АППАРАТУРА БЕСПРОВОДНОЙ ПОДАЧИ ЭНЕРГИИ, ТРАНСПОРТНОЕ СРЕДСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ БЕСПРОВОДНОЙ ПОДАЧИ ЭНЕРГИИ
WIRELESS POWER SUPPLY EQUIPMENT, VEHICLE AND METHOD OF CONTROLLING WIRELESS POWER SUPPLY SYSTEM

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к аппаратуре беспроводной подачи энергии, транспортному средству и способу управления системой беспроводной подачи энергии, а более конкретно к аппаратуре беспроводной подачи энергии для подачи энергии бесконтактным образом посредством резонанса между блоком передачи энергии и блоком приема энергии через электромагнитное поле, к транспортному средству, принимающему энергию от упомянутой аппаратуры, и способу управления системой беспроводной подачи энергии.
Уровень техники
Транспортные средства с электроприводом, такие как электрические транспортные средства и гибридные транспортные средства, привлекают много внимания как дружественные к окружающей среде транспортные средства. Эти транспортные средства заключают в себе двигатель для генерирования движущей силы для езды и перезаряжаемое устройство аккумулирования энергии для аккумулирования энергии, подаваемой к двигателю. Гибридное транспортное средство - это транспортное средство, заключающее в себе как двигатель, так и двигатель внутреннего сгорания в качестве источника движения, транспортное средство, заключающее в себе устройство аккумулирования энергии, а также топливный элемент в качестве источника энергии постоянного тока для движения транспортного средства или т.п.
Как и в случае с электрическим транспортным средством, известно гибридное транспортное средство, имеющее установленное в транспортном средстве устройство аккумулирования энергии, которое может заряжаться от источника энергии за пределами транспортного средства. Например, известно так называемое "подключаемое к розетке гибридное транспортное средство", в котором устройство аккумулирования энергии может заряжаться от источника энергии в обычном домохозяйстве посредством соединения розетки для подачи энергии, предусмотренной в доме, с зарядным входом, предусмотренным в транспортном средстве, через зарядный кабель.
Беспроводная передача энергии без использования шнура энергоснабжения или кабеля для передачи энергии привлекла внимание в последние годы в качестве способа передачи энергии. Передача энергии с использованием электромагнитной индукции, передача энергии с использованием микроволн и передача энергии посредством резонанса являются тремя доминирующими технологиями беспроводной передачи энергии.
Резонансной является технология беспроводной передачи энергии, чтобы заставлять пару резонаторов (например, пару катушек) резонировать друг с другом в электромагнитном поле (ближнем поле), чтобы передавать энергию через электромагнитное поле, и может передавать большое количество энергии в несколько кВт на относительно большое расстояние (например, несколько метров).
Выложенный японский патент № 2010-141976 (PTL 1) раскрывает аппаратуру беспроводной передачи энергии для передачи энергии бесконтактным образом транспортному средству посредством резонанса. Эта аппаратура беспроводной передачи энергии включает в себя источник энергии переменного тока, первичную катушку, соединенную с источником энергии переменного тока, резонирующую катушку с первичной стороны, резонирующую катушку со вторичной стороны и вторичную катушку, соединенную с нагрузкой (аккумуляторной батареей), и дополнительно включает в себя схему изменения импеданса, размещенную между источником энергии переменного тока и первичной катушкой. Первичная катушка, резонирующая катушка с первичной стороны, резонирующая катушка со вторичной стороны, вторичная катушка и нагрузка формируют резонирующую систему. Импеданс схемы изменения импеданса регулируется таким образом, что входной импеданс резонирующей системы при резонансной частоте согласуется с импедансом стороны источника энергии переменного тока, за исключением первичной катушки.
Согласно этой аппаратуре беспроводной передачи энергии энергия может эффективно подаваться от источника энергии переменного тока к нагрузке без изменения частоты источника энергии переменного тока, даже если расстояние между резонирующими катушками или нагрузкой, принимающей энергию, изменяется (см. PTL 1).
Список ссылок
Патентная литература
PTL 1: Японский выложенный патент № 2010-141976
PTL 2: Японский выложенный патент № 2010-119246
Сущность изобретения
Техническая проблема
Если возникает позиционное рассогласование резонирующей катушки со вторичной стороны относительно резонирующей катушки с первичной стороны, импеданс резонирующей системы изменяется вследствие изменения в расстоянии между катушками, приводя в результате к более низкой эффективности передачи энергии от устройства подачи энергии к транспортному средству. В аппаратуре беспроводной передачи энергии, раскрытой в вышеуказанной публикации, датчик расстояния измеряет расстояние между резонирующей катушкой с первичной стороны и резонирующей катушкой со вторичной стороны, а схема изменения импеданса регулирует импеданс на основе результата измерения.
Однако, поскольку датчик расстояния для измерения расстояния между резонирующей катушкой с первичной стороны и резонирующей катушкой со вторичной стороны предусматривается отдельно, в результате увеличивается стоимость оборудования.
