(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
電力を非接触で送電する送電装置(14)と、前記送電装置から出力される電力を非接触で受電し、受電した電力を負荷に供給する受電装置(13)と、を含む非接触給電装置(10)であって、
前記送電装置は、
交流電力を供給する交流電源回路(24)と、
コイル(23)を有し、前記交流電源回路から交流電力が供給されることで磁束を発生する送電側パッド(21)と、
前記送電側パッドに接続され、前記送電側パッドのコイルと共に共振回路を構成する送電側共振用回路(22)と、を含み、
前記受電装置は、
コイル(33)を有し、磁束によって交流電力が発生する受電側パッド(31)と、
前記受電側パッドのコイルと共に共振回路を構成する受電側共振用回路(32)と、
前記受電側共振用回路に接続され、前記受電側パッドから供給される交流電力を直流に変換する整流回路(34)と、
前記整流回路に接続された平滑コンデンサ(35)と、
前記平滑コンデンサと負荷(11)との間に接続され、電圧を変換可能なDCDCコンバータ(36)と、
前記整流回路から前記平滑コンデンサへ流れる電流を検出する電流検出手段(39)と、
前記平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段(38)と、
所定の電力指令値に基づいて、前記DCDCコンバータのスイッチング制御を実施する制御手段(41)と、を含み、
前記制御手段は、前記電力指令値を前記電流検出手段によって検出された電流値で除した値に、前記電圧検出手段によって検出された前記平滑コンデンサの電圧を制御するべく、前記DCDCコンバータをスイッチング制御することを特徴とする非接触給電装置。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、図面を参照しながら本発明を実施するための形態を、複数の形態について説明する。各実施形態で先行する実施形態で説明している事項に対応している部分には同一の参照符を付すか、または先行の参照符号に一文字追加し、重複する説明を略する場合がある。また各実施形態にて構成の一部を説明している場合、構成の他の部分は、先行して説明している実施形態と同様とする。各実施形態で具体的に説明している部分の組合せばかりではなく、特に組合せに支障が生じなければ、実施形態同士を部分的に組合せることも可能である。
【0019】
(第1実施形態)
本発明の第1実施形態に関して、
図1および
図2を用いて説明する。非接触給電装置10は、たとえば電気自動車、およびプラグインハイブリッド自動車などのメインバッテリに充電する場合に適用することができる。非接触給電装置10は、メインバッテリである二次電池11と車両の外部に設置される外部電源12との間で、非接触で電磁界共鳴方式あるいは電磁誘導方式によって電力を伝送するシステムである。電磁界共鳴方式は、送電側と受電側とを共振させて電力を送る方式のことである。非接触給電装置10は、
図1に示すように、車両に搭載される受電装置13および地上に設置される送電装置14を含んで構成される。
【0020】
先ず、送電装置14に関して説明する。送電装置14は、たとえば、家庭、集合住宅、コインパーキングなどの駐車設備、商業施設、および公共施設などに設けられる。送電装置14は、車両にとって外部となる外部電源12、送電側パッド21、送電側共振用回路22を含んで構成される。外部電源12は、たとえば系統電源である。送電装置14は、受電装置13に給電する際に動作する。
【0021】
送電側パッド21は、一次側パッドであって、駐車設備に画成された駐車スペース内に各々設置または埋設されている。送電側パッド21は、コイル23を有し、交流電力が供給されることで磁束を発生する。送電側パッド21は、送電側共振用回路22に接続される。送電側共振用回路22は、送電側パッド21のコイル23と共に共振回路を構成する。
【0022】
次に、受電装置13に関して説明する。受電装置13は、受電側パッド31、受電側共振用回路32を含んで構成される。受電側パッド31は、車外に露出するように車両に設けられる。受電側パッド31は、送電側パッド21との間で非接触による電力の受け渡しを行う。受電側パッド31は、コイル33を有し、送電側パッド21が発生した電磁界の影響により、コイル33に電力が生じる。受電側パッド31は、受電側共振用回路32に接続される。受電側共振用回路32は、受電側パッド31のコイル33と共に共振回路を構成する。
【0023】
次に、具体的な回路構成に関して説明する。非接触給電装置10は、直流電源(電圧源)から供給される電力を変換し、二次電池11に出力する。また、非接触給電装置10は、双方向電力変換が可能であり、二次電池11から供給される電力を、直流電源に対して伝達可能である。
【0024】
