УСТРОЙСТВО ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ Российский патент 2017 года по МПК H02J50/12 H02M7/527 

Предпосылки создания изобретения

1. Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Изобретение относится к устройству передачи электрической энергии, и, в частности, к устройству передачи электрической энергии, которое бесконтактным способом или беспроводным способом передает электрическую энергию на устройство приема электрической энергии.

2. Описание предшествующего уровня техники

[0002] В системе с бесконтактным или беспроводным способом передачи электрической энергии от устройства передачи электрической энергии на устройство приема электрической энергии было предложено в качестве известной технологии этого типа управлять питающей частотой устройства передачи электрической энергии на основе нормализованного тока передачи энергии (см., например, публикацию японской патентной заявки No. 2014-103754 (JP 2014-103754 А)). Нормализованный ток передачи энергии определяется как отношение второго тока передачи энергии к максимальному значению первого тока передачи энергии. Первый ток передачи энергии определяется как ток передачи энергии устройства передачи электрической энергии, измеряемый, когда устройство передачи электрической энергии и устройство приема электрической энергии находятся в несоединенном состоянии, и второй ток передачи энергии определяется как ток передачи энергии устройства передачи электрической энергии, измеряемый, когда устройство передачи электрической энергии и устройство приема электрической энергии находятся в состоянии индукционного соединения. Когда нормализованный ток передачи энергии равен или больше 1/2, питающая частота установлена на резонансную частоту. Когда нормализованный ток передачи энергии меньше 1/2, питающая частота управляется с возможностью таких изменений, чтобы нормализованный ток передачи энергии стал равен 1/2. При управляемой таким образом питающей частоте, можно увеличить принятую электрическую энергию, и максимизировать эффективность электрической энергии только посредством управления питающей частотой устройства передачи электрической энергии.

[0003] Устройство передачи электрической энергии в бесконтактной системе передачи электрической энергии часто включает в себя инвертор, который приводится в действие с помощью управления широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) с тем, чтобы скорректировать частоту и напряжение передаваемой энергии переменного тока. В этом случае инвертор обычно состоит из четырех устройств Q91-Q94 переключения, и четырех диодов D91-D94, соединенных встречно-параллельно с устройствами Q91-Q94 переключения, соответственно, как показано на фиг. 8. Устройства Q91-Q94 переключения сгруппированы в две пары, в каждой по два устройства, служащих источником и приемником, и расположенных между положительной шиной и отрицательной шиной, при этом противоположные выводы катушки передачи энергии соединены с противоположными соединительными точками парных устройства переключения.

[0004] В устройстве передачи электрической энергии, включающем в себя инвертор, как описано выше, фаза электрического тока может опережать фазу переменного напряжения, производимого под управлением ШИМ. На фиг. 9 показан один пример взаимосвязи между состояниями ВКЛ/ВЫКЛ устройств Q91-Q94 переключения и выходным напряжением и током инвертора. В разделе, озаглавленном как "ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, ТОК ИНВЕРТОРА" на фиг. 9, сплошная ступенчатая линия обозначает выходное напряжение, а сплошная синусоидная кривая обозначает ток в момент времени, когда фаза тока опережает фазу напряжения. Если предположить, что устройство Q91 переключения сейчас переключается из состояния ВЫКЛ в состояние ВКЛ, выходное напряжение инвертора равно нулю, однако ток, чья фаза опережает фазу напряжения, принимает положительное значение в момент Т1 времени, когда устройство Q91 переключения находится в состоянии ВЫКЛ. В это время ток течет от силовой линии меньшего номинала со стороны катушки передачи энергии на устройство Q94 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ, устройство Q93 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ и диод D93, и силовую линию большего номинала со стороны катушки передачи энергии, в порядке описания, как показано на фиг. 10А. В момент Т2 времени непосредственно после того, как устройство Q91 переключения включится, выходное напряжение инвертора принимает положительное значение, и ток продолжает иметь положительное значение. В это время ток течет от положительной шины (верхней шины) на силовую линию большего номинала на стороне катушке передачи энергии через устройство Q91 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ, и течет от силовой линии меньшего номинала на стороне катушке передачи энергии к отрицательной шине (нижней шине) через устройство Q94 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ, как показано на фиг. 10В. К диоду D93 приложено смещение вперед в момент Т1 времени, когда устройство Q91 переключения находится в состоянии ВЫКЛ, и смещение назад приложено к диоду D93 в момент Т2 времени непосредственно после того, как устройство Q91 переключения включится. В этой связи, восстанавливающийся ток течет через диод D93, как показано толстой стрелкой на фиг. 10В, благодаря характеристикам восстановления диода. Поскольку восстанавливающийся ток приводит к возникновению тока короткого замыкания, это может вызвать нештатное нагревание или неисправность устройства передачи электрической энергии.

Сущность изобретения

[0005] Это изобретение обеспечивает создание устройства передачи электрической энергии, в котором предотвращается протекание восстанавливающегося тока через диод, а значит, становится менее вероятно или маловероятно возникновение на устройстве передачи электрической энергии нештатного нагревания или неисправности.

[0006] Устройство передачи электрической энергии, относящееся к настоящему изобретению, бесконтактным способом передает электрическую энергию на устройство приема электрической энергии, включающее в себя блок приема энергии. Устройство передачи электрической энергии включает в себя: инвертор, имеющий множество устройств переключения и множество диодов, при этом инвертор сконфигурирован для преобразования энергии постоянного тока, получаемой от внешнего источника энергии, в энергию переменного тока; блок передачи энергии, сконфигурированный для передачи энергии переменного тока от инвертора на блок приема энергии устройства приема электрической энергии; и электронный блок управления, сконфигурированный для управления энергией переменного тока через управление посредством переключения множеством устройств переключения инвертора, причем электронный блок управления выполнен с возможностью определения, опережает ли фаза тока выходного тока, текущего от инвертора на блок передачи энергии, выходное напряжение, и корректировки частоты энергии переменного тока в направлении уменьшения угла опережения упомянутой фазы тока, когда определено опережение упомянутой фазы тока относительно выходного напряжения.