Целью настоящего изобретения поэтому является устранение необходимости в датчике расстояния для измерения расстояния между блоком передачи энергии и блоком приема энергии в системе беспроводной подачи энергии для подачи энергии бесконтактным образом посредством резонанса между блоком передачи энергии и блоком приема энергии через электромагнитное поле.
Решение проблемы
Согласно настоящему изобретению аппаратура беспроводной подачи энергии для подачи энергии бесконтактным образом устройству приема энергии, включающему в себя блок приема энергии, включает в себя устройство энергоснабжения, блок передачи энергии, устройство детектирования, устройство связи и блок оценки. Устройство энергоснабжения генерирует энергию, имеющую предварительно заданную частоту. Блок передачи энергии принимает энергию от устройства энергоснабжения и передает энергию бесконтактным образом блоку приема энергии, посредством резонирования с блоком приема энергии через электромагнитное поле. Устройство детектирования детектирует отраженную энергию в устройство энергоснабжения. Устройство связи принимает состояние приема энергии устройства приема энергии. Блок оценки оценивает величину позиционного рассогласования блока приема энергии относительно блока передачи энергии на основе состояния приема энергии и отраженной энергии, используя соотношение, полученное заранее, между состоянием приема энергии и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования.
Предпочтительно, аппаратура беспроводной подачи энергии дополнительно включает в себя устройство изменения импеданса и блок регулирования импеданса. Устройство изменения импеданса предусматривается между устройством энергоснабжения и блоком передачи энергии. Блок регулирования импеданса регулирует импеданс устройства изменения импеданса на основе величины позиционного рассогласования, используя соотношение, полученное заранее, между величиной позиционного рассогласования и импедансом.
Предпочтительно, состояние приема энергии указывается посредством принимаемого напряжения устройства приема энергии.
Предпочтительно, состояние приема энергии указывается принимаемой энергией устройства приема энергии.
Предпочтительно, устройство приема энергии сконфигурировано, чтобы иметь возможность фиксировать импеданс во время приема энергии в предварительно заданном значении в соответствии с заданной инструкцией. Устройство связи дополнительно передает инструкцию для фиксирования импеданса в предварительно заданном значении в устройство приема энергии, в то время как блок оценки оценивает величину позиционного рассогласования.
Предпочтительно, блок передачи энергии включает в себя первичную катушку и первичную работающую на собственной резонансной частоте катушку, а блок приема энергии включает в себя вторичную работающую на собственной резонансной частоте катушку и вторичную катушку. Первичная катушка принимает энергию от устройства энергоснабжения. Первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка, к которой энергия подается от первичной катушки посредством электромагнитной индукции, генерирует электромагнитное поле. Вторичная работающая на собственной резонансной частоте катушка принимает энергию от первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки посредством резонирования с первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой через электромагнитное поле. Вторичная катушка извлекает энергию, принятую вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой, посредством электромагнитной индукции для вывода.
Предпочтительно, устройство приема энергии устанавливается в транспортном средстве.
Согласно настоящему изобретению, транспортное средство, способное принимать энергию бесконтактным образом от аппаратуры подачи энергии, включающей в себя блок передачи энергии, включает в себя блок приема энергии, устройство детектирования, устройство связи и блок оценки. Блок приема энергии принимает энергию бесконтактным образом от блока передачи энергии посредством резонирования с блоком передачи энергии через электромагнитное поле. Устройство детектирования детектирует состояние приема энергии блока приема энергии. Устройство связи принимает детектированное значение отраженной энергии в аппаратуре подачи энергии. Блок оценки оценивает величину позиционного рассогласования блока приема энергии относительно блока передачи энергии на основе состояния приема энергии и отраженной энергии, используя соотношение, полученное заранее, между состоянием приема энергии и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования.
Согласно настоящему изобретению предоставляется способ управления системой беспроводной подачи энергии для подачи энергии бесконтактным образом от аппаратуры подачи энергии к устройству приема энергии. Аппаратура подачи энергии включает в себя устройство энергоснабжения и блок передачи энергии. Устройство энергоснабжения генерирует энергию, имеющую предварительно заданную частоту. Блок передачи энергии принимает энергию от устройства энергоснабжения и передает энергию бесконтактным образом блоку приема энергии в устройстве приема энергии, посредством резонирования с блоком приема энергии через электромагнитное поле. Способ включает в себя этапы детектирования отраженной энергии к устройству энергоснабжения, детектирования состояния приема энергии устройства приема энергии и оценки величины позиционного рассогласования блока приема энергии относительно блока передачи энергии на основе состояния приема энергии и отраженной энергии, используя соотношение, полученное заранее, между состоянием приема энергии и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования.
Предпочтительно, аппаратура подачи энергии включает в себя устройство изменения импеданса, предусмотренное между устройством энергоснабжения и блоком передачи энергии. Способ управления дополнительно включает в себя этап регулирования импеданса устройства изменения импеданса на основе величины позиционного рассогласования с использованием соотношения, полученного заранее, между величиной позиционного рассогласования и импедансом.
