專利名稱：電動車輛和具有電池組的電源系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電動機(jī)器和電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)具有電池組，用于借助于諧振磁場通過耦合來無線傳輸電力。
背景技術(shù)：
諸如電動車輛之類的電動機(jī)器由電動機(jī)驅(qū)動。例如，與動力源為內(nèi)燃機(jī)的汽車不同，電動車輛采用電動機(jī)作為動力源來運(yùn)行。電動車輛具有安裝在其中的動力電池，并通過將儲存在動力電池中的能量傳輸至電動機(jī)而獲得驅(qū)動力。動力電池例如可以為二次電池， 如鋰離子電池、鎳氫電池或鉛蓄電池。在多種情況中，動力電池以電池組的形式安裝在車體中，在電池組中多個"模塊"與充電-放電控制電路等封裝在一起，其中每個模塊包括串聯(lián)連接在一起的多個"電池單元(cell)"(電池的最小形式，包括電極和電解液)。當(dāng)動力電池的剩余電量變低時，電池組通過連接至外部電源而被充電，使得電動車輛能夠重新運(yùn)行。外部電源可以為能夠大功率充電等的商用電源(100V/200V)、安裝在充電站等中的充電設(shè)備，等等。傳統(tǒng)電動車輛的動力電池在每次動力電池的剩余電量變低時在家中或在充電站充電(例如，參見專利文獻(xiàn)1)。圖14示出了專利文獻(xiàn)1中描述的用于傳統(tǒng)電動車輛的電源系統(tǒng)。動力電池72(其為可再充電二次電池)與充電-放電控制電路61—起封裝成電池組62。電池組62固定在電動車輛70的車體內(nèi)部，使得在正常使用期間不能移除電池組 62。電動車輛70的車體設(shè)置有用于接收從外部電源63供給的電力的車輛側(cè)連接器64。電池組62設(shè)置有電池組側(cè)充電連接器65，充電側(cè)連接器65和車輛側(cè)連接器64通過電纜連接在一起。電池組62設(shè)置有電池組側(cè)功率輸出連接器66，電池組側(cè)功率輸出連接器66通過電纜連接至電動車輛70中的動力源67。在充電時，用戶將設(shè)置在外部電源63的電纜68 端部處的電源連接器69連接至車輛側(cè)連接器64。動力電池72通過經(jīng)由車輛側(cè)連接器64、 充電側(cè)連接器65和充電-放電控制電路61接收來自外部電源63的電力而被充電。對動力電池72進(jìn)行充電在正常充電時花費(fèi)數(shù)小時，并且即使借助于高電壓和大電流的快速充電也要花費(fèi)數(shù)十分鐘。除了充電需要大量的時間之外，存在的另一個問題是， 動力電池72在重復(fù)快速充電時退化。為了解決該問題，已經(jīng)提出了用充分充電的動力電池更換電池電平已經(jīng)變低的動力電池72的多種建議(例如，參見專利文獻(xiàn)2和非專利文獻(xiàn) 1)。在諸如電動車輛之類的電動機(jī)器之外的某些其他領(lǐng)域，已經(jīng)提出對電池組進(jìn)行無線充電(例如，參見專利文獻(xiàn)幻。專利文獻(xiàn)3涉及用在便攜式終端裝置中的電源裝置，其中通過電磁感應(yīng)方法來傳輸電力。然而，采用這種方法，在功率發(fā)送天線和功率接收天線之間距離較長時，或者在天線沒有很好地彼此對準(zhǔn)時，不能夠?qū)崿F(xiàn)有效的傳輸。另一方面，專利文獻(xiàn)4披露了一種新型的無線能量傳輸系統(tǒng)，用于將能量從兩個諧振器中的一個諧振器穿過這兩個諧振器之間的空間傳輸至另一個諧振器，反之亦然。該無線能量傳輸系統(tǒng)經(jīng)由在這兩個諧振器周圍的空間中產(chǎn)生的諧振頻率的振蕩能量的消逝拖尾(evanescent tail)，將這兩個諧振器彼此耦合，從而無線地(S卩，通過非接觸方法)傳輸振蕩能量。引用列表專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 日本特許專利公開No. 11-146504專利文獻(xiàn)2 日本特許專利公開No. 9-98518專利文獻(xiàn)3 日本特許專利公開No. 10-248171專利文獻(xiàn)4 美國專利申請公開No. 2008/027擬64 (圖12和14)非專利文獻(xiàn)非專利文獻(xiàn) 1 “ 2002 Report of research and study on car sharing systemsusing cars with replaceable battery " (March 2003, Mechanical Social SystemsFoundation)

發(fā)明內(nèi)容
要解決的技術(shù)問題采用用于諸如電動車輛之類的電動機(jī)器的常規(guī)電源系統(tǒng)，當(dāng)舊電池組從車體上移除以用另一電池組更換時，需要將電纜從電池組側(cè)充電連接器和電池組側(cè)動力輸出連接器上拔掉。當(dāng)安裝新電池組時，需要將電纜插接這些連接器。而且，需要通過將連接器端子裝配在一起而建立電路徑，并且連接器裝配操作需要相對大的力量。而且，如在"2002 Report of researchand study on car sharing systems using cars with replaceable battery" (March2003, Mechanical Social Systems Foundation)中描述的男口樣，需要提供措施以防止操作期間的電擊或由諸如雨水之類的液滴引起的漏電。另一方面，采用用于通過電磁感應(yīng)方法將功率傳輸至家用電器的技術(shù)，在功率發(fā)送天線和功率接收天線之間距離較長時，或者在天線沒有很好地彼此對準(zhǔn)時，不能夠?qū)崿F(xiàn)有效的傳輸。為了解決上述問題已經(jīng)做出了本發(fā)明，并且本發(fā)明提供了一種電動機(jī)器，其包括電池組和電源系統(tǒng)，使得能夠通過天線之間的磁耦合以非接觸方式在電池組和電源系統(tǒng)之間傳輸電力，因此使得能夠進(jìn)行安全且容易的電池更換。