1谐振器连接了的可变阻抗元件具有第1阻抗的第1阻抗条件； 对生成与所述第1谐振器耦合的第2谐振器的输入信号的频率可变信号源在所述第1 阻抗条件下指示所述输入信号的第1频率扫描； 设定所述可变阻抗元件具有与所述第1阻抗不同的第2阻抗的第2阻抗条件； 对所述频率可变信号源在所述第2阻抗条件下指示所述输入信号的第2频率扫描； 在进行所述第1频率扫描的期间检测提供所述输入信号的极大值或者极小值的1个以 上的第1特定频率； 在进行所述第2频率扫描的期间检测提供所述输入信号的极大值或者极小值的1个以 上的第2特定频率；以及 根据所述1个以上的第1特定频率以及所述1个以上的第2特定频率，推测所述第1谐 振器与所述第2谐振器之间的耦合系数、所述第1谐振器的第1谐振频率以及所述第2谐 振器的第2谐振频率中的至少一个。
【文档编号】H03H7/40GK104508943SQ201280074992
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2012年10月4日 优先权日:2012年10月4日
【发明者】鬼塚浩平 申请人:株式会社东芝