Преимущества изобретения
Согласно настоящему изобретению, величина позиционного рассогласования блока приема энергии относительно блока передачи энергии оценивается на основе состояния приема энергии устройства приема энергии и отраженной энергии к устройству энергоснабжения, таким образом, устраняя необходимость в датчике расстояния для измерения расстояния между блоком передачи энергии и блоком приема энергии.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - это общая структурная схема системы беспроводной подачи энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 2 - это принципиальная схема, иллюстрирующая пример конфигурации схемы узла согласования импедансов, показанного на фиг. 1.
Фиг. 3 - это схема для объяснения принципов передачи энергии посредством резонанса.
Фиг. 4 - это функциональная блок-схема ECU в аппаратуре подачи энергии, показанной на фиг. 1.
Фиг. 5 - это схема, иллюстрирующая соотношение между принимаемым напряжением и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки.
Фиг. 6 - это схема, иллюстрирующая пример соотношения между величиной позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки и величиной регулирования узла согласования импедансов.
Фиг. 7 - это блок-схема последовательности операций для пояснения процесса, исполняемого посредством ECU в аппаратуре подачи энергии.
Подробное описание вариантов осуществления
Варианты осуществления настоящего изобретения будут теперь описаны подробно со ссылками на чертежи. Отметим, что одинаковые или соответствующие части обозначаются одинаковыми ссылочными символами на чертежах и их описание не будет повторяться.
Фиг. 1 - это общая структурная схема системы беспроводной подачи энергии согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Обратимся к фиг. 1, эта система беспроводной подачи энергии включает в себя аппаратуру 100 подачи энергии и транспортное средство 200.
Аппаратура 100 подачи энергии включает в себя устройство 110 энергоснабжения, датчик 115 энергии, узел 120 согласования импедансов, первичную катушку 130, первичную работающую на собственной резонансной частоте катушку 140, конденсатор 150, электронный блок 160 управления (далее в данном документе называемый "ECU") и устройство 170 связи.
Устройство 110 энергоснабжения генерирует энергию, имеющую предварительно заданную частоту. В качестве примера, устройство 110 энергоснабжения принимает энергию из непоказанной системы энергоснабжения и генерирует энергию, имеющую предварительно заданную частоту между 1 МГц и немногим более 10 МГц. Устройство 110 энергоснабжения управляет генерированием и прерыванием энергии и выводом энергии в соответствии с инструкцией, принятой от ECU 160.
Датчик 115 энергии детектирует энергию распространяющейся волны и отраженную энергию в устройстве 110 энергоснабжения и выводит детектированные значения в ECU 160. Энергия распространяющейся волны является энергией, выводимой из устройства 110 энергоснабжения. Отраженная энергия - это энергия, выводимая из устройства 110 энергоснабжения и отраженная обратно в устройство 110 энергоснабжения. Разнообразие известных датчиков, способных детектировать энергию распространяющейся волны и отраженную энергию в устройстве энергоснабжения, может быть использовано в качестве датчика 115 энергии.
Узел 120 согласования импедансов предусматривается между устройством 110 энергоснабжения и первичной катушкой 130 и конфигурируется, чтобы иметь возможность изменять внутренний импеданс. Узел 120 согласования импедансов изменяет импеданс в соответствии с инструкцией, принятой от ECU 160, чтобы согласовывать входной импеданс резонирующей системы, включающей в себя первичную катушку 130, первичную работающую на собственной резонансной частоте катушку 140 и конденсатор 150 и вторичную работающую на собственной резонансной частоте катушку 210, конденсатор 220 и вторичную катушку 230 транспортного средства 200 (описанные ниже), с выходным импедансом устройства 110 энергоснабжения.
Фиг. 2 - это принципиальная схема, иллюстрирующая пример конфигурации схемы узла 120 согласования импедансов, показанного на фиг. 1. Обратимся к фиг. 2, узел 120 согласования импедансов включает в себя конденсаторы 122, 124 переменной емкости и катушку 126. Конденсатор 122 переменной емкости подключается параллельно с устройством 110 энергоснабжения (фиг. 1). Конденсатор 124 переменной емкости подключается параллельно первичной катушке 130 (фиг. 1). Катушка 126 соединяется с одной из пары линий энергоснабжения, предусмотренных между устройством 110 и первичной катушкой 130, между узлами подключения конденсаторов 122 и 124 переменной емкости.
В узле 120 согласования импедансов импеданс изменяется вследствие изменения емкости, по меньшей мере, одного из конденсаторов 122 и 124 переменной емкости в соответствии с инструкцией, принятой от ECU 160 (фиг. 1). Таким образом, узел 120 согласования импедансов согласует входной импеданс резонирующей системы с выходным импедансом устройства 110 энергоснабжения в соответствии с инструкцией, принятой от ECU 160.