而且，與采用電磁感應(yīng)的常規(guī)無線功率傳輸方法相比，本發(fā)明還使得即使在天線之間距離較長時也能夠進(jìn)行有效的電力傳輸。技術(shù)方案本發(fā)明的電動機(jī)器包括驅(qū)動電動機(jī)；電池組，用于將電力供給至驅(qū)動電動機(jī)；和能量傳輸部，用于將從電池組輸出的電能傳輸至驅(qū)動電動機(jī)，其中電池組包括第一天線，用于通過與位于電動機(jī)器外面的電源所產(chǎn)生的第一諧振磁場相耦合，接收來自該電源的電力；至少一個二次電池，由第一天線接收到的電力進(jìn)行充電；振蕩器，用于根據(jù)從二次電池釋放的直流功率產(chǎn)生射頻功率；和第二天線，用于根據(jù)射頻功率產(chǎn)生第二諧振磁場； 并且能量傳輸部包括第三天線，第三天線與第二天線所產(chǎn)生的第二諧振磁場相耦合，從而將第三天線接收到的射頻功率傳輸至驅(qū)動電動機(jī)。本發(fā)明的電池組包括第一天線，用于通過與位于外面的電源所產(chǎn)生的第一諧振磁場相耦合，接收來自該電源的電力；至少一個二次電池，由第一天線接收到的電力進(jìn)行充電；振蕩器，用于根據(jù)從二次電池釋放的直流功率產(chǎn)生射頻功率；和第二天線，用于根據(jù)射頻功率產(chǎn)生第二諧振磁場，并與位于外面的第三天線磁耦合。本發(fā)明的電源系統(tǒng)包括電池組，用于將電力供給至負(fù)載；第一能量傳輸部，用于將從電池組輸出的電力傳輸至負(fù)載；和第二能量傳輸部，用于將從外面供給的電力傳輸至電池組，其中電池組包括第一天線，用于通過與第二能量傳輸部所產(chǎn)生的第一諧振磁場相耦合，來接收電力；至少一個二次電池，由第一天線接收到的電力進(jìn)行充電；第一振蕩器，用于根據(jù)從二次電池釋放的直流功率產(chǎn)生第一射頻功率；和第二天線，用于根據(jù)第一射頻功率產(chǎn)生第二諧振磁場；第一能量傳輸部包括第三天線，第三天線與第二天線所產(chǎn)生的第二諧振磁場相耦合；第三天線接收到的射頻功率傳輸至負(fù)載；并且第二能量傳輸部包括第二振蕩器，用于采用從外面供給的電力產(chǎn)生第二射頻功率；和第四天線，用于通過第二射頻功率產(chǎn)生第一諧振磁場。有益效果根據(jù)本發(fā)明的電動機(jī)器，能夠在不降低傳輸效率的情況下，以非接觸方式且不采用接觸點(diǎn)，將電力供給至電池組以及從電池組輸出電力，因此使得能夠進(jìn)行安全且容易的電池更換。而且，根據(jù)本發(fā)明的電源系統(tǒng)，不僅能夠?qū)⒛芰坑行У貍鬏斨岭妱訖C(jī)器而且能夠傳輸至家用電器。根據(jù)接下來參照附圖對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、元件、過程、步驟、特性和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚。


圖1為大致示出本發(fā)明的包括具有電池組的電動車輛的電源系統(tǒng)的示意圖，其中圖1(a)大致示出電動車輛，圖1(b)大致示出電源系統(tǒng)。圖2為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的電動車輛配置的示意圖。圖3為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的電動車輛的等效電路圖。圖4為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的電源系統(tǒng)配置的示意圖。圖5為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的電源系統(tǒng)的等效電路圖。圖6為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的天線優(yōu)選配置的示意圖。圖7為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的天線配置和傳輸效率之間關(guān)系的示意圖。圖8為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式1的具有優(yōu)選天線配置的電源系統(tǒng)配置的示意圖。圖9為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式2的天線具體位置的示意圖。圖10為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式3的電源系統(tǒng)配置的示意圖。圖11為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式3的電源系統(tǒng)的等效電路圖。圖12為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式4的自動導(dǎo)向機(jī)器人配置的示意圖。圖13為示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式5的家用電器配置的示意圖。圖14為示出常規(guī)電動車輛電源系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將參照附圖描述根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方式的電池組、電動機(jī)器和電源系統(tǒng)。(實(shí)施方式1)首先，參照圖1，將描述本發(fā)明的第一實(shí)施方式。本實(shí)施方式涉及電動車輛，其作為具有本發(fā)明的電池組的電動機(jī)器的示例。