[0007] В устройстве передачи электрической энергии, как описано выше, когда определено, что фаза тока от инвертора на блок передачи энергии опережает выходное напряжение, частота энергии переменного тока от инвертора корректируется в таком направлении, чтобы уменьшить угол опережения фазы тока. Корректировка выполняется один раз или дважды, или несколько раз, при этом устраняется опережение фазы тока относительно выходного напряжения. Если фаза тока опережает выходное напряжение, восстанавливающийся ток (ток короткого замыкания) течет через диод в момент времени, когда данное устройство переключения включается, и ток короткого замыкания может вызвать нештатное нагревание или выход из строя устройства передачи электрической энергии. Если опережение фазы тока относительно выходного напряжения устранено, предотвращается протекание восстанавливающегося тока (тока короткого замыкания) через диод в момент времени, когда устройство переключения включается. Соответственно, нештатное нагревание или неисправность устройства передачи электрической энергии из-за восстанавливающегося тока (тока короткого замыкания) может быть ограничено или предотвращено.

[0008] Электронный блок управления может быть приспособлен для корректировки частоты энергии переменного тока с тем, чтобы устранить опережающую фазу тока.

[0009] Электронный блок управления может иметь карту, которая определяет взаимосвязь между коэффициентом связи блока приема энергии и блоком передачи энергии, частотой энергии переменного тока, и фазой тока относительно фазы напряжения выходного напряжения. Электронный блок управления может вычислять коэффициент связи блока приемки энергии и блока передачи энергии. Электронный блок управления может быть приспособлен для корректировки частоты энергии переменного тока в направлении уменьшения угла опережения фазы тока с использованием вычисленного коэффициента связи и карты. Характеристики частоты и фазы тока энергии переменного тока меняются в зависимости от коэффициента связи. Вышеуказанная карта может быть подготовлена как трехмерная карта путем последовательного изменения коэффициента связи при эксперименте или подобным образом и получения взаимосвязи между коэффициентом связи, частотой и фазой тока. Таким образом, поскольку частота корректируется с использованием коэффициента связи и карты, опережающая фаза тока может быть устранена более подходящим способом.

[0010] Электронный блок управления может быть приспособлен для получения величины корректировки частоты из вычисленного коэффициента связи и карты, и корректировки частоты энергии переменного тока.

[0011] Электронный блок управления может быть приспособлен для вычисления коэффициента связи на основе выходного полного сопротивления инвертора. Выходное полное сопротивление инвертора может рассматриваться как функция коэффициента связи. В этой связи, электронный блок управления может вычислять коэффициент связи на основе выходного полного сопротивление инвертора.

[0012] Электронный блок управления может быть приспособлен для вычисления коэффициента связи путем рассмотрения выходного полного сопротивления как функции первой собственной индуктивности, второй собственной индуктивности, первого полного сопротивления, и коэффициента связи. Первая собственная индуктивность представляет собой собственную индуктивность блока передачи энергии. Вторая собственная индуктивность представляет собой собственную индуктивность блока приема энергии. Первое полное сопротивление представляет собой полное сопротивление устройства приема электрической энергии за исключением блока приема энергии. Обычно коэффициент связи может быть вычислен исходя из принятой электрической энергии и переданной электрической энергии. Однако, согласно этому способу, информацию, относящуюся к принятой электрической энергии, нужно передавать на устройство передачи энергии. С другой стороны, выходное полное сопротивление инвертора можно вычислить только на основе информации устройства передачи электрической энергии. Таким образом, устройству передачи электрической энергии не обязательно сообщаться с устройством приема электрической энергии.

[0013] Кроме того, электронный блок управления может быть приспособлен для вычисления коэффициента связи, принимая вторую собственную индуктивность и первое полное сопротивление в качестве постоянных величин. В случае, когда устройство приема электрической энергии стандартизовано, и собственная индуктивность блока приема энергии и полное сопротивление устройства приема электрической энергии за исключением блока приема энергии, по существу, не меняются, собственную индуктивность и полное сопротивление можно рассматривать в качестве постоянных величин. При этом полное сопротивление устройства приема электрической энергии за исключением блока приема энергии означает полное сопротивление участка устройства приема энергии, расположенного позади блока приема энергии.

[0014] Электронный блок управления может получить вторую собственную индуктивность и первое полное сопротивление от устройства приема электрической энергии и вычислить коэффициент связи, или получить соотношение второй собственной индуктивности и первого полного сопротивления от устройства приема электрической энергии и вычислить коэффициент связи. Таким образом, даже в случае, когда устройство приема электрической энергии не стандартизовано, выходное полное сопротивление может быть вычислено с большей точностью, и коэффициент связи может быть вычислен с большей точностью. Также можно получить соотношение между собственной индуктивностью блока приема энергии и полным сопротивлением устройства приема электрической энергии, за исключением блока приема энергии, поскольку выходное полное сопротивление пропорционально собственной индуктивности блока приема энергии, и обратно пропорционально полному сопротивлению устройства приема электрической энергии, за исключением блока приемки энергии.