Хотя специально не показано, катушка 126 может быть сформирована из катушки переменной индуктивности, и импеданс может изменяться посредством изменения индуктивности катушки переменной индуктивности.
Обратимся опять к фиг. 1, первичная катушка 130 предусмотрена, по существу, соосно с первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 140 на предварительно заданном расстоянии от первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140. Первичная катушка 130 магнитно связывается с первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 140 посредством электромагнитной индукции и подает энергию высокой частоты, поданную от устройства 110 энергоснабжения, первичной работающей на собственной резонансной частоте катушке 140 посредством электромагнитной индукции.
Первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 140 принимает энергию от первичной катушки 130 посредством электромагнитной индукции и передает энергию вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушке 210 (описанной ниже), установленной в транспортном средстве 200, посредством резонирования с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210 через электромагнитное поле. Первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 140 снабжена конденсатором 150. Конденсатор 150 подключается, например, между противоположными концами первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140. Диаметр катушки и витки первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 и емкость конденсатора 150 предполагаются как подходящие для приема высокого значения Q (добротности) (например, Q>100), высокого коэффициента k соединения и т.п.
Первичная катушка 130 предусматривается, чтобы обеспечивать подачу энергии от устройства 110 энергоснабжения к первичной работающей на собственной резонансной частоте катушке 140, и устройство 110 энергоснабжения может быть непосредственно соединено с первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 140 без предоставления первичной катушки 130. Альтернативно, конденсатор 150 может не предоставляться посредством использования паразитной емкости первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140.
Во время подачи энергии из аппаратуры 100 подачи энергии к транспортному средству 200 ECU 160 принимает детектированные значения отраженной энергии и энергии распространяющейся волны от датчика 115 энергии и принимает состояние приема энергии транспортного средства 200, принятое устройством 170 связи, от устройства 170 связи. Состояние приема энергии транспортного средства 200 включает в себя информацию, такую как принимаемое напряжение, принимаемый ток и принимаемая энергия транспортного средства 200. В дополнение к состоянию приема энергии ECU 160 также принимает информацию о состоянии заряда (далее в данном документе именуемую "SOC") устройства 280 аккумулирования энергии (описанного ниже), установленного в транспортном средстве 200, инструкции для начала/завершения подачи энергии и т.п. от устройства 170 связи.
ECU 160 затем исполняет предварительно заданный процесс посредством программного обеспечения, осуществляющего выполнение предварительно сохраненной программы с помощью CPU (центральный процессор) и/или посредством аппаратной обработки с помощью специализированной электронной схемы.
В частности, ECU 160 управляет работой устройства 110 энергоснабжения. Кроме того, ECU 160 оценивает величину позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210 относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 (далее в данном документе просто называемую "величиной позиционного рассогласования") на основе состояния приема энергии транспортного средства 200 и отраженной энергии в устройство 110 энергоснабжения. Первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 140 и вторичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 210 предусматриваются так, что центральные оси параллельны друг другу, и величина смещения центральной оси вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210 относительно центральной оси первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 называется "величиной позиционного рассогласования". ECU 160 регулирует импеданс блока 120 согласования импедансов на основе оцененной величины позиционного рассогласования. Эти этапы процесса будут описаны ниже более подробно.
Устройство 170 связи является интерфейсом связи для проведения сеансов связи с транспортным средством 200. Устройство 170 связи принимает состояние приема энергии транспортного средства 200 и информацию, такую как SOC устройства 280 накопления энергии, от транспортного средства 200 для вывода в ECU 160. Кроме того, устройство 170 связи принимает инструкцию для начала последовательности этапов процесса, включающих в себя оценку величины позиционного рассогласования и регулирование импеданса (далее в данном документе просто называемой "процессом регулирования"), и инструкцию для начала реальной подачи энергии для зарядки устройства 280 аккумулирования энергии от ECU 160 для передачи транспортному средству 200.
Транспортное средство 200 включает в себя вторичную работающую на собственной резонансной частоте катушку 210, конденсатор 220, вторичную катушку 230, выпрямитель 240, переключающее устройство 250, зарядное устройство 270, устройство 280 аккумулирования энергии и устройство 285 вывода движущей силы. Транспортное средство 200 дополнительно включает в себя датчик 262 напряжения, датчик 264 тока, ECU 290 и устройство 300 связи.
Вторичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 210 принимает энергию от первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 в аппаратуре 100 подачи энергии посредством резонирования с первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 140 через электромагнитное поле. Вторичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 210 снабжена конденсатором 220. Конденсатор 220 подключается между противоположными концами вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210, например. Диаметр катушки и витки вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210 и емкость конденсатора 220 предполагаются как подходящие для приема высокого значения Q (например, Q>100), высокого коэффициента k соединения и т.п.
Вторичная катушка 230 предусматривается, по существу, соосно с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210 на предварительно заданном расстоянии от вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210. Вторичная катушка 230 может быть магнитно связана с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210 посредством электромагнитной индукции и извлекает энергию, принятую вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210, посредством электромагнитной индукции для вывода в выпрямитель 240.