圖 1(a)示出了本實(shí)施方式的電動車輛的配置，圖1(b)示出了用在電動車輛中的電源系統(tǒng)的配置。注意，圖1中示出的電動車輛和電源系統(tǒng)的配置僅僅是本實(shí)施方式的可行配置的一種示例，并且本實(shí)施方式的配置不限于圖1中示出的配置。圖1中示出的電動車輛9采用驅(qū)動電動機(jī)18作為動力源進(jìn)行運(yùn)行。驅(qū)動電動機(jī) 18通過接收來自安裝在電動車輛9中的二次電池2的電力而用作電動車輛9的動力源。在優(yōu)選示例中，二次電池2以其中多個二次電池連接在一起的電池組1的形式安裝在車體，并且由圖1(b)中示出的外部電源11充電。在電動車輛9中，電力借助于諧振磁場通過天線之間的磁耦合在電池組1和外部電源11之間無線傳輸。而且，電力還借助于諧振磁場通過天線之間的磁耦合在電池組1和驅(qū)動電動機(jī)18之間無線傳輸。電池組1包括第一天線(電池組側(cè)功率接收天線)6和第二天線(電池組側(cè)功率發(fā)送天線)7。第三天線(車輛側(cè)功率接收天線)13置于電動車輛9的車體中，與第二天線 7相對。第二天線7將電力無線傳輸至第三天線13。另一方面，第一天線6將電力無線傳輸至置于電動車輛9外部的第四天線(電源側(cè)功率發(fā)送天線)14。這些天線是通過已經(jīng)由諧振器的電磁場的消逝拖尾產(chǎn)生的耦合現(xiàn)象將能量從兩個目標(biāo)中的一個目標(biāo)傳輸至另一個目標(biāo)的元件。本實(shí)施方式不再需要電池組1和驅(qū)動電動機(jī)18、以及電池組1和外部電源11之間的連接器插接操作，而這種連接器插接操作對于常規(guī)技術(shù)是必須的。還能夠防止連接器的短路。而且，由于在諧振頻率下通過磁耦合(借助于諧振磁場的耦合)無線傳輸電力，因此將不引起能量損失，否則在電磁波傳輸至遠(yuǎn)距離位置時將引起能量損失。因此，可以以非常高的效率傳輸功率。采用諧振電磁場(即，近場)的耦合現(xiàn)象的這種能量傳輸技術(shù)引起的損耗比采用電磁感應(yīng)的法拉第定律的已知非接觸功率傳輸要少得多。而且，即使在天線之間的距離較長時，也可以通過這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)有效的能量傳輸。例如，在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式中，能量可以在兩個諧振器(或天線)之間傳輸，在這兩個諧振器之間具有高達(dá)數(shù)米的間距。即使天線彼此稍未對準(zhǔn)，也可以保持高的傳輸效率?，F(xiàn)在參照圖2-5，將更詳細(xì)地描述本發(fā)明的第一實(shí)施方式。在下文涉及的附圖中，與圖1中示出的元件相同的元件由相同的附圖標(biāo)記表示。 圖2和3分別示出了本實(shí)施方式的電動車輛的主要元件及其等效電路。圖4和5分別示出了本實(shí)施方式的電源系統(tǒng)的主要元件及其等效電路。注意，附圖中示出的各種元件的空間配置僅僅是說明性的，并且空間配置不限于此。如圖2所示，本實(shí)施方式的電動車輛9包括作為動力源的驅(qū)動電動機(jī)18、用來控制電力傳輸至驅(qū)動電動機(jī)18的驅(qū)動控制部16、用于供給對驅(qū)動電動機(jī)18進(jìn)行驅(qū)動用的電力的電池組1、用來接收來自電池組1的電力并將該電力傳輸至驅(qū)動電動機(jī)18的第一能量傳輸部22、以及用于將電池組1固定至車體的電池組保持部M。驅(qū)動電動機(jī)18例如可以為諸如感應(yīng)電動機(jī)或永磁同步電動機(jī)之類的交流電動機(jī)，或者為直流電動機(jī)或任何其它電動機(jī)。當(dāng)使用交流電動機(jī)時，驅(qū)動控制部16將從電池組1接收到的電力轉(zhuǎn)換成供給至驅(qū)動電動機(jī)18的合適交流功率。電池組1包括車輛連接結(jié)構(gòu)8。借助于車輛連接結(jié)構(gòu)8和電池組保持部54，電池組1連接至電動車輛9的車體，并且被保持為使得它能夠被移除。車輛連接結(jié)構(gòu)8和電池組保持部討可以放置在任何位置，只要可以穩(wěn)定地保持電池組1。電池組保持部M例如放置在電動車輛9的座椅下面，并將電池組1保持在穩(wěn)定位置。車輛連接結(jié)構(gòu)8和電池組保持部M可以由任何材料形成，并且其形狀也只是設(shè)計(jì)選擇問題。電池組1包括至少一個二次電池2。二次電池2可以為能夠被充電/放電的任何電池，并且例如可以為鋰離子電池、鎳氫電池、鉛蓄電池等。優(yōu)選地，二次電池2放置在電池組1中，并包括連接在一起的多個"模塊"，其中每個模塊包括串聯(lián)連接在一起的多個" 電池單元"(電池的最小形式，包括電極和電解液)。當(dāng)用在電動車輛中用于普通使用時， 電池組1的總電能例如設(shè)置為IOkWh或更大。電池組1中二次電池2的配置可以為任何配置，只要它能夠輸出足夠的電力以允許電動車輛9長時間運(yùn)行。電池組1包括用于接收從外面發(fā)送的射頻功率的第一天線6、用于將從第一天線6 接收到的電力轉(zhuǎn)換成直流功率的電池組側(cè)整流器5、用于在充電和放電之間切換二次電池 2并控制二次電池2以根據(jù)充電狀態(tài)優(yōu)化充電電流和電壓的控制部3、用于將來自二次電池 2的電力轉(zhuǎn)換成射頻功率的電池組側(cè)振蕩器4、以及用于根據(jù)從電池組側(cè)振蕩器4接收到的射頻功率產(chǎn)生磁場的第二天線7。第一能量傳輸部22包括與第二天線7磁耦合以接收射頻功率的第三天線13、以及用于將由第三天線13接收到的射頻功率轉(zhuǎn)換成直流功率并將直流功率輸出至驅(qū)動控制部 16的驅(qū)動側(cè)整流器15。第三天線13被放置為與第二天線7相對。如圖3所示，第一天線6為包括串聯(lián)連接在一起的第一電感器111和第一電容器 112的LC諧振電路。