DE112012006896T5

DE112012006896T5 - Kontaktloses Energieversorgungssystem, Energieübertragungsvorrichtung und dabei verwendetes Fahrzeug

Info

Publication number: DE112012006896T5
Application number: DE112012006896.3T
Authority: DE
Inventors: c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIKI Ichikawa Shinji; c/o TOYOTA JIDOSHA KABUSHIK Kondo Tadashi; c/o AISIN AW CO. LTD. Gorai Naoki
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2015-06-03
Also published as: JPWO2014041655A1; US9963040B2; JP6119756B2; US20150239354A1; CN104620470B; WO2014041655A1; CN104620470A

Abstract

Ein kontaktloses Energieversorgungssystem (10) führt einem Fahrzeug (100) auf kontaktlose Weise elektrische Energie von einer Energieübertragungsvorrichtung (200) zu. Die Energieübertragungsvorrichtung umfasst eine Impedanzanpassungseinheit (260), die konfiguriert ist, um eine Impedanz zwischen einer Energieversorgungseinheit (250) und einer Energieübertragungseinheit (220) anzupassen. Eine Fahrzeug-ECU (300) unterstützt eine Ausrichtung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit bei einem Parkvorgang basierend auf einer Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit (110) des Fahrzeugs. Eine Energieübertragungs-ECU (240) steuert bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs die Impedanzanpassungseinheit (260) basierend auf einer Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung (Fahrzeughöhe), die durch eine Erfassungseinheit (155) erfasst wird. Demzufolge kann eine Absenkung der Energieübertragungseffizienz, die durch eine Änderung einer Impedanz einhergehend mit einer Änderung der Fahrzeughöhe verursacht wird, unterbunden werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein kontaktloses Energieversorgungs- bzw. Energiezufuhrsystem, eine Energieübertragungsvorrichtung, sowie ein dabei verwendetes Fahrzeug. Insbesondere betrifft diese eine Technologie zum Verbessern einer Energieübertragungseffizienz in dem kontaktlosen Energieversorgungssystem.
STAND DER TECHNIK
In vergangenen Jahren erfuhr eine kontaktlose drahtlose Strom- bzw. Energieübertragung ohne Verwenden eines Stromsversorgungskabels oder eines Energieübertragungskabels steigendes Interesse, und deren Anwendung an einem Elektrofahrzeug oder Hybridfahrzeug, um dazu fähig zu sein, eine fahrzeuginterne Energiespeichervorrichtung unter Verwendung von elektrischer Energie von einer außerhalb des Fahrzeugs bereitgestellten Energieversorgung (nachstehend als "externe Energieversorgung" bezeichnet) zu laden, wurde vorgeschlagen.
In einem kontaktlosen Energieversorgungssystem ist es wichtig, eine Energieübertragungsseite mit einer Energieaufnahmeseite adäquat auszurichten bzw. zu justieren, um die Energieübertragungseffizienz zu verbessern.
Die japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-193679 (PTD 1) offenbart eine Konfiguration eines Systems zur Zufuhr von elektrischer Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung zu einem Fahrzeug. In diesem System werden, wenn eine Ausrichtung bzw. Justierung einer Energieaufnahmespule eines Fahrzeugs mit einer Energieübertragungsspule einer Energieübertragungsvorrichtung durchgeführt wird, eine Führungssteuerung für das Fahrzeug basierend auf Informationen von einer fahrzeuginternen Kamera sowie eine Führungssteuerung für das Fahrzeug basierend auf einem Energieübertragungszustand von der Energieübertragungsvorrichtung zum Fahrzeug verwendet, um eine Genauigkeit eines Parkens bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung mit einer einfachen Konfiguration sicherzustellen.
ZITIERLISTE
PATENTSCHRIFT