Вторичная катушка 230 предусматривается, чтобы обеспечивать извлечение энергии из вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210, и выпрямитель 240 может быть непосредственно соединен с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210 без предоставления вторичной катушки 230. Альтернативно, конденсатор 220 может не предоставляться посредством использования паразитной емкости вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210.
Выпрямитель 240 выпрямляет энергию (переменный ток), выводимую из вторичной катушки 230. Зарядное устройство 270 преобразует напряжение энергии постоянного тока, выводимой из выпрямителя 240, в напряжение зарядки устройства 280 аккумулирования энергии для вывода устройству 280 аккумулирования энергии. Устройство 280 аккумулирования энергии является перезаряжаемым источником энергии постоянного тока и сформировано из аккумуляторной батареи, такой как литий-ионная батарея или никель-металлогидридная батарея. Устройство 280 аккумулирования энергии накапливает энергию, принятую от зарядного устройства 270, а также накапливает рекуперативную энергию, сгенерированную устройством 285 вывода движущей силы. Устройство 280 аккумулирования энергии затем подает накопленную энергию устройству 285 вывода движущей силы. Конденсатор, имеющий большую емкость, может применяться в качестве устройства 280 аккумулирования энергии.
Устройство 285 вывода движущей силы генерирует движущую силу для движения транспортного средства 200, используя энергию, накопленную в устройстве 280 аккумулирования энергии. Хотя специально не показано, устройство 285 вывода движущей силы включает в себя, например, инвертор для приема энергии от устройства 280 аккумулирования энергии, двигатель, приводимый в действие посредством инвертора, ведущие колеса, приводимые в движение двигателем, и т.п. Устройство 285 вывода движущей силы может включать в себя генератор энергии для заряда устройства 280 аккумулирования энергии и двигатель, способный приводить в действие генератор энергии.
Переключающее устройство 250 предусматривается между выпрямителем 240 и зарядным устройством 270. Переключающее устройство 250 включает в себя реле 252, 254 и резистивный элемент 256. Реле 252 предусматривается в цепи энергоснабжения между выпрямителем 240 и зарядным устройством 270. Реле 254 и резистивный элемент 256 подключаются последовательно между парой цепей энергоснабжения между выпрямителем 240 и зарядным устройством 270, ближе к выпрямителю 240 относительно реле 252.
Во время заряда устройства 280 аккумулирования энергии посредством аппаратуры 100 подачи энергии реле 252 и 254 включено и выключено соответственно. Во время процесса регулирования, с другой стороны, реле 252 и 254 выключено и включено соответственно. Переключающее устройство 250 должно отсоединять устройство 280 аккумулирования энергии, импеданс которого изменяется с SOC, и подсоединять резистивный элемент 256, имеющий предварительно заданный импеданс, для того чтобы оценивать величину позиционного рассогласования и регулировать импеданс устойчивым образом.
Датчик 262 напряжения детектирует принимаемое напряжение V, выпрямленное выпрямителем 240, и выводит детектированное значение в ECU 290. Датчик 264 тока детектирует принимаемый ток I, выводимый из выпрямителя 240, и выводит детектированное значение в ECU 290.
ECU 290 принимает детектированные значения принимаемого напряжения V и принимаемого тока I от датчика 262 напряжения и датчика 264 тока, соответственно. ECU 290 также принимает инструкцию для начала процесса регулирования и инструкцию для начала зарядки устройства 280 аккумулирования энергии от устройства 300 связи. ECU 290 затем управляет работой переключающего устройства 250 и зарядного устройства 270 в соответствии с инструкциями посредством процесса выполнения программным обеспечением предварительно сохраненной программы с помощью CPU и/или посредством аппаратной обработки с помощью специализированной электронной схемы.
Устройство 300 связи является интерфейсом связи для проведения сеансов связи с аппаратурой 100 подачи энергии. Устройство 300 связи принимает состояние приема энергии транспортного средства 200 и информацию, такую как SOC устройства 280 аккумулирования энергии, от ECU 290 для передачи в аппаратуру 100 подачи энергии. Кроме того, устройство 300 связи принимает инструкцию для начала процесса регулирования и инструкцию для начала зарядки устройства 280 аккумулирования энергии для вывода в ECU 290.
В этой системе беспроводной подачи энергии аппаратура 100 подачи энергии подает энергию транспортному средству 200 посредством резонанса между первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 140 и вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210 через электромагнитное поле. Во время подачи энергии из аппаратуры 100 подачи энергии в транспортное средство 200 состояние приема энергии детектируется в транспортном средстве 200, и отраженная энергия в устройство 110 энергоснабжения детектируется в аппаратуре 100 подачи энергии. Затем, величина позиционного рассогласования оценивается на основе состояния приема энергии транспортного средства 200 и отраженной энергии. Дополнительно, на основе оцененной величины позиционного рассогласования импеданс узла 120 согласования импедансов регулируется так, что входной импеданс резонирующей системы соответствует выходному импедансу устройства 110 энергоснабжения.