第二天線7為包括并聯(lián)連接在一起的第二電感器113和第二電容器 114的LC諧振電路，第三天線13為包括串聯(lián)連接在一起的第三電感器115和第三電容器 116的LC諧振電路。電容器的電容和電感器的電感值設(shè)置為使得第二天線7的諧振頻率和第三天線13的諧振頻率具有相等的值fa。電池組側(cè)振蕩器4設(shè)置為產(chǎn)生頻率等于諧振頻率fa的正弦電壓。在本實(shí)施方式中，諧振頻率fa例如設(shè)置為0. 5 10MHz。如圖4所示，除了電動車輛9的元件之外，本實(shí)施方式的電源系統(tǒng)17還包括用于將從外部電源11供給的電力傳輸至電池組1的第二能量傳輸部對。第二能量傳輸部M包括電源側(cè)振蕩器12和第四天線14。如圖5所示，第四天線14為包括并聯(lián)連接在一起的第四電感器117和第四電容器 118的LC諧振電路。第四電容器118的電容和第四電感器117的電感值設(shè)置為使得第四天線14的諧振頻率具有等于第一天線6的諧振頻率的值fb。電源側(cè)振蕩器12設(shè)置為產(chǎn)生頻率等于諧振頻率fb的正弦電壓。在本實(shí)施方式中，諧振頻率fb例如設(shè)置為0. 5 10MHz。作為電池組側(cè)振蕩器4和電源側(cè)振蕩器12，可以使用將實(shí)現(xiàn)高效率和低失真的D、 E或F類放大器或Doherty放大器。可選地，通過將低通濾波器或帶通濾波器設(shè)置在產(chǎn)生帶失真分量的輸出信號的開關(guān)元件之后，可以高效率地產(chǎn)生正弦波。優(yōu)選地，外部電源11、電源側(cè)振蕩器12和第四天線14設(shè)置在充電站、停車場、房屋等中。可以沿著街道的一定范圍在街道之下埋入多個第四天線14。在這種情況中，電動車
9輛9可以經(jīng)由任一第四天線14對二次電池2進(jìn)行充電。在充電期間，電動車輛9被放置為使得第一天線6基本上與第四天線14相對。在電源系統(tǒng)17中，天線優(yōu)選設(shè)置為使得天線在第四天線14和第一天線6之間的空間中、在第二天線7和第三天線13之間的空間中以及在每個天線附近不被金屬覆蓋。如果天線被金屬覆蓋，則諧振磁場被阻擋，從而阻礙功率傳輸。外部電源11可以為AC 100V 或AC 200V的普通電源，或者可以為更高電壓的電源。現(xiàn)在將詳細(xì)描述電源系統(tǒng)17中充電期間的功率傳輸。電源側(cè)振蕩器12接收來自外部電源11的電力，并將電力轉(zhuǎn)換成頻率等于第一天線6和第四天線14的諧振頻率fb的射頻功率。從電源側(cè)振蕩器12輸出的射頻功率輸入至第四天線14。第四天線14和第一天線6通過諧振電路之間形成的諧振磁場而耦合在一起。因此，第一天線6可以有效地接收從第四天線14發(fā)送的射頻功率。第一天線6接收到的射頻功率由電池組側(cè)整流器5轉(zhuǎn)換成直流功率，隨后輸入至控制部3，從而對二次電池2進(jìn)行充電。控制部3進(jìn)行控制，以根據(jù)二次電池2的充電狀態(tài)優(yōu)化充電電流和電壓。例如，控制部3將充電電流保持在恒定水平， 直到二次電池2的電壓達(dá)到預(yù)定電壓，并且隨后逐漸降低充電電流，使得充電電壓恒定。現(xiàn)在將詳細(xì)描述在電動車輛9運(yùn)行時的功率傳輸。從二次電池2釋放的功率由控制部3輸入至電池組側(cè)振蕩器4。電池組側(cè)振蕩器 4將輸入的放電功率轉(zhuǎn)換成頻率等于第二天線7和第三天線13的諧振頻率fa的射頻功率。 從電池組側(cè)振蕩器4輸出的射頻功率輸入至第二天線7。第二天線7和第三天線13通過諧振電路之間形成的諧振磁場而耦合在一起。因此，第三天線13可以有效地接收從第二天線 7發(fā)送的射頻功率。第三天線13接收到的射頻功率由驅(qū)動側(cè)整流器15轉(zhuǎn)換成直流功率，并傳送至驅(qū)動控制部16。驅(qū)動控制部16恰當(dāng)?shù)剞D(zhuǎn)換接收到的直流功率，并將轉(zhuǎn)換的功率傳輸至包括驅(qū)動電動機(jī)18的驅(qū)動系統(tǒng)。根據(jù)本實(shí)施方式，可以在電池組1和第一能量傳輸部22之間以及電池組1和第二能量傳輸部M之間無線傳輸電力。由于不再需要采用電纜和連接器進(jìn)行常規(guī)電動車輛需要的電池組插接操作，因此能夠不再需要更換電池組時將電纜插接至連接器/從連接器上拔掉電纜。還能夠避免操作期間的電擊或由雨水引起的漏電。結(jié)果，能夠容易且安全地更換電池組1。根據(jù)本實(shí)施方式，與借助于電磁感應(yīng)的常規(guī)方法相比，由于通過借助于諧振磁場的耦合來無線傳輸電力，因此可以保持高的傳輸效率，即使天線之間的距離較長(如，當(dāng)天線間距約為天線短邊長度的數(shù)倍時)或者即使天線彼此并未對準(zhǔn)。每個電感器例如由線圈制成。雖然在本實(shí)施方式中，每個電感器具有匝數(shù)大于1 的螺旋結(jié)構(gòu)和矩形形狀，但它們可以具有不同于此的結(jié)構(gòu)和形狀。每個電感器可以具有匝數(shù)為1的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且可以具有圓形形狀、橢圓形狀等。這些電感器不必一定由單層導(dǎo)體圖案制成，而是可以包括串聯(lián)連接在一起的多層導(dǎo)體圖案。由每個電感器中具有最大面積的層的輪廓限定的平面在此稱為該電感器的"主表面"。電感器的主表面在此也稱為天線的"主表面"。例如，第一天線6的主表面是指第一電感器111的主表面。雖然第一天線6的形狀和第二天線7的形狀在圖2和4中示出為分別等同于第四天線14和第三天線13的形狀，但即使它們具有彼此不同的形狀，也將獲得本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。第一天線6和第四天線14在充電期間被放置為彼此相對，第二天線7和第三天線13被放置為彼此相對。