[0015] Электронный блок управления может быть приспособлен для определения опережения фазы тока на основе величины тока, полученной в момент времени, когда любое из множества устройств переключения включается или выключается. Электронный блок управления может быть приспособлен для определения опережения фазы тока на основе напряжения энергии переменного тока, полученного в момент времени, когда меняется полярность тока от инвертора на блок передачи энергии.

Краткое описание чертежей

[0016] Признаки, преимущества, а также техническое и промышленное значение вариантов осуществления изобретения будут описаны ниже со ссылкой на сопровождающие чертежи, на которых идентичными ссылочными позициями обозначены идентичные элементы, и на которых:

Фиг. 1 представляет собой вид, схематически показывающий конфигурацию бесконтактной системы 10 передачи и приема электрической энергии, включающей в себя устройство 130 передачи электрической энергии как вариант осуществления изобретения;

Фиг. 2 представляет собой пояснительный вид, схематически показывающий конфигурацию бесконтактной системы 10 передачи и приема электрической энергии, включающей в себя устройство 130 передачи электрической энергии варианта осуществления на фиг. 1;

Фиг. 3 представляет собой вид, показывающий пример конфигурации инвертора 142;

Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую пример программы корректировки частоты, выполняемой ЭБУ 170 передачи энергии;

Фиг. 5 представляет собой пояснительный вид, показывающий пример изменений в состояниях ВКЛ/ВЫКЛ устройств Q1-Q4 переключения инвертора 142, и выходного напряжения и выходного тока инвертора 142 относительно времени;

Фиг. 6 представляет собой пояснительный вид, показывающий пример карты для использования при корректировке частоты;

Фиг. 7А представляет собой пояснительный вид, показывающий электрический ток, текущий в инверторе в момент Т1 времени на фиг. 5;

Фиг. 7В представляет собой пояснительный вид, показывающий ток, текущий в инверторе в момент Т2 времени на фиг. 5;

Фиг. 8 представляет собой пояснительный вид, показывающий пример конфигурации инвертора в качестве известного примера;

Фиг. 9 представляет собой пояснительный вид, показывающий пример изменений в состояниях ВКЛ/ВЫКЛ устройств Q91-Q94 переключения инвертора в качестве известного примера, а также выходное напряжение и ток инвертора относительно времени;

Фиг. 10А представляет собой пояснительный вид, показывающий ток, текущий в инверторе в момент Т1 времени на фиг. 9; и

Фиг. 10В представляет собой пояснительный вид показывающий ток, текущий в инверторе в момент Т2 времени на фиг. 9.

Подробное описание вариантов осуществления

[0017] Далее будет описан один вариант осуществления изобретения.

[0018] На фиг. 1 и фиг. 2 схематически показана конфигурация бесконтактной системы 10 передачи и приема электрической энергии, включающей в себя устройство 130 передачи электрической энергии, как вариант осуществления изобретения. Как показано на фиг. 1 и фиг. 2, бесконтактная система 10 передачи и приема электрической энергии этого варианта осуществления включает в себя устройство 130 передачи электрической энергии, установленное на парковочном или подобном ему месте, и автомобиль 20, на котором установлено устройство 30 приема электрической энергии. Устройство 30 приема электрической энергии способно бесконтактным или беспроводным способом принимать электрическую энергию от устройства 130 передачи электрической энергии.

[0019] Устройство 130 передачи электрической энергии включает в себя блок 131 передачи энергии, соединенный с источником 190 энергии переменного тока, например, бытовым источником энергии (например, 200 В, 50 Гц), а также электронный блок управления 170 для передачи энергии (далее именуемый «ЭБУ передачи энергии»), который управляет блоком 131 передачи энергии. Также, устройство 130 передачи электрической энергии включает в себя блок 180 связи, который сообщается с ЭБУ 170 передачи энергии, а также осуществляет беспроводное сообщение с блоком 80 связи (который будет описан позже) автомобиля 20.

[0020] Блок 131 передачи энергии включает в себя преобразователь 140 переменного/постоянного тока (преобразователь AC/DC), инвертор 142, фильтр 144, и резонансный контур 132 для передачи энергии. Преобразователь 140 переменного/постоянного тока выполнен как известный преобразователь переменного/постоянного тока, который преобразует энергию переменного тока из источника 190 энергии переменного тока в энергию постоянного тока с любым заданным напряжением. Как показано с помощью примера на фиг. 3, инвертор 142 состоит из четырех устройств Q1-Q4 переключения, четырех диодов D1-D4, соединенных встречно-параллельно с устройствами Q1-Q4 переключения соответственно, и смягчающего конденсатора С. Например, МОП-транзистор (полевой транзистор со структурой металл-оксид-полупроводник как тип полевого транзистора) может быть использован в качестве каждого из четырех устройств Q1-Q4 переключения. Устройства Q1-Q4 переключения сгруппированы в две пары, по два устройства в каждой, служащих в качестве и источника приемника, и расположенных между положительной шиной и отрицательной шиной, при этом противоположные выводы катушки передачи энергии соединены с соответствующими соединительными точками парных устройства переключения. Инвертор 142 преобразует энергию постоянного тока из преобразователя 140 переменного/постоянного тока в энергию переменного тока, имеющего нужную частоту, посредством управления ШИМ (широтно-импульсной модуляции) для управления переключением устройств Q1-Q4 переключения. Фильтр 144 выполнен как известный фильтр для устранения высокочастотного шума с использованием конденсатора и дросселя, и служит для устранения высокочастотного шума энергии переменного тока из инвертора 142.