Фиг. 3 - это схема для объяснения принципов передачи энергии посредством резонанса. Обратимся к фиг. 3, этот резонанс таков, что, когда две LC-резонирующие катушки, имеющие одинаковую собственную частоту, резонируют друг с другом в электромагнитном поле (ближнем поле) тем же образом, которым два камертона резонируют друг с другом, энергия передается от одной из катушек к другой катушке через электромагнитное поле.
В частности, первичная катушка 130 соединяется с устройством 110 энергоснабжения, и энергия высокой частоты между 1 МГц и немногим более 10 МГц подается первичной работающей на собственной резонансной частоте катушке 140, магнитно связанной с первичной катушкой 130 посредством электромагнитной индукции. Первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 140 формирует LC-резонатор вместе с конденсатором 150 и резонирует с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210, имеющей ту же резонансную частоту, что и у первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140, через электромагнитное поле (ближнее поле). Соответственно, энергия передается от первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 к вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушке 210 через электромагнитное поле. Энергия, переданная вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушке 210, извлекается вторичной катушкой 230, магнитно связанной с вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210 посредством электромагнитной индукции, и подается к нагрузке 350 следом за выпрямителем 240 (фиг. 1). Передача энергии посредством резонанса осуществляется, когда значение Q, указывающее силу резонанса первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 и вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210, выше чем 100, например.
Фиг. 4 − это функциональная блок-схема ECU 160 в аппаратуре 100 подачи энергии, показанной на фиг. 1. Обратимся к фиг. 4, ECU 160 включает в себя блок 400 управления связью, блок 410 управления энергией, блок 420 оценки величины позиционного рассогласования и блок регулирования 430 узла согласования.
Блок 400 управления связью управляет связью между устройством 170 связи (фиг. 1) и транспортным средством 200. В частности, блок 400 управления связью устанавливает связь между устройством 170 связи и устройством 300 связи в транспортном средстве 200. Кроме того, блок 400 управления связью передает инструкцию для начала процесса регулирования перед зарядкой устройства 280 аккумулирования энергии (фиг. 1) в транспортном средстве 200 посредством аппаратуры 100 подачи энергии и инструкцию для начала реальной подачи энергии для зарядки устройства 280 аккумулирования энергии следом за завершением процесса регулирования транспортному средству 200 через устройство 170 связи. Блок 400 управления связью также принимает состояние приема энергии транспортного средства 200 и информацию о SOC устройства 280 аккумулирования энергии, инструкции для начала/завершения подачи энергии и т.п. от транспортного средства 200 через устройство 170 связи.
Блок 410 управления энергией управляет подачей энергии транспортному средству 200, управляя устройством 110 энергоснабжения. Во время процесса регулирования блок 410 управления энергией управляет устройством 110 энергоснабжения, чтобы выводить энергию (энергию для регулирования), меньшую, чем во время реальной подачи энергии для зарядки устройства 280 аккумулирования энергии.
Блок 420 оценки величины позиционного рассогласования оценивает величину δ позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210 относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 на основе принимаемого напряжения, включенного в состояние приема энергии, принятое от транспортного средства 200, и отраженной энергии, детектированной датчиком 115 энергии (фиг. 1).
Фиг. 5 - это схема, иллюстрирующая соотношение между принимаемым напряжением и отраженной энергией и величиной δ позиционного рассогласования. Обратимся к фиг. 5, когда величина δ позиционного рассогласования является небольшой, принимаемое напряжение в транспортном средстве 200 является высоким, а отраженная энергия в аппаратуре 100 подачи энергии является малой. Когда величина δ позиционного рассогласования является большой, с другой стороны, принимаемое напряжение является низким, а отраженная энергия является большой.
Соответственно, карта или т.п. подготавливается посредством получения заранее соотношения между принимаемым напряжением и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования, и величина δ позиционного рассогласования оценивается на основе принимаемого напряжения и отраженной энергии, детектированной во время передачи энергии из аппаратуры 100 подачи энергии транспортному средству 200, с использованием карты или т.п.
Хотя специально не показано, принимаемая энергия может быть использована вместо принимаемого напряжения. Т.е., когда величина δ позиционного рассогласования является небольшой, принимаемая энергия в транспортном средстве 200 является большой, а отраженная энергия в аппаратуре 100 подачи энергии является малой. Когда величина δ позиционного рассогласования является большой, с другой стороны, принимаемая энергия является малой, а отраженная энергия является большой. Соответственно, карта или т.п. подготавливается посредством получения заранее соотношения между принимаемой энергией и отраженной энергией и величиной позиционного рассогласования, и величина δ позиционного рассогласования оценивается на основе принимаемой энергии и отраженной энергии, детектированной во время передачи энергии из аппаратуры 100 подачи энергии транспортному средству 200, с использованием карты или т.п.