然而，第一天線6和第四天線14不必嚴(yán)格地彼此相對，并且僅要求它們被放置為并不彼此正交。類似地，第二天線7和第三天線13不必嚴(yán)格地彼此相對，并且僅要求它們被放置為并不彼此正交。雖然在本實(shí)施方式中，第一天線6和第三天線13為串聯(lián)諧振電路，而第二天線7 和第四天線14為并聯(lián)諧振電路，但天線的電路配置不限于此。每個天線可以為串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路，只要合適地確定天線的諧振頻率。雖然上文說明每個天線包括電容器， 但可以采用具有相等自諧振頻率的兩個電感器的磁耦合，而不采用電容器。現(xiàn)在參照圖6和7，將描述天線的優(yōu)選方位。圖6示出了與電池組1的天線的主表面平行的平面的優(yōu)選配置。圖6 (a)示出了一種配置，其中與第一天線6的主表面平行的第一平面121和與第二天線7的主表面平行的第二平面122以45°或更大的角度彼此交叉。 圖6(b)示出了一種配置，其中第一平面121和第二平面122彼此正交。如果電池組1的第一天線6和第二天線7共用相等的諧振頻率或者具有彼此接近的諧振頻率，則第一天線6和第二天線7之間可能出現(xiàn)不必要的耦合，因此降低傳輸效率。 根據(jù)本發(fā)明人的研究，當(dāng)由功率發(fā)送天線產(chǎn)生的磁通量的方向越接近由功率接收天線產(chǎn)生的磁通量的方向時，通過諧振磁場的耦合的強(qiáng)度越高。也即是說，當(dāng)功率發(fā)送天線和功率接收天線之間的配置越接近正交時，功率接收天線側(cè)的感生電流越少，因此耦合越弱。因此，雖然第一平面121和第二平面122最優(yōu)選是彼此正交的，但它們不必嚴(yán)格地彼此正交。在本實(shí)施方式中，第一平面121和第二平面122之間的角度優(yōu)選為45°或更大， 更優(yōu)選為60°或更大，且甚至更優(yōu)選為75°或更大。現(xiàn)在參照圖7，將描述天線的優(yōu)選配置。通過電磁分析，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)一種天線配置，采用這種天線配置，能夠在第一天線 6和第四天線14之間以及第二天線7和第三天線13之間實(shí)現(xiàn)高傳輸效率。圖7(a)示出了該分析中使用的天線(電感器)的形狀和配置。在該分析中，每個天線的電感器具有矩形形狀，并且每個電感器的長邊位于相同的方向。第二電感器113和第三電感器115的主表面正交于第一電感器111的主表面，第四電感器117的主表面平行于第一電感器111的主表面。在垂直地投影在包括第一電感器111主表面的平面上時，第二電感器113的中心和第三電感器115的中心位于由第一電感器111的主表面限定的區(qū)域內(nèi)。圖7(b)示出了從箭頭方向觀看的、沿著由圖7(a)中的雙點(diǎn)劃線指示的平面截取的電感器的剖視圖。在圖7(b)中，第一電感器111的"尺寸"表示為Li。在此使用的第一電感器111的"尺寸"是指第一電感器111的主表面沿與第二電感器113的主表面垂直的方向的長度。例如，如果第一電感器111具有如圖7 (a)所示的矩形形狀，則第一電感器111 的"尺寸"定義為其較短邊的長度。如果電感器具有圓形形狀，則該"尺寸"定義為電感器的直徑。當(dāng)垂直地投影在第一電感器111的主表面上時，Ls表示第一電感器111的中心和在第二電感器113的中心和第三電感器115中心之間延伸的線段的中點(diǎn)之間的距離。圖 7(c)示出了傳輸效率和天線之間的分離程度相對于第一天線6和第四天線14對(第一天線對)以及第二天線7和第三天線13對(第二天線對)之間的位移(Ls/Ll)的關(guān)系。在圖7(c)中，路徑1表示第二天線7和第三天線13之間的傳輸效率，路徑2表示第一天線6 和第四天線14之間的傳輸效率。分離程度表示第一天線6和第二天線7之間的分離程度。該分析的條件如下。(1)關(guān)于第一電感器111和第四電感器117的條件尺寸500mmX 500mm，匝數(shù)2，線間距離5mm(單層)，線粗0. 1mm，線材料介電常數(shù)7X108，天線間距離:300mm(2)關(guān)于第二電感器113和第三電感器115的條件尺寸500mmX 100mm，匝數(shù)2，線間距離5mm(單層)，線粗0. 1mm，線材料介電常數(shù)7X108，天線間距離:20mm(3)第一電感器111的最上表面和第二電感器113的最小表面之間的距離70mm(4)諧振頻率IMHz如圖7(c)所示，當(dāng)滿足下述不等式(1)時，第一天線對和第二天線對都實(shí)現(xiàn)了 90%或更高的傳輸效率，這是實(shí)踐中優(yōu)選的水平Ls <0.3 X Ll(1)當(dāng)滿足下述不等式O)時，可以進(jìn)一步改善傳輸效率Ls <0.2 X Ll(2)即使不滿足上述不等式1，只要滿足該分析的條件(Ls < 0.5XL1)，也可以保持 80 %或更高的傳輸效率，并且可以充分地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。圖8示出了具有圖7(b)中示出的優(yōu)選天線配置的電源系統(tǒng)的配置。注意，雖然在該分析中第一天線對的諧振頻率和第二天線對的諧振頻率設(shè)置為相同的值，但通過將諧振頻率設(shè)置為不同的值，能夠進(jìn)一步抑制不必要的耦合。上文示出第二天線對優(yōu)選盡可能靠近第一天線對的中心。優(yōu)選的是，電池組1中的天線設(shè)置為滿足上述不等式1或2。本實(shí)施方式的電動車輛9的無線功率傳輸方法可以廣泛地應(yīng)用于電動車輛之外的其他電動機(jī)器。例如，該方法可以應(yīng)用于通過使用驅(qū)動電動機(jī)18和內(nèi)燃機(jī)的組合驅(qū)動車軸的混合電動車輛、公共汽車、火車、電梯等。(實(shí)施方式2)現(xiàn)在參照圖9，將描述本發(fā)明的第二實(shí)施方式。