[0021] Резонансный контур 132 для передачи энергии имеет катушку 134 передачи энергии, установленную, например, на полу парковки и конденсатор 136, последовательно соединенный с катушкой 134 передачи энергии. Резонансный контур 132 для передачи энергии выполнен так, что резонансная частота установлена на заранее определенной частоте Fset (от нескольких десятков до нескольких сотен кГц). Соответственно, инвертор 142 в основном преобразует энергию постоянного тока, принятую из преобразователя 140 переменного/постоянного тока, в энергию переменного тока, имеющую заранее определенную частоту Fset.

[0022] Хотя это и не показано на чертежах, ЭБУ 170 передачи энергии выполнен как микропроцессор, имеющий ЦПУ (центральное процессорное устройство) в качестве центрального компонента, и в дополнение к ЦПУ включающий в себя ПЗУ (постоянное запоминающее устройство) которое хранит программы обработки данных, ОЗУ (оперативное запоминающее устройство), которое временно сохраняет данные, входные/выходные порты, а также коммуникационные порты. ЭБУ 170 передачи энергии принимает токи и напряжения, как описано ниже, через входные порты. Токи и напряжения включают в себя выходной ток Is, напряжение Vs, ток Itr резонансного контура 132 для передачи энергии, и напряжение Vtr передачи энергии. Выходной ток Is передается от датчика 150 тока, который определяет ток (выходной ток) Is энергии переменного тока, в который энергия постоянного тока была преобразована инвертором 142. Напряжение Vs передается от блока 152 определения напряжения, который преобразует напряжение переменного тока из инвертора 142 в напряжение постоянного тока, и определяет напряжение постоянного тока. Ток Itr передается от датчика 154 тока, который определяет переменный ток, текущий через резонансный контур 132 для передачи энергии. Напряжение Vtr передачи энергии представляет собой напряжение между выводами резонансного контура 132 для передачи энергии, и передается от блока 156 определения напряжения, который преобразует напряжение переменного тока между выводами резонансного контура 132 передачи энергии в напряжение постоянного тока и определяет напряжение постоянного тока. Каждый блок 152, 156 определения напряжения имеет выпрямительную цепь и датчик напряжения. При этом управляющий сигнал на преобразователь 140 переменного/постоянного тока, управляющий сигнал на инвертор 142 и т.д. генерируются через выходные порты из ЭБУ 170 передачи энергии.

[0023] Автомобиль 20 выполнен как электрическое транспортное средство, и включает в себя двигатель 22 для приведения транспортного средства в движение, инвертор 24 для приведения в действие двигателя 22, и аккумулятор 26, который подает и принимает электрическую энергию на и из двигателя 22 через инвертор 24. Главное реле 28 системы расположено между инвертором 24 и аккумулятором 26. Также автомобиль 20 включает в себя блок 31 приема энергии, соединенный с аккумулятором 26, электронный блок 70 управления транспортным средством (именуемый «ЭБУ транспортного средства»), который управляет транспортным средством в целом, а также блок 80 связи, который сообщается с ЭБУ 70 транспортного средства, а также осуществляет беспроводное сообщение с блоком 180 связи устройства 130 передачи электрической энергии.

[0024] Блок 31 приема энергии включает в себя резонансный контур 32 для приема энергии, фильтр 42, и выпрямитель 44. Резонансный контур 32 для приема энергии имеет катушку 34 приема энергии, установленную, например, на днище (панели пола) корпуса транспортного средства, и конденсатор 36, последовательно соединенный с катушкой 34 приема энергии. Резонансный контур 32 для приема энергии выполнен так, что резонансная частота установлена на частоту (в идеале, заранее определенную частоту Fset) вблизи вышеуказанной заранее определенной частоты Fset (резонансной частоты резонансного контура 132 для передачи энергии). Фильтр 42 выполнен как известный одноступенчатый или двухступенчатый фильтр для удаления высокочастотного шума, с использованием конденсатора (конденсаторов) и дросселя (дросселей), и служит для удаления высокочастотного шума энергии переменного тока, принимаемого резонансным контуром 32 для приема энергии. Выпрямитель 44 выполнен как известная выпрямительная цепь с использованием, например, четырех диодов и преобразует энергию переменного тока, принятого резонансным контуром 32 приема энергии, из которой высокочастотный шум удален фильтром 42, в энергию постоянного тока. Блок 31 приема энергии может быть отключен от аккумулятора 26 с использованием реле 48.

[0025] Хотя это не показано на чертежах, ЭБУ 70 транспортного средства выполнен как микропроцессор, имеющий ЦПУ (центральное процессорное устройство) в качестве центрального компонента, и включает в себя ПЗУ (постоянное запоминающее устройство), которое хранит программы обработки данных, ОЗУ(оперативное запоминающее устройство), которое временно сохраняет данные, входные/выходные порты, и коммуникационные порты. ЭБУ 70 транспортного средства принимает данные, необходимые для управления работой двигателя 22 через входной порт. Также ЭБУ 70 транспортного средства принимает ток Ire приема энергии от датчика 50 тока, который определяет ток (ток приема энергии) Ire энергии постоянного тока, поступающий из выпрямителя 44, и напряжение Vre приема энергии от датчика 52 напряжения, который определяет напряжение (напряжение приема энергии) Vre энергии постоянного тока, и т.д. через входные порты. От ЭБУ 70 транспортного средства, сигналы управления для управления переключением устройств переключения (не показаны) инвертора 24 для приведения в действие двигателя 22, сигналы ВКЛ/ВЫКЛ на главное реле 28 системы, и т.д., генерируются через выходные порты. ЭБУ 70 транспортного средства вычисляет относительное состояние зарядки SOC аккумулятора 26, на основе тока Ib аккумулятора, определенного датчиком тока (не показан), установленным на аккумуляторе 26, и напряжения Vb аккумулятора, определенного датчиком напряжения (не показан), установленным на аккумуляторе 26.