送電装置14は、一次側ブリッジ回路24を備えている。受電装置13は、二次側ブリッジ回路34を備えている。一次側ブリッジ回路24は、半導体スイッチング素子であるスイッチによってフルブリッジ回路が構成されている。同様に、二次側ブリッジ回路34は、半導体スイッチング素子であるスイッチによってフルブリッジ回路が構成されている。スイッチは、たとえばMOS−FETである。
【0025】
一次側ブリッジ回路24の入力側には、平滑コンデンサ25が設けられており、一次側ブリッジ回路24の出力側は、送電側パッド21のコイル(以下、「一次コイル」ということがある)23および送電側共振用回路22に接続されている。
【0026】
二次側ブリッジ回路34の入力側は、受電側パッド31のコイル(以下、「二次コイル」ということがある)33および受電側共振用回路32に接続されており、二次側ブリッジ回路34の出力側には平滑コンデンサ35が設けられている。一次コイル23および二次コイル33によって、トランス40が構成される。
【0027】
一次側ブリッジ回路24は、直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換する。したがって一次側ブリッジ回路24は、一次コイル23に交流電力を供給する交流電源回路として機能する。二次側ブリッジ回路34は、二次コイル33から入力される交流電力を直流電力に変換する。したがって二次側ブリッジ回路34は、整流回路34として機能する。以下、二次側ブリッジ回路34を整流回路34として記載する。
【0028】
また整流回路34の平滑コンデンサ35の出力側には、電圧を変換可能なDCDCコンバータ36が設けられている。DCDCコンバータ36は、チョッパ回路とも呼ばれる。DCDCコンバータ36は、整流回路34からの直流電圧を降圧または昇圧して、負荷である二次電池11に供給する。DCDCコンバータ36の出力側には、平滑コンデンサ37が設けられている。そしてDCDCコンバータ36の平滑コンデンサ37の出力側には、負荷である二次電池11が設けられている。
【0029】
また受電装置13には、電圧センサ38と電流センサ39が設けられている。電流センサ39は、整流回路34の出力電流を検出して、制御回路41に送信する。したがって電流センサ39は、整流回路34から平滑コンデンサ35へ流れる電流を検出する電流検出手段として機能する。電圧センサ38は、整流回路34の平滑コンデンサ35の電圧を検出して、制御回路41に送信する。したがって電圧センサ38は、平滑コンデンサ35の電圧を検出する電圧検出手段として機能する。
【0030】
制御回路41は、制御手段であって、所定の電力指令値に基づいて、DCDCコンバータ36のスイッチング制御を実施する。制御回路41は、電力指令値を電流センサ39によって検出された電流値で除した値に平滑コンデンサ35の電圧を制御するべく、DCDCコンバータ36をスイッチング制御する。
【0031】
以上説明したように本実施形態の非接触給電装置10では、制御回路41によってDCDCコンバータ36がスイッチング制御される。制御回路41は、非接触給電中の種々の入力変動時の安定制御を実施する。特に制御回路41は、受電側パッド31と送電側パッド21との位置ずれに起因した結合係数の変動時に、DCDCコンバータ36をスイッチング制御して安定制御を実施する。
【0032】
受電側パッド31と送電側パッド21との瞬間的なずれの原因としては、荷物の積み下ろし、充電中の発進、走行中給電など様々なシーンが考えられる。そのようなパッドのずれにより、結合係数が変動した場合、二次側の電流が大きく変動することとなる。特に
図2の比較例のように、結合係数が小さいほうに遷移して二次側の電流が増加方向に変動した場合、整流回路34の平滑コンデンサ35の電圧が上がり、充電電力が目標値を超えて増加している。平滑コンデンサ35の電圧が増加する原因は、二次電池11の電圧が一定であることによって生じる二次側の電流増加分により平滑コンデンサ35に過剰に電力が流入することにある。充電電力は電流の変動分×電圧の変動分倍にあがるので、二次側の電流の増加によって二次電池11あるいは回路の過熱が懸念される。これは、非接触給電装置10の二次側が電流源として振舞うためである。
【0033】
そこで本実施形態では、結合係数が変動して二次側に流れる電流が増加する場合は、DCDCコンバータ36をスイッチング制御し、平滑コンデンサ35の電圧を下げている。DCDCコンバータ36をスイッチング制御することによって、平滑コンデンサ35の過剰電力を速やかに流出させることができるからである。具体的には、制御回路41は、電力指令値を電流センサ39で検出された電流値で除した値に、電圧センサ38によって検出された平滑コンデンサ35の電圧を制御するべく、DCDCコンバータ36のスイッチング制御している。換言すると、制御回路41は、整流回路34の平滑コンデンサ35に流れる電流の変動を監視し、平滑コンデンサ35の電流に応じてDCDCコンバータ36をスイッチング制御している。これによって