圖9中示出的電動車輛9包括座椅134和多個車輪，使得乘客132可以如圖所示就座。電池組保持部M保持電池組1，使得第一天線6的主表面平行于地面放置，并且第二天線7的主表面垂直于地面放置。第四天線14的主表面平行于第一天線6的主表面放置，第三天線13的主表面平行于第二天線7的主表面放置。注意，在圖9中僅圖示了一個車輪，但本實(shí)施方式的電動車輛9具有4個車輪。這些車輪由驅(qū)動電動機(jī)18驅(qū)動。電池組1被放置為使得從座椅134到第二天線7的距離長于從座椅134到電池組 1中心的距離。在此使用的電池組1中心是指其空間中心，而不是其重心。而且，第一天線 6的主表面具有沿車輛行進(jìn)方向較短而沿車輛橫向方向較長的形狀，并且第二天線7的主表面具有沿車輛豎直方向較短而沿車輛橫向方向較長的形狀。第一天線6和第二天線7設(shè)置為使得它們的縱向方向彼此一致。除了上述特征之外，本實(shí)施方式的配置類似于第一實(shí)施方式。注意，“行進(jìn)方向，，是指電動車輛9通過轉(zhuǎn)動車輪前往的方向。
在第四天線14埋入停車場或街道下面的情況中，本實(shí)施方式的電動車輛9的第四天線14和第一天線6可以容易地磁耦合在一起，因?yàn)榈谝惶炀€6的主表面平行于地面。即使第一天線6沿車輛橫向方向與第四天線14未對準(zhǔn)，仍然能夠在第一天線6的主表面和第四天線14的主表面之間保持大的重疊。因此，采用本實(shí)施方式的配置，能夠抑制傳輸效率的降低。而且，雖然由第二天線7產(chǎn)生的磁場將存在于乘客132的位置處，但該磁場對乘客 132的影響可以保持為低，因?yàn)榈诙炀€7與座椅134遠(yuǎn)隔。如上所述，在本實(shí)施方式中，能夠以甚至更高的效率實(shí)現(xiàn)充電，同時保持磁場對乘客的低影響，實(shí)現(xiàn)較高水平的安全性。注意，在本實(shí)施方式中，通過在乘客132和第二天線7之間設(shè)置具有高磁導(dǎo)率的材料，可以偏轉(zhuǎn)磁場的方向。因而，能夠進(jìn)一步降低磁場對乘客132的影響。本實(shí)施方式涉及具有4個車輪的電動車輛，但本發(fā)明的電動機(jī)器中輪子的數(shù)量不總是4個。(實(shí)施方式3)現(xiàn)在參照圖10和11，將描述本發(fā)明的第三實(shí)施方式。圖10示出了本實(shí)施方式的電動車輛的基本結(jié)構(gòu)。圖11示出了本實(shí)施方式的電動車輛的等效電路圖。本實(shí)施方式和實(shí)施方式1之間的主要不同在于，本實(shí)施方式的電動車輛包括不同于電池組1中二次電池2的第二二次電池52。如圖10所示，電動車輛包括可以被充電/放電的作為驅(qū)動電池的第二二次電池 52，以及作為用于控制第二二次電池52的充電/放電的電路的充電-放電控制部51。二次電池2的容量設(shè)置為使得電池組1足夠輕以由人員四處攜帶，并且設(shè)置有攜帶把手53。采用本實(shí)施方式的電動車輛，充電-放電控制部51將第二二次電池52的電力輸出至驅(qū)動控制部16。驅(qū)動控制部16進(jìn)行控制使得優(yōu)先使用來自充電-放電控制部51的電力，而在第二二次電池52的電池電平已經(jīng)變低時使用來自電池組1的電力。當(dāng)?shù)诙坞姵?2的電池電平和電池組1中二次電池2的電池電平都變低時，乘客可以握住電池組1的把手53并將用完的電池組1從電動車輛上移除，用完全充電的電池組1更換它。在更換之后，驅(qū)動電動機(jī)18從完全充電的電池組1獲得電力。在本實(shí)施方式中，由于電池組1重量輕且容易四處攜帶，因此當(dāng)二次電池2的電池電平變低時，可以容易且安全地更換電池組1。因此，不需要等待充電的時間，并且車輛可以在相對短的時間內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行。注意到，在本實(shí)施方式中，第四天線14不需要埋入停車場或街道地下，并且可以為能夠?qū)Ψ胖迷谄渖系碾姵亟M1進(jìn)行充電的獨(dú)立充電墊形式。(實(shí)施方式4)現(xiàn)在參照圖12，將描述本發(fā)明的第四實(shí)施方式。作為本發(fā)明的電源系統(tǒng)的示例，圖12示出了用于自動導(dǎo)向機(jī)器人的電源系統(tǒng)的主要元件。本實(shí)施方式的基本配置類似于實(shí)施方式1的電動車輛的基本配置。該圖中示出的自動導(dǎo)向機(jī)器人146例如可以為工廠生產(chǎn)線中使用的運(yùn)載機(jī)器人， 并且包括電池組1和作為動力源的驅(qū)動電動機(jī)18。電池組1包括用于將電力供給至驅(qū)動電動機(jī)18的二次電池2、用于將來自二次電池2的電力轉(zhuǎn)換成射頻功率的電池組側(cè)振蕩器 4、以及用于借助于諧振磁場來無線傳輸電力的第一天線6和第二天線7。自動導(dǎo)向機(jī)器人 146還包括第三天線13，其與第二天線7相對并與之磁耦合，并且來自第二天線7的電力由第三天線13接收并傳輸至驅(qū)動電動機(jī)18。從外部電源11對二次電池2進(jìn)行充電。電源側(cè)振蕩器12將來自外部電源11的電力轉(zhuǎn)換成頻率等于第四天線14和第一天線6的諧振頻率的射頻功率。第四天線14可以通過根據(jù)來自電源側(cè)振蕩器12的射頻功率產(chǎn)生諧振磁場以與第一天線6磁耦合，而將電力傳輸至第一天線6。第一天線6接收到的電力傳輸至二次電池2，從而對二次電池2進(jìn)行充 H1^ ο(實(shí)施方式5)現(xiàn)在參照圖13，將描述本發(fā)明的第五實(shí)施方式。作為本發(fā)明的電源系統(tǒng)的示例，圖13示出了用于家用電器的電源系統(tǒng)的主要元件。本實(shí)施方式的功率傳輸方法類似于實(shí)施方式1的電動車輛的功率傳輸方法。該圖中示出的家用電器148例如可以是移動電話或個人計(jì)算機(jī)，即，任何電池操作的裝置。