[0026] Далее будет рассмотрено функционирование устройства 130 передачи электрической энергии в бесконтактной системе 10 передачи и приема электрической энергии, выполненного, как описано выше, в частности, функционирование, выполняемое, когда частота инвертора 142 корректируется. Фиг. 4 представляет собой блок-схему, иллюстрирующую один пример программы корректировки частоты, выполняемой ЭБУ 170 передачи энергии. Программа на фиг. 4 периодически выполняется с заданными временными интервалами (например, с интервалами в несколько сотых миллисекунд). Частота энергии переменного тока из инвертора 142 установлена на заранее определенную частоту Fset, которая создает резонансную частоту, как начальную величину, и управляется переключением устройств Q1-Q4 переключения таким образом, что энергия переменного тока заранее определенной частоты Fset поступает из инвертора 142.

[0027] После выполнения программы корректировки частоты, ЭБУ 170 передачи энергии сначала определяет, опережает ли фаза (фаза тока) θ выходного тока Is из инвертора 142 выходное напряжение (этап S100). Факт опережения фазой θ тока выходного напряжения или отсутствие такового, могут быть установлены на основе выходного тока Is инвертора 142, измеряемого в момент времени, когда устройство Q1 переключения, например, включается. Фиг. 5 показывает один пример изменений состояний ВКЛ/ВЫКЛ устройств Q1-Q4 переключения инвертора 142, а также выходное напряжение и выходной ток инвертора 142 по отношению ко времени. В разделе, названном "ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ ИНВЕРТОРА, ТОК" на фиг. 5, сплошная ступенчатая линия обозначает выходное напряжение, а сплошная синусоидная кривая обозначает ток, полученный, когда фаза θ тока опережает выходное напряжение, тогда как точечная синусоидная кривая обозначает ток, полученный, когда фаза θ тока отстает от выходного напряжения. Как показано на фиг. 5, в момент Т2 времени, в котором устройство Q1 переключения включается, выходной ток Is будет иметь положительное значение, когда фаза θ тока опережает выходное напряжение, и выходной ток Is будет иметь отрицательное значение, когда фаза θ тока отстает от выходного напряжения. Соответственно, может быть определено, что фаза θ тока опережает выходное напряжение, когда выходной ток Is инвертора 142 представляет собой положительную величину в момент времени, когда устройство Q1 переключения включается. Как понятно из фиг. 5, может также быть определено, что фаза θ тока опережает выходное напряжение, когда выходная величина Is инвертора 142 представляет собой отрицательную величину в момент времени, когда устройство Q1 переключения выключается. Также, поскольку состояние ВКЛ/ВЫКЛ устройства Q3 переключения инвертировано относительно такового для устройства Q1 переключения, можно также определить, опережает ли фаза θ тока выходное напряжение, в момент времени, когда устройство Q3 переключения выключается, либо устройство Q3 переключения включается. Кроме того, можно определить, опережает ли фаза θ тока выходное напряжение, путем определения того, равно ли нулю выходное напряжение, когда полярность выходного тока Is меняется (меняется от положительной к отрицательной или от отрицательной к положительной). Может быть также определено, опережает ли фаза θ тока выходное напряжение, на основе величины коэффициента мощности и состояния генерирования теплоты диода D3.

[0028] Далее будет описана причина, по которой фаза θ выходного тока из инвертора 142 опережает или отстает от выходного напряжения. Резонансный контур 132 передачи энергии устройства 130 передачи электрической энергии выполнен так, что резонансная частота установлена на заранее определенную частоту Fset, и резонансный контур 32 приема энергии устройства 30 приема электрической энергии, установленный на автомобиле 20, также выполнен так, что резонансная частота установлена на заранее определенную частоту Fset. В этой связи, если не происходит ошибки при изготовлении компонентов, и резонансный контур 132 передачи энергии, а также резонансный контур 32 приема энергии расположены с точностью в заданных положениях, во время передачи и приема энергии фаза θ тока не опережает и не отстает от выходного напряжения. Тем не менее, при изготовлении компонентов резонансного контура 132 передачи энергии и резонансного контура 32 приема энергии случаются ошибки, и частотные и фазовые характеристики между изделиями меняются. В этой связи фаза θ выходного тока Is опережает или отстает от выходного напряжения. К тому же положения резонансного контура 132 передачи энергии и резонансного контура 32 приема энергии во время передачи и приема энергии определяются местоположением, в котором припаркован автомобиль 20, и таким образом, часто не совпадают с предписываемыми положениями. Если резонансный контур 132 передачи энергии и резонансный контур 32 приема энергии смещаются во время передачи и приема энергии, коэффициент k связи и индуктивность меняются, и изменяются частотные и фазовые характеристики. Поэтому фаза θ выходного тока Is может опережать или отставать от выходного напряжения. Кроме того, когда энергия постоянного тока, полученная инвертором 142, преобразуется в энергию переменного тока через управление широтно-импульсной модуляцией, момент подъема выходного напряжения меняется в соответствии с изменением скважности; в этой связи, фаза θ тока может опережать выходное напряжение, даже если нет изменения в форме сигнала тока.

[0029] Когда фаза θ выходного тока из инвертора 142 опережает выходное напряжение, восстанавливающийся ток может течь через диод D3, который входит в состав инвертора 142, и приводить к току короткого замыкания, что может вызвать нештатное нагревание или выход из строя устройства 130 передачи электрической энергии.