Обратимся опять к фиг. 4, блок 430 регулирования узла согласования регулирует импеданс узла 120 согласования импедансов (фиг. 1 и 2), чтобы согласовывать входной импеданс резонирующей системы с выходным импедансом устройства 110 энергоснабжения на основе величины δ позиционного рассогласования, оцененной блоком 420 оценки величины позиционного рассогласования.
Фиг. 6 - это схема, иллюстрирующая пример соотношения между величиной δ позиционного рассогласования и значением регулирования узла 120 согласования импедансов. Обратимся к фиг. 6, C1 и C2 представляют значения регулирования конденсаторов 122 и 124 переменной емкости (фиг. 2) соответственно. Значения C1 и C2 регулирования изменяются, таким образом, с величиной δ позиционного рассогласования.
Соответственно, карта или т.п. подготавливается посредством получения заранее соотношения между величиной δ позиционного рассогласования и значениями C1, C2 регулирования, и импеданс узла 120 согласования импедансов регулируется на основе величины δ позиционного рассогласования, оцененной на основе принимаемого напряжения и отраженной энергии, с использованием карты или т.п.
Обратимся опять к фиг. 4, по завершении регулирования импеданса блок 410 управления энергией управляет устройством 110 энергоснабжения, чтобы выполнять реальную подачу энергии для зарядки устройства 280 аккумулирования энергии в транспортном средстве 200.
Фиг. 7 − это блок-схема последовательности операций для объяснения процесса, исполняемого посредством ECU 160 в аппаратуре 100 подачи энергии. Обратимся к фиг. 7, ECU 160 определяет, установлена или нет связь с транспортным средством (этап S10). Если связь с транспортным средством 200 не установлена, процесс переходит к этапу S120 без исполнения последовательности последующих этапов.
Если на этапе S10 определяется, что связь с транспортным средством 200 установлена (Да на этапе S10), ECU 160 передает инструкцию для начала процесса регулирования транспортному средству 200 через устройство 170 связи (фиг. 1) (этап S20). В транспортном средстве 200, при приеме инструкции, реле 252 и 254 (фиг. 1) выключается и включается соответственно. В результате резистивный элемент 256 электрически подсоединяется, а устройство 280 аккумулирования энергии электрически отсоединяется.
Затем, при приеме ответа, указывающего, что резистивный элемент 256 подсоединен, ECU 160 управляет устройством 110 энергоснабжения, чтобы выводить энергию для регулирования (этап S30). Эта энергия для регулирования является предварительно заданной энергией, меньшей, чем во время реальной подачи энергии для зарядки устройства 280 аккумулирования энергии.
Далее, ECU 160 принимает состояние приема энергии (принимаемое напряжение, принимаемый ток, принимаемая энергия и т.п.) со вторичной стороны (транспортного средства) через устройство 170 связи (этап S40). ECU 160 дополнительно принимает отраженную энергию в устройство 110 энергоснабжения, детектированную датчиком 115 энергии (фиг. 1), от датчика 115 энергии (этап S50).
Затем, ECU 160 оценивает величину δ позиционного рассогласования на основе принимаемого напряжения и детектированной отраженной энергии с использованием карты, подготовленной заранее для оценки величины позиционного рассогласования, которая указывает соотношение между принимаемым напряжением транспортного средства 200 и отраженной энергией в аппаратуре 100 подачи энергии и величиной позиционного рассогласования (этап S60). Дополнительно, ECU 160 регулирует узел 120 согласования импедансов на основе величины δ позиционного рассогласования, оцененной на этапе S60, с использованием карты, подготовленной заранее для регулирования узла согласования, которая указывает соотношение между величиной позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210 относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 и значением регулирования узла 120 согласования импедансов (этап S70).
Далее, ECU 160 определяет, находятся ли отраженная энергия и принимаемая энергия транспортного средства 200 в рамках предварительно заданного диапазона (этап S80). Этот процесс определения должен определять, являются ли надлежащими или нет величины отраженной энергии и принимаемой энергии относительно энергии, выводимой из устройства 110 энергоснабжения (энергия распространяющейся волны).
Если определяется, что отраженная энергия и принимаемая энергия находятся в рамках предварительно заданного диапазона (Да на этапе S80), ECU 160 передает инструкцию для начала реальной подачи энергии для зарядки устройства 280 аккумулирования энергии транспортному средству 200 через устройство 170 связи (фиг. 1) (этап S90). В транспортном средстве 200, при приеме этой инструкции, реле 252 и 254 включается и выключается соответственно. В результате, зарядное устройство 270 электрически соединяется с выпрямителем 240, а резистивный элемент 256 электрически отсоединяется. Затем, ECU 160 управляет устройством 110 энергоснабжения, чтобы выводить энергию зарядки для зарядки устройства 280 аккумулирования энергии (этап S100).