無線功率傳輸可以用于對二次電池2進(jìn)行充電以及用于將來自二次電池2的電力供給至負(fù)載150。用于家用電器148的電源系統(tǒng)包括電操作負(fù)載150、用于將電力供給至負(fù)載150的電池組1、以及電源側(cè)能量傳輸部152。電池組1包括用于將電力供給至負(fù)載150的二次電池2、用于將來自二次電池2的電力轉(zhuǎn)換成射頻功率的電池組側(cè)振蕩器4、以及用于借助于諧振磁場來無線傳輸電力的第一天線6和第二天線7。家用電器148還包括與第二天線7 相對并與之磁耦合的第三天線13，并且來自第二天線7的電力由第三天線13接收并傳輸至負(fù)載150。從外部電源11對二次電池2進(jìn)行充電。外部電源11將電力傳輸至電源側(cè)振蕩器 12。電源側(cè)振蕩器12將來自外部電源11的電力轉(zhuǎn)換成頻率等于第四天線14和第一天線 6的諧振頻率的射頻功率。第四天線14可以通過根據(jù)來自電源側(cè)振蕩器12的射頻功率產(chǎn)生諧振磁場以與第一天線6磁耦合，而將電力傳輸至第一天線6。第一天線6接收到的電力傳輸至二次電池2，從而對二次電池2進(jìn)行充電。工業(yè)應(yīng)用性本發(fā)明的電動機(jī)器不限于電動車輛，而是能夠應(yīng)用于諸如電動摩托車、電動自行車、電動輪椅和電動直立踏板車之類的電動移動裝置，以及自動導(dǎo)向機(jī)器人等。本發(fā)明的電池組和電源系統(tǒng)同樣不僅可以用于上述電動機(jī)器，而且可以用于要求更換二次電池的多種電子裝置/設(shè)備。雖然已經(jīng)參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，可以以多種方式修改所公開的發(fā)明，并且所公開的發(fā)明可以采取上文具體描述的那些實(shí)施方式之外的其他多種實(shí)施方式。因此，所附權(quán)利要求應(yīng)當(dāng)覆蓋落入本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍之內(nèi)的對本發(fā)明的所有修改。附圖標(biāo)記列表1 電池組2 電池組中的二次電池3 電池組中的控制部4 電池組側(cè)振蕩器5 電池組側(cè)整流器
6第一天線7第二天線8車輛連接結(jié)構(gòu)9電動車輛11外部電源12電源側(cè)振蕩器13第三天線14第四天線15驅(qū)動側(cè)整流器16驅(qū)動控制部17電源系統(tǒng)18驅(qū)動電動機(jī)22第一能量傳輸部24第二能量傳輸部51充電-放電控制部52第二二次電池53電池組的把手54電池組保持部61 常規(guī)示例中的充電-放電控制電路62 常規(guī)示例中的電池組63 常規(guī)示例中的外部電源64 常規(guī)示例中的車輛側(cè)連接器65 常規(guī)示例中的電池組側(cè)連接器66 常規(guī)示例中的電池組側(cè)功率輸出連接器67 常規(guī)示例中的電源68 常規(guī)示例中的來自外部電源的電纜69 常規(guī)示例中的電源連接器70 常規(guī)示例中的電動車輛72 常規(guī)示例中的動力電池111 第一天線的電感器112 第一天線的電容器113 第二天線的電感器114 第二天線的電容器115 第三天線的電感器116 第三天線的電容器117 第四天線的電感器118 第四天線的電容器121 平行于第一天線主表面的平面122 平行于第二天線主表面的平面
15
123平行于第三天線主表面的平面124平行于第四天線主表面的平面132乘客134座椅136車輪146自動導(dǎo)向機(jī)器人148家用電器150負(fù)載152電源側(cè)能量傳輸部
權(quán)利要求
1.一種電動機(jī)器，包括 驅(qū)動電動機(jī)；電池組，用于將電力供給至驅(qū)動電動機(jī)；和能量傳輸部，用于將從電池組輸出的電能傳輸至驅(qū)動電動機(jī)，其中電池組包括第一天線，用于通過與位于電動機(jī)器外面的電源所產(chǎn)生的第一諧振磁場相耦合，接收來自該電源的電力；至少一個二次電池，由第一天線接收到的電力進(jìn)行充電； 振蕩器，用于根據(jù)從二次電池釋放的直流功率產(chǎn)生射頻功率；和第二天線，用于根據(jù)射頻功率產(chǎn)生第二諧振磁場；并且能量傳輸部包括第三天線，第三天線與第二天線所產(chǎn)生的第二諧振磁場相耦合，從而將第三天線接收到的射頻功率傳輸至驅(qū)動電動機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機(jī)器，其中第一天線由包括第一電感器和第一電容器的第一諧振電路形成； 第二天線由包括第二電感器和第二電容器的第二諧振電路形成；以及第三天線由包括第三電感器和第三電容器的第三諧振電路形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電動機(jī)器，其中第一電感器、第二電感器和第三電感器分別由具有螺旋形狀或環(huán)形形狀的至少一個導(dǎo)電層形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的電動機(jī)器，其中 第一電感器的主表面平行于第一平面；以及第二電感器的主表面平行于第二平面，第二平面以45°或更大的角度與第一平面交叉。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電動機(jī)器，其中第一平面和第二平面彼此正交。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的電動機(jī)器，其中在第二電感器垂直地投影在第一平面上時的中心和第三電感器垂直地投影在第一平面上時的中心之間延伸的線段的中點(diǎn)位于由第一電感器的主表面投影在第一平面上時限定的區(qū)域內(nèi)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電動機(jī)器，其中滿足LS< 0. 