[0030] Если на этапе S100 не представляется возможным установить, что фаза θ тока опережает выходное напряжение, то определяется, что нет необходимости корректировать частоту (этап S110), и на этом программа заканчивается. С другой стороны, когда определено, что фаза θ тока опережает выходное напряжение, корректировка частоты выполняется следующим образом.

[0031] Сначала ЭБУ 170 передачи энергии получает выходной ток Is инвертора 142 из датчика 150 тока, и получает напряжение Vs из блока 152 определения напряжения (этап S120). Далее ЭБУ 170 вычисляет выходное полное сопротивление Zs от инвертора 142, на основе выходного тока Is и выходного напряжения Vs (этап S130). При этом эффективная величина используется как выходной ток Is для применения при вычислении полного сопротивления Zs. Далее получают коэффициент k связи на основе выходного полного сопротивления Zs (этап S140). Выходное полное сопротивление Zs может быть выражено как функция коэффициента k связи, как показано ниже в уравнении (1). В уравнении (1): «ω» - угловая частота, «L1» - собственная индуктивность катушки 134 передачи энергии, «L2» - собственная индуктивность катушки 34 приема энергии, и «RL» - полное сопротивление за (со стороны фильтра 42) резонансным контуром 32 приема энергии, а именно, полное сопротивление устройства 30 приема электрической энергии, исключая резонансный контур 32 приема энергии. При этом собственная индуктивность L2 катушки 34 приема энергии и полное сопротивление RL за (со стороны фильтра 42) резонансным контуром 32 приема энергии могут рассматриваться в качестве постоянных величин. Поскольку характеристики устройства 30 приема электрической энергии могут варьироваться, так как устройство 30 приема электрической энергии установлено на автомобиле 20, устройство 30 приема электрической энергии должно быть выполнено согласно заданным стандартам с тем, чтобы поддерживать эффективность передачи и приема энергии на высоком уровне. Таким образом, если устройство 30 приема электрической энергии рассматривается как стандартизованное, собственная индуктивность L2 и полное сопротивление RL могут рассматриваться в качестве постоянных величин. В бесконтактной системе 10 передачи и приема электрической энергии этого варианта осуществления, устройство 30 приема электрической энергии и устройство 130 передачи электрической энергии сообщаются друг с другом через блок 80 связи и блок 180 связи; поэтому устройство 130 передачи электрической энергии может получить путем коммуникации собственную индуктивность L2 и полное сопротивление RL (или соотношение (L2/RL) собственной индуктивности L2 и полного сопротивления RL) от автомобиля 20.

[0032]

[0033] После получения коэффициента k связи, направление и величину корректировки частоты определяют на основе коэффициента k связи (этап S150). Направление корректировки частоты является направлением, в котором угол опережения фазы θ тока относительно выходного напряжения уменьшается, а именно, направлением, в котором фаза θ тока отстает или задерживается. В этом варианте осуществления, взаимосвязь между коэффициентом k связи, частотой, и фазой θ тока проверяют заранее путем эксперимента или подобным способом, и она сохраняется как карта для использования при корректировке частоты. Если коэффициент k связи задан, направление и величину корректировки частоты выводят карты, и, таким образом определяют. Один пример карты для корректировки частоты показан на фиг. 6. На фиг. 6, фаза θ тока отстает от выходного напряжения, когда она имеет положительное значение, и фаза тока θ опережает выходное напряжение, когда она имеет отрицательное значение. Как показано на фиг. 6, когда коэффициент k связи большой, фаза тока θ отстает, когда частота выходного напряжения инвертора 142 уменьшается, и фаза θ тока опережает выходное напряжение, когда частота увеличивается. Когда коэффициент k связи большой, величина опережения и величина отставания фазы θ тока небольшие, даже если величина корректировки частоты является относительно большой. С другой стороны, когда коэффициент k связи небольшой, фаза θ тока опережает выходное напряжение, когда частота выходного напряжения инвертора 142 уменьшается, и фаза θ тока отстает, когда частота увеличивается. Когда коэффициент k связи небольшой, величина опережения и величина отставания фазы θ тока большие, даже если величина корректировки частоты небольшая. На этапе S150, поскольку взаимосвязь между частотой и фазой θ тока определяется из коэффициента k связи, направление корректировки частоты может определяться как направление, в котором угол опережения фазы θ тока относительно выходного напряжения уменьшается, а именно, направление, в котором фаза θ тока отстает или задерживается. Также, величина корректировки может определяться таким образом, что величина отставания становится равной заданной величине отставания (например, 5 градусов или 7 градусов). Например, когда «k = небольшой», как показано на карте на фиг. 6, направление корректировки частоты является направлением, в котором частота увеличивается, и величина корректировки представляет собой небольшую величину (например, 0,2 кГц или 0,5 кГц). Когда «k = большой», как показано на карте на фиг. 6, направление корректировки частоты является направлением, в котором частота уменьшается, и величина корректировки представляет собой относительно большую величину (например, 2 кГц или 5 кГц). Когда «k = средний», как показано на карте на фиг. 6, направление корректировки частоты является направлением, в котором частота увеличивается, и величина корректировки представляет собой промежуточную величину(например, 1 кГц или 1.5 кГц).

[0034] После определения направления и величины корректировки частоты, частота выходного напряжения инвертора 142 корректируется с использованием направления и величины корректировки частоты, определенной таким образом (этап S160), и программа на фиг. 4 заканчивается. Частота выходного напряжения инвертора 142 может корректироваться путем изменения цикла управления переключением устройств Q1-Q4 переключения.