Если определяется на этапе S80, что отраженная энергия и принимаемая энергия не находятся в рамках предварительно заданного диапазона (Нет на этапе S80), с другой стороны, ECU 160 останавливает устройство 110 энергоснабжения и прерывает зарядку устройства 280 аккумулирования энергии аппаратурой 100 подачи энергии (этап S110).
Как описано выше, в этом варианте осуществления, величина δ позиционного рассогласования вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 210 относительно первичной работающей на собственной резонансной частоте катушки 140 оценивается на основе состояния приема энергии транспортного средства 200 и отраженной энергии в аппаратуре 100 подачи энергии. Следовательно, этот вариант осуществления может устранять необходимость в датчике расстояния для измерения расстояния между первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 140 и вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210.
В этом варианте осуществления импеданс узла 120 согласования импедансов регулируется на основе оцененной величины δ позиционного рассогласования. Согласно этому варианту осуществления, поэтому, уменьшение в эффективности передачи энергии может быть пресечено.
Хотя ECU 160 в аппаратуре 100 подачи энергии оценивает величину δ позиционного рассогласования в вышеописанном варианте осуществления, ECU 290 в транспортном средстве 200 может оценивать величину δ позиционного рассогласования. В этом случае, детектированное значение отраженной энергии передается из аппаратуры 100 подачи энергии транспортному средству 200, и оцененный результат величины δ позиционного рассогласования передается из транспортного средства 200 в аппаратуру 100 подачи энергии.
Хотя импеданс узла 120 согласования импедансов регулируется на основе оцененной величины δ позиционного рассогласования в приведенном выше описании, позиция транспортного средства 200 относительно аппаратуры 100 подачи энергии может регулироваться на основе оцененной величины δ позиционного рассогласования.
Хотя узел 120 согласования импедансов предусматривается только в аппаратуре 100 подачи энергии на первичной стороне в вышеприведенном описании, узел согласования импедансов может быть предусмотрен в транспортном средстве 200 на вторичной стороне. Когда узел согласования импедансов предусматривается в транспортном средстве 200, величина δ позиционного рассогласования может быть оценена на основе принимаемого напряжения (или принимаемой энергии) и отраженной энергии, и узел согласования импедансов в транспортном средстве 200 может регулироваться на основе оцененного результата, как в вышеописанном варианте осуществления.
2
4
9
3
Хотя энергия передается посредством резонанса между первичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 140 в аппаратуре 100 подачи энергии и вторичной работающей на собственной резонансной частоте катушкой 210 в транспортном средстве 200 в вышеприведенном описании, блок передачи энергии и блок приема энергии могут быть сформированы из пары дисков с высокими диэлектрическими свойствами. Диски с высокими диэлектрическими свойствами изготавливаются из материала с высокой диэлектрической проницаемостью, такого как TiO, BaTiO или LiTaO.
В вышеприведенном описании первичная катушка 130, первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 140 и конденсатор 150 формируют пример "блока передачи энергии" в настоящем изобретении, а вторичная работающая на собственной резонансной частоте катушка 210, конденсатор 220 и вторичная катушка 230 формируют пример "блока приема энергии" в настоящем изобретении. Датчик 115 энергии соответствует примеру "устройства детектирования для детектирования отраженной энергии" в настоящем изобретении, а ECU 160 (блок 420 оценки величины позиционного рассогласования) соответствует примеру "блока оценки" в настоящем изобретении.
Дополнительно, узел 120 согласования импедансов соответствует примеру "устройства изменения импеданса" в настоящем изобретении, а ECU 160 (блок 430 регулирования узла согласования) соответствует примеру "блока регулирования импеданса" в настоящем изобретении. Дополнительно, датчик 262 напряжения и датчик 264 тока соответствуют примеру "устройства детектирования для детектирования состояния приема энергии" в настоящем изобретении.
Следует понимать, что варианты осуществления, раскрытые в данном документе, являются иллюстративными, а не ограничивающими в каком-либо смысле. Объем настоящего изобретения задается посредством формулы изобретения, а не вышеприведенного описания, и предназначен включать в себя любые модификации в рамках объема и сущности, эквивалентных положениям формулы изобретения.
Список условных обозначений
100 - аппаратура подачи энергии; 110 - устройство энергоснабжения; 115 - датчик энергии; 120 узел согласования импедансов; 122, 124 - конденсатор переменной емкости; 126 - катушка; 130 - первичная катушка; 140 - первичная работающая на собственной резонансной частоте катушка; 150, 220 - конденсатор; 160, 290 - ECU; 170, 300 - устройство связи; 200 - транспортное средство; 230 - вторичная катушка; 240 - выпрямитель; 250 - переключающее устройство; 252, 254 - реле; 256 - резистивный элемент; 262 - датчик напряжения; 264 - датчик тока; 270 - зарядное устройство; 280 - устройство аккумулирования энергии; 285 - устройство вывода движущей силы; 350 - нагрузка; 400 - блок управления связью; 410 - блок управления энергией; 420 - блок оценки величины позиционного рассогласования; 430 - блок регулирования узла согласования.