3XLi，其中 Ll表示第一電感器垂直地投影在第一平面上時的"尺寸"，以及LS表示從在垂直地投影在第一平面上時第二電感器的中心和第三電感器的中心之間延伸的線段的中點(diǎn)到第一電感器垂直地投影在第一平面上時的中心的距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項(xiàng)所述的電動機(jī)器，其中第一天線的諧振頻率不同于第二天線的諧振頻率。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的電動機(jī)器，包括電池組保持部，電池組保持部用于可拆卸地保持電池組，使得第二天線與第三天線相對。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電動機(jī)器，其中電池組被保持為使得第一電感器的主表面平行于地面。
11.根據(jù)權(quán)利要求1-10中任一項(xiàng)所述的電動機(jī)器，其中電動機(jī)器為具有多個車輪的車輛。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的電動機(jī)器，其中第一天線沿電動機(jī)器的行進(jìn)方向的尺寸小于第一天線沿電動機(jī)器的橫向方向的尺寸；第二天線沿豎直方向的尺寸小于第二天線沿電動機(jī)器的橫向方向的尺寸；以及第一天線和第二天線設(shè)置為使得第一天線的縱向方向和第二天線的縱向方向彼此一致。
13.一種電池組，包括第一天線，用于通過與位于外面的電源所產(chǎn)生的第一諧振磁場相耦合，接收來自該電源的電力；至少一個二次電池，由第一天線接收到的電力進(jìn)行充電；振蕩器，用于根據(jù)從二次電池釋放的直流功率產(chǎn)生射頻功率；和第二天線，用于根據(jù)射頻功率產(chǎn)生第二諧振磁場，并與位于外面的第三天線磁耦合。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的電池組，其中第一天線由包括第一電感器和第一電容器的第一諧振電路形成；以及第二天線由包括第二電感器和第二電容器的第二諧振電路形成。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電池組，其中第一電感器和第二電感器分別由具有螺旋形狀或環(huán)形形狀的至少一個導(dǎo)電層形成。
16.根據(jù)權(quán)利要求14或15所述的電池組，其中 第一電感器的主表面平行于第一平面；以及第二電感器的主表面平行于第二平面，第二平面以45°或更大的角度與第一平面交叉。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電池組，其中第一平面和第二平面彼此正交。
18.根據(jù)權(quán)利要求16或17所述的電池組，其中第二電感器垂直地投影在第一平面上時的中心位于由第一電感器垂直地投影在第一平面上時的輪廓限定的區(qū)域內(nèi)。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電池組，其中滿足LS< 0. 3XLi，其中 Ll表示第一電感器垂直地投影在第一平面上時的"尺寸"，以及LS表示從在垂直地投影在第一平面上時第二電感器的中心和第三電感器的中心之間延伸的線段的中點(diǎn)到第一電感器垂直地投影在第一平面上時的中心的距離。
20.根據(jù)權(quán)利要求13-19中任一項(xiàng)所述的電池組，其中第一天線的諧振頻率不同于第二天線的諧振頻率。
21.一種電源系統(tǒng)，包括電池組，用于將電力供給至負(fù)載；第一能量傳輸部，用于將從電池組輸出的電力傳輸至負(fù)載；和第二能量傳輸部，用于將從外面供給的電力傳輸至電池組，其中 電池組包括第一天線，用于通過與第二能量傳輸部所產(chǎn)生的第一諧振磁場相耦合，來接收電力； 至少一個二次電池，由第一天線接收到的電力進(jìn)行充電； 第一振蕩器，用于根據(jù)從二次電池釋放的直流功率產(chǎn)生第一射頻功率；和第二天線，用于根據(jù)第一射頻功率產(chǎn)生第二諧振磁場；第一能量傳輸部包括第三天線，第三天線與第二天線所產(chǎn)生的第二諧振磁場相耦合；第三天線接收到的射頻功率傳輸至負(fù)載；以及第二能量傳輸部包括第二振蕩器，用于采用從外面供給的電力來產(chǎn)生第二射頻功率；和第四天線，用于通過第二射頻功率產(chǎn)生第一諧振磁場。
全文摘要
公開了一種電動機(jī)器和電源系統(tǒng)，其中電池組可以容易且安全地更換為另一電池組，并且可以高傳輸效率來傳輸電力。本發(fā)明的電動機(jī)器包括驅(qū)動電動機(jī)(18)、用于將電力供給至驅(qū)動電動機(jī)(18)的電池組(1)、以及用于將從電池組(1)輸出的電能傳輸至驅(qū)動電動機(jī)(18)的能量傳輸部(22)。電池組包括第一天線(6)，通過與位于電動機(jī)器外面的電源產(chǎn)生的第一諧振磁場相耦合接收來自該電源的電力；至少一個二次電池(2)，由第一天線(6)接收的電力進(jìn)行充電；振蕩器(4)，通過從二次電池(2)釋放的直流功率產(chǎn)生射頻功率；以及第二天線(7)，通過射頻功率產(chǎn)生第二諧振磁場。能量傳輸部(22)包括與第二天線產(chǎn)生的第二諧振磁場相耦合的第三天線，并將第三天線接收的射頻功率傳輸至驅(qū)動電動機(jī)(18)。
文檔編號H02J5/00GK102481855SQ20108003685
公開日2012年5月30日 申請日期2010年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者山本浩司, 菅野浩 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社