PTD 1: Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2011-193671

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
TECHNISCHES PROBLEM
In einem kontaktlosen Energieversorgungssystem, das konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung zu einem Fahrzeug zu übertragen, kann die Energieübertragungseffizienz gemäß einer Positionsbeziehung zwischen einer Energieübertragungseinheit der Energieübertragungsvorrichtung und einer Energieaufnahmeeinheit des Fahrzeugs geändert werden. Die Änderung der Positionsbeziehung umfasst eine Fahrzeughöhe, die eine Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung darstellt, sowie einen Positionsversatz, der eine Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und einer Energieaufnahmeeinheit in einer horizontalen Richtung darstellt.
Die Fahrzeughöhe wird gemäß der Anzahl von Insassen des Fahrzeugs sowie einem Gewicht von in einem Kofferraum eingebrachtem Gepäck geändert. In diesem Fall wird eine Eingangsimpedanz der Energieübertragungseinheit geändert. Daher gilt, dass auch wenn sich die Positionsbeziehung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in der optimalen Positionsbeziehung befindet, die zum Zeitpunkt der Ausgestaltung zu erwarten war, die Übertragungseffizienz im Vergleich zum optimalen Zustand während der Ausgestaltung verringert werden kann. Um die Übertragungseffizienz zu verbessern, wäre es demzufolge notwendig, eine Ausrichtung des Fahrzeugs und der Energieübertragungsvorrichtung sowie eine Anpassung der Impedanz durchzuführen, wobei eine tatsächliche Fahrzeughöhe in Betracht gezogen wird.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um ein solches Problem zu lösen, und deren Aufgabe liegt darin, eine Verringerung der Energieübertragungseffizienz einhergehend mit einer Änderung einer Fahrzeughöhe in einem kontaktlosen Energieversorgungssystem, das konfiguriert ist, um Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung zu einem Fahrzeug zu übertragen, zu unterbinden.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Ein kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung führt elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung zu einem Fahrzeug zu. Das Fahrzeug umfasst eine Energieaufnahme- bzw. -empfangseinheit, die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der Energieübertragungsvorrichtung aufzunehmen bzw. zu empfangen. Die Energieübertragungsvorrichtung umfasst eine Energieversorgungseinheit, eine Energieübertragungseinheit, die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der Energieversorgungseinheit zu der Energieaufnahmeeinheit zuzuführen, und eine Impedanzanpassungseinheit, die elektrisch zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit verbunden ist und konfiguriert ist, um eine Impedanz zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit anzupassen. Das kontaktlose Energieversorgungssystem umfasst eine Erfassungseinheit, die konfiguriert ist, um eine Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung zu erfassen, sowie eine Steuerungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um die Impedanzanpassungseinheit zu steuern. Die Steuervorrichtung unterstützt eine Ausrichtung bzw. Justierung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit während eines Parkvorgangs des Fahrzeugs bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit. Bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs steuert die Steuervorrichtung die Impedanzanpassungseinheit basierend auf der Distanz in der durch die Erfassungseinheit erfassten vertikalen Richtung.
Vorzugsweise steuert die Steuervorrichtung die Impedanzanpassungseinheit derart, dass, mit der Distanz in der vertikalen Richtung, eine Energieaufnahmeeigenschaft bzw. -charakteristik erhalten wird, die eine Senkung der Energieübertragungseffizienz bewirkt, wenn ein Positionsversatz bzw. eine Positionsverschiebung in einer horizontalen Richtung von einer vorbestimmten Position zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit ansteigt.
Nachdem die Ausrichtung abgeschlossen ist, bestimmt die Steuervorrichtung vorzugsweise ein Ausmaß des Positionsversatzes basierend auf der Energieübertragungseffizienz bei einer Stopp-Position des Fahrzeugs, und passt weiterhin die Impedanzanpassungseinheit basierend auf dem bestimmten Ausmaß des Positionsversatzes an.
Vorzugsweise ist die Erfassungseinheit am Fahrzeug angebracht.
Vorzugsweise ist die Erfassungseinheit in der Energieübertragungsvorrichtung enthalten.
Vorzugsweise umfasst die Impedanzanpassungseinheit eine Vielzahl von Übereinstimmungs- bzw. Abgleichseinheiten, die eingestellt sind, um zueinander unterschiedliche Impedanzen aufzuweisen. Die Steuervorrichtung wählt eine der Vielzahl von Abgleichseinheiten gemäß der Distanz in der vertikalen Richtung aus.