図2に実施例として示すように、結合係数が小さくなって電流が増加しても、充電電力が目標値を上回ることを抑制している。
【0034】
また結合係数が大きいほうに遷移して二次側の電流が減少方向に変動した場合、整流回路34の平滑コンデンサ35の電圧が下がり、充電電力が減少する。平滑コンデンサ35の電圧が減少する原因は、二次電池11の電圧が一定であることによって生じる二次側の電流減少分によって平滑コンデンサ35への流入電力が過少となることにある。
【0035】
そこで本実施形態では、結合係数が変動して二次側に流れる電流が減少する場合は、DCDCコンバータ36をスイッチング制御し、平滑コンデンサ35の電圧を上げている。DCDCコンバータ36をスイッチング制御することによって、平滑コンデンサ35へ過少電力分を速やかに流入させることができるからである。
【0036】
このように一次側と二次側との結合係数が変動しても、二次側にあるDCDCコンバータ36をスイッチング制御することによって、二次側の電流を制御することができる。したがって一次側の送電装置14を制御しなくとも、二次側の受電装置13だけで結合係数に対応する制御を完結することができる。したがって結合係数が変動しても、送電装置14と受電装置13が無線通信して、送電装置14と受電装置13とを両方制御することなく、受電装置13のDCDCコンバータ36を制御するだけよい。換言すると、結合係数の変動時に、DCDCコンバータ36の入力電圧を高速制御することにより、充電電力の変動抑制を一次側で制御した場合と同等以上に抑えられる。
【0037】
(第2実施形態)
次に、本発明の第2実施形態に関して、
図3を用いて説明する。本実施形態では、DCDCコンバータ36の出力電圧を監視し、DCDCコンバータ36を高速にスイッチング制御している点に特徴を有する。
【0038】
第2実施形態の受電装置13は、センサが第1実施形態よりも多く、第2電流センサ42および第2電圧センサ43を備える。第2電流センサ42は、整流回路34の平滑コンデンサ35からDCDCコンバータ36に流れる電流を検出し、制御回路41に送信する。第2電圧センサ43は、DCDCコンバータ36の平滑コンデンサ37の電圧を検出し、制御回路41に送信する。第2電圧センサ43は、負荷である二次電池11への出力電圧を検出する出力電圧検出手段として機能する。
【0039】
制御回路41は、電圧指令、各センサの検出結果に基づいてPWM信号(駆動信号)を生成し、生成したPWM信号に基づいてDCDCコンバータ36のスイッチングを制御する。制御回路41は、
図3に示すように、充電電力制御ループ51、平滑コンデンサ電圧制御ループ52、比較部53を備える。
【0040】
充電電力制御ループ51は、外部から入力される充電出力指令P*と、第2電流センサ42からの電流値と第2電圧センサ43からの電圧値とから求めた充電電力Pとの偏差を演算する。そして充電電力制御ループ51は、演算した偏差を比例、積分演算して出力する。このような充電電力制御ループ51の出力と充電電力指令とを加算し、補正された電力指令値となる。
【0041】
補正された電力指令値と電流センサ39の逆数とを乗算し、整流回路34の平滑コンデンサ35の電圧指令Vc*が演算される。平滑コンデンサ電圧制御ループ52では、入力される電圧指令Vc*と、電圧センサ38からの電圧値との偏差を演算し、偏差を比例、積分演算する。平滑コンデンサ電圧制御ループ52では、積分演算した値に、電流フィードフォワード項を加算し、チョーク電流指令Ic*を出力する。
【0042】
次に、比較部53は、第2電流センサ42が検出した電流値Icを基準値とし、平滑コンデンサ電圧制御ループ52が出力したチョーク電流指令Ic*との比較結果に基づいて、パルス幅変調信号PWMを生成して出力する。このように比較部53によって、高速ピーク電流モード制御が実施される。
【0043】
このように制御回路41は、パルス幅変調された信号を出力する。制御回路41の出力は、DCDCコンバータ36の駆動信号として利用される。反転部54は、DCDCコンバータ36のローサイドのための駆動信号を反転することにより、DCDCコンバータ36のハイサイドのための駆動信号を出力する。
【0044】
このように、制御回路41は、最初に充電電力制御ループ51によって、電力調整している。そして最後に保証ループとして、平滑コンデンサ電圧制御ループ52を用いている。さらに本実施形態では、制御回路41は、出力電圧を制御する充電電力制御ループ51の応答周波数に対して、平滑コンデンサ35の電圧制御する平滑コンデンサ電圧制御ループ52の応答周波数が高く設定されている。具体的には、充電電力制御ループ51のPI制御の応答周波数に対して、平滑コンデンサ電圧制御ループ52のPI制御の応答周波数が高く設定されている。
【0045】