[0035] Когда опережение фазы θ выходного тока Is инвертора 142 относительно выходного напряжения не устранено даже посредством выполнения программы корректировки частоты, как описано выше, программу корректировки частоты выполняют снова, так что опережающая фаза θ выходного тока Is относительно выходного напряжения устраняется. По существу, фазу θ тока задерживают или замедляют относительно выходного напряжения. Когда фаза θ тока опережает выходное напряжение (когда ток изменяется согласно сплошной синусоидной кривой на фиг. 5), ток течет так, как описано выше со ссылкой при этом на фиг. 10А и фиг. 10В. Более конкретно, ток течет, как показано на фиг. 10А в момент Т1 времени непосредственно до того, как включится устройство Q1 переключения (Q91 на фиг. 10А и фиг. 10В), и ток течет, как показано на фиг. 10В в момент Т2 времени непосредственно после включения устройства Q1 переключения (Q91 на фиг. 10А и фиг. 10В). Смещение вперед приложено к диоду D3 (D93 на фиг. 10А и фиг. 10В) в момент Т1 времени непосредственно до включения устройства Q1 переключения, и обратное смещение приложено к диоду D3 в момент Т2 времени непосредственно после включения устройства Q1 переключения. В этой связи, восстанавливающийся ток течет через диод D3 (D93 на фиг. 10А и фиг. 10В), как показано толстой стрелкой на фиг. 10В, благодаря характеристике восстановления диода. Когда фаза θ тока отстает от выходного напряжения (когда ток меняется согласно прерывистой синусоидной кривой на фиг. 5), ток течет следующим образом. В момент Τ1 времени непосредственно до включения устройства Q1 переключения на фиг. 5, ток течет из силовой линии с большим номиналом со стороны катушки передачи энергии на силовую линию с меньшим номиналом на стороне катушки передачи энергии, через устройство Q3 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ, устройство Q4 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ, и диод D4, как показано на фиг. 7А. В момент Т2 времени непосредственно после включения устройства Q1 переключения на фиг. 5, ток течет из силовой линии с большим номиналом на стороне катушки передачи энергии на положительную шину на стороне источника энергии, через устройство Q1 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ, и также течет от отрицательной шины на стороне источника энергии на силовую линию с меньшим номиналом на стороне катушки передачи энергии, через устройство Q4 переключения, которое находится в состоянии ВКЛ, и диод D4, как показано на фиг. 7В. Поскольку обратное смещение приложено к диоду D3, в момент Т1 времени непосредственно перед включением устройства Q1 переключения и момент Т2 времени непосредственно после включения устройства Q1 переключения восстанавливающийся ток не течет. Соответственно, когда фаза θ тока опережает выходное напряжение, опережающая фаза θ тока относительно выходного напряжения устраняется через выполнение программы коррекции частоты, при этом восстанавливающийся ток не течет через диод D3. Как описано выше, восстанавливающийся ток, который течет через диод D3 в момент времени, когда устройство Q1 переключения включено, приводит к возникновению тока короткого замыкания; в этой связи, можно предотвратить протекание тока короткого замыкания путем выполнения программы корректировки частоты.

[0036] В устройстве 130 передачи электрической энергии бесконтактной системы 10 передачи и приема электрической энергии описанного выше варианта осуществления, когда определено, что фаза θ выходного тока Is инвертора 142 опережает выходное напряжение, вычисляют выходное полное сопротивление Zs инвертора 142, и получают коэффициент k связи на основе выходного полного сопротивления Zs. Далее, частота выходного напряжения инвертора 142 корректируется в таком направлении, чтобы уменьшить угол опережения фазы θ тока на основе коэффициента k связи. Таким образом, опережающая фаза θ тока устраняется, при этом восстанавливающийся ток не течет через диод D3 в момент времени, когда устройство Q1 переключения включено. Поскольку восстанавливающийся ток диода D3, который в противном случае мог бы возникнуть, когда устройство Q1 переключения включено, превращается в ток короткого замыкания, можно устранить или предотвратить нештатное нагревание или неисправность устройства 130 передачи электрической энергии из-за тока короткого замыкания.

[0037] Принимая во внимание, что частоту корректируют на заданную величину отставания или угол в качестве величины корректировки частоты устройства 130 передачи электрической энергии настоящего варианта осуществления, частота может быть скорректирована на заданную частоту (например, 0,5 кГц или 1 кГц) в качестве величины корректировки частоты. Также, заданная частота как величина корректировки может быть изменена на основе коэффициента k связи, и использована в таком виде. Например, 2 кГц как величина корректировки может быть использована, когда «k = большой» на фиг. 6, и 0,1 кГц как величина корректировки может быть использована, когда «k = небольшой» на фиг. 6.

[0038] В этом варианте осуществления было описано устройство 130 передачи электрической энергии бесконтактной системы 10 передачи и приема электрической энергии, имеющей устройство 30 приема электрической энергии, установленное на автомобиль 20, и устройство 130 передачи электрической энергии. Тем не менее, устройство передачи электрической энергии согласно изобретению может быть включено в бесконтактную систему передачи и приема электрической энергии, имеющую устройство приема электрической энергии, установленное на транспортном средстве, либо мобильном объекте, отличном от автомобиля, и устройство передачи электрической энергии, или может быть включено в бесконтактную систему передачи и приема электрической энергии, имеющую устройство приема электрической энергии, встроенное в средство, отличное от мобильного объекта, и устройство передачи электрической энергии.

[0039] Устройство 30 приема электрической энергии является одним примером вышеупомянутого «устройства приема электрической энергии», устройство 130 передачи электрической энергии является одним примером «устройства передачи электрической энергии», устройства Q1-Q4 переключения являются одним примером «множества устройств переключения», диоды D1-D4 являются одним примером «множества диодов», инвертор 142 является одним примером «инвертора», резонансный контур 32 для приема энергии является одним примером «блока приема энергии», резонансный контур 132 для передачи энергии является одним примером «блока передачи энергии», а ЭБУ 170 передачи энергии является одним примером «электронного блока управления».