Vorzugsweise umfasst die Impedanzanpassungseinheit eine Abgleichseinheit mit einer Drosselspule und einer Kapazität, wobei die Drosselspule und/oder die Kapazität ein variables Element ist. Die Steuervorrichtung passt eine Impedanz durch Ändern des variablen Elements der Abgleichseinheit gemäß der Distanz in der vertikalen Richtung an.
Vorzugsweise umfasst das Fahrzeug weiterhin eine Energiespeichervorrichtung, die konfiguriert ist, um durch die Energieaufnahmeeinheit aufgenommene Energie zu speichern. Bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs ermöglicht die Steuervorrichtung, dass Energie, die kleiner bzw. niedriger ist als eine Energie zum Laden der Speichervorrichtung, von der Energieübertragungsvorrichtung zum Fahrzeug übertragen wird, und gibt eine Benachrichtigung zum Auffordern eines Nutzers zum Stoppen des Fahrzeugs als Antwort auf das Ereignis aus, dass die im Falle des Verwendens der kleineren bzw. niedrigeren Energie bereitgestellte Energieübertragungseffizienz einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Vorzugsweise ist eine Differenz zwischen einer Eigenfrequenz der Energieübertragungseinheit und einer Eigenfrequenz der Energieaufnahmeeinheit kleiner oder gleich ±10% der Eigenfrequenz der Energieübertragungseinheit oder der Eigenfrequenz der Energieaufnahmeeinheit.
Vorzugsweise ist ein Kopplungskoeffizient zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit kleiner oder gleich 0,1.
Vorzugsweise nimmt die Energieaufnahmeeinheit elektrische Energie von der Energieübertragungseinheit durch ein magnetisches Feld, das zwischen der Energieaufnahmeeinheit und der Energieübertragungseinheit gebildet ist und bei einer bestimmten Frequenz schwingt, und/oder ein elektrisches Feld auf, das zwischen der Energieaufnahmeeinheit und der Energieübertragungseinheit gebildet ist und bei einer bestimmten Frequenz schwingt, auf.
Ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung nimmt elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung auf, die konfiguriert ist, um eine Impedanz mit Hilfe einer Impedanzanpassungseinheit anzupassen. Das Fahrzeug umfasst eine Energieaufnahmeeinheit, die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungseinheit der Energieübertragungsvorrichtung aufzunehmen, und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um eine Justierung bzw. Ausrichtung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit während eines Parkvorgangs bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit zu steuern. Bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs steuert die Steuervorrichtung die Impedanzanpassungseinheit der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung.
Eine Energieübertragungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung überträgt elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise zu einem Fahrzeug. Die Energieübertragungsvorrichtung umfasst eine Energieversorgungseinheit, eine Energieübertragungseinheit, die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der Energieversorgungseinheit zu einer Energieaufnahmeeinheit des Fahrzeugs zuzuführen, eine Impedanzanpassungseinheit, die elektrisch zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit verbunden ist und konfiguriert ist, um eine Impedanz zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit anzupassen, und eine Steuervorrichtung, die konfiguriert ist, um die Impedanzanpassungseinheit zu steuern. Das Fahrzeug führt eine Ausrichtung der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit während eines Parkvorgangs bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit durch. Bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs steuert die Steuervorrichtung die Impedanzanpassungseinheit basierend auf einer Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung.
VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Impedanzanpassung, die eine Fahrzeughöhe berücksichtigt, eine Absenkung der Energieübertragungseffizienz unterbinden, die im kontaktlosen Energieversorgungssystem aufgrund einer Änderung der Fahrzeughöhe auftreten kann.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine Gesamtkonfiguration eines kontaktlosen Energieversorgungssystems eines Fahrzeugs gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
2 stellt ein Beispiel einer Konfiguration einer Abgleichseinheit in 1 dar.
3 stellt ein weiteres Beispiel der Konfiguration der Abgleichseinheit in 1 dar.
4 stellt eine Gesamtkonfiguration eines weiteren Beispiels des kontaktlosen Energieversorgungssystems des Fahrzeugs gemäß dem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dar.
5 stellt eine äquivalente Schaltung dar, die bei einer Energieübertragung