結合係数変動時には充電電力制御とコンデンサ電圧制御が互いに逆向きの挙動を示す。具体的には、充電電力制御はDutyを下げる方向に、電圧制御はDutyを上げる方向に指令値を動かす。そこで本実施形態のように充電電力制御の応答周波数に対し、平滑コンデンサ電圧制御の応答周波数を高く保つことにより、平滑コンデンサ電圧を所望の値に高速制御することが可能である。
【0046】
(第3実施形態)
次に、本発明の第3実施形態に関して、
図4を用いて説明する。本実施形態では、電流センサ39の電流値に基づいて、整流回路34をスイッチング制御している点に特徴を有する。
【0047】
制御回路41は、電流センサ39によって検出された値が一定以上の傾きで増加した場合には、整流回路34の右アームと左アームのスイッチングに位相差が現れるようにスイッチング制御する。具体的には、制御回路41は、電流値の増加傾向を判断する判断ループ60を備える。
【0048】
判断ループ60は、電流センサ39からの出力値を用いて、電流値が増加傾向にあるか否かを判断する。具体的には、制御回路41は、電流センサ39の出力値の変化の割合を求め、予め定める一定以上の傾きで増加しているか否かを判断する。制御回路41は、一定以上の傾きで増加している場合には、整流回路34の右アームと左アームのスイッチングに位相差が現れるようにスイッチング制御する。換言すると、整流回路34の効率が悪くなるように位相差が制御される。これによって電流値の増加を抑制することができる。したがって結合係数の変動に対応することができる。
【0049】
結合係数が小さいほうに遷移して二次側の電流が増加方向に変動した場合は、特にコンデンサ電圧を高速に下げる必要があるが、前述のように整流回路34をスイッチング制御することによって平滑コンデンサ35の電荷を速やかに抜くことができる。
【0050】
(第4実施形態)
次に、本発明の第4実施形態に関して、
図5を用いて説明する。本実施形態では、放電回路70を備え、電流センサ39の電流値に基づいて、放電回路70を制御している点に特徴を有する。放電回路70は、整流回路34の平滑コンデンサ35の出力側に設けられる。
【0051】
放電回路70は、スイッチング素子71と負荷抵抗72とを備え、スイッチング素子71と負荷抵抗72とは直列に接続される。したがってスイッチング素子71をオンすることによって、負荷抵抗72によって電力が消費されるので、負荷抵抗72によって放電することができる。制御回路41は、放電回路70のスイッチング素子71のオンオフを制御する。具体的には、制御回路41は、スイッチング素子71のスイッチを開閉、またはPWM駆動する。
【0052】
制御回路41は、前述の第3実施形態と同様に判断ループ60を備える。制御回路41は、判断ループ60によって一定以上の傾きで増加している場合には、放電回路70を制御して放電するように制御する。これによって電流値の増加を抑制することができる。したがって結合係数の変動に対応することができる。
【0053】
結合係数が小さいほうに遷移して二次側の電流が増加方向に変動した場合は、特にコンデンサ電圧を高速に下げる必要があるが、前述のように放電回路70によって放電させて平滑コンデンサ35の電荷を速やかに抜くことができる。
【0054】
(その他の実施形態)
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において種々変形して実施することが可能である。
【0055】
上記実施形態の構造は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれらの記載の範囲に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むものである。
【0056】
前述の第1実施形態では、車両に非接触給電装置10を採用した場合について説明しているが、車両に限るものではない。他の移動手段であってもよく、二次電池11を備えた電化製品の充電に用いてもよい。
【0057】
前述の第1実施形態では、負荷は二次電池11であり、二次電池11の充電のために非接触で給電しているが、負荷は二次電池11に限るものではない。たとえば負荷は、モータなど電力を消費するものであってもよい。したがって非接触で送電しながら、受電装置13の負荷を駆動することができる。
【符号の説明】
【0058】
10…非接触給電装置 11…二次電池(負荷) 12…外部電源 13…受電装置
14…送電装置 21…送電側パッド 22…送電側共振用回路 23…一次コイル
24…一次側ブリッジ回路(交流電源回路) 31…受電側パッド 32…受電側共振用回路 33…二次コイル 34…二次側ブリッジ回路(整流回路)
35…平滑コンデンサ 36…DCDCコンバータ 38…電圧センサ(電圧検出手段)
39…電流センサ(電流検出手段) 40…トランス 41…制御回路(制御手段)
42…第2電流センサ 43…第2電圧センサ(出力電圧検出手段)
51…充電電力制御ループ 52…平滑コンデンサ電圧制御ループ 53…比較部
54…反転部 60…判断ループ 70…放電回路 71…スイッチング素子(71)
72…負荷抵抗