[0040] Понятно, что вышеописанное соответствие является одним примером, используемым специально, чтобы пояснить способ осуществления изобретения, и в этой связи, не ограничивает элементы изобретения. По существу, изобретение должно толковаться на основе вышеприведенного описания «Сущности изобретения», и вышеописанный вариант осуществления представляет собой только пример изобретения.

[0041] Притом, что изобретение было описано с использованием настоящего варианта осуществления, понятно, что изобретение ни в коей мере не ограничено этим вариантом осуществления, и может быть осуществлено различными способами и в различных формах, не отклоняющихся при этом от принципов изобретения.

[0042] Настоящее изобретение может быть использовано в промышленности при изготовлении устройств передачи электрической энергии для бесконтактных систем передачи и приема электрической энергии.

Использование: в области электротехники. Технический результат – предотвращение протекания восстанавливающего тока и, как следствие, уменьшение вероятности возникновения нештатного нагревания или неисправности в устройстве передачи электрической энергии. Устройство передачи электрической энергии бесконтактным способом передает электрическую энергию на устройство приема электрической энергии. Устройство передачи электрической энергии включает в себя инвертор, блок передачи энергии и электронный блок управления. Электронный блок управления выполнен с возможностью определения, опережает ли фаза тока выходного тока, текущего из инвертора на блок передачи энергии, выходное напряжение, и такой корректировки частоты энергии переменного тока в направлении уменьшения угла опережения фазы тока, что фаза тока задерживается относительно выходного напряжения, когда определено опережение фазы тока относительно выходного напряжения. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Устройство передачи электрической энергии, которое бесконтактным способом передает электрическую энергию на устройство приема электрической энергии, включающее блок приема энергии, при этом устройство передачи электрической энергии характеризуется тем, что содержит:

инвертор, имеющий множество устройств переключения и множество диодов, причем инвертор сконфигурирован для преобразования энергии постоянного тока, получаемой от внешнего источника энергии, в энергию переменного тока;

блок передачи энергии, сконфигурированный для передачи энергии переменного тока от инвертора на блок приема энергии устройства приема электрической энергии; и

электронный блок управления, сконфигурированный для управления энергией переменного тока через управление посредством переключения множеством устройств переключения инвертора, при этом электронный блок управления выполнен с возможностью определения, опережает ли фаза тока выходного тока, текущего из инвертора на блок передачи энергии, выходное напряжение, в момент времени, когда любое из множества устройств переключения включается или выключается, и с возможностью такой корректировки частоты энергии переменного тока в направлении уменьшения угла опережения упомянутой фазы тока, что фаза тока задерживается относительно выходного напряжения, когда определено опережение упомянутой фазы тока относительно выходного напряжения.

2. Устройство передачи электрической энергии по п. 1, в котором электронный блок управления выполнен с возможностью корректировки частоты энергии переменного тока с тем, чтобы устранить опережение фазы тока.

3. Устройство передачи электрической энергии по п. 1 или 2, в котором электронный блок управления имеет карту, которая определяет взаимосвязь между коэффициентом связи блока приема энергии и блока передачи энергии, частотой энергии переменного тока, и фазой тока относительно фазы напряжения выходного напряжения,

электронный блок управления вычисляет коэффициент связи блока приема энергии и блока передачи энергии, и

электронный блок управления выполнен с возможностью корректировки частоты энергии переменного тока в направлении уменьшения угла опережения фазы тока, с использованием вычисленного коэффициента связи и карты.

4. Устройство передачи электрической энергии по п. 3, в котором электронный блок управления выполнен с возможностью получения величины корректировки частоты из вычисленного коэффициента связи и карты и корректировки частоты энергии переменного тока.

5. Устройство передачи электрической энергии по п. 3, в котором электронный блок управления выполнен с возможностью вычисления коэффициента связи на основе выходного полного сопротивления инвертора.

6. Устройство передачи электрической энергии по п. 5, в котором электронный блок управления выполнен с возможностью вычисления коэффициента связи путем рассмотрения выходного полного сопротивления как функции первой собственной индуктивности, второй собственной индуктивности, первого полного сопротивления и коэффициента связи, при этом

первая собственная индуктивность является собственной индуктивностью блока передачи энергии, вторая собственная индуктивность является собственной индуктивностью блока приема энергии, первое полное сопротивление является полным сопротивлением устройства приема электрической энергии, за исключением блока приема энергии.

7. Устройство передачи электрической энергии по п. 6, в котором электронный блок управления выполнен с возможностью вычисления коэффициента связи, принимая вторую собственную индуктивность и первое полное сопротивление в качестве постоянных величин.

8. Устройство передачи электрической энергии по п. 7, в котором электронный блок управления получает вторую собственную индуктивность и первое полное сопротивление от устройства приема электрической энергии и вычисляет коэффициент связи или получает соотношение второй собственной индуктивности и первого полного сопротивления от устройства приема электрической энергии и вычисляет коэффициент связи.

9. Устройство передачи электрической энергии по п. 1 или 2, в котором электронный блок управления выполнен с возможностью определения опережения фазы тока на основе величины тока, полученной в момент времени, когда любое из множества устройств переключения включается или выключается.

10. Устройство передачи электрической энергии по п. 1 или 2, в котором электронный блок управления выполнен с возможностью определения опережения фазы тока на основе напряжения энергии переменного тока, полученного в момент времени, когда меняется полярность тока от инвертора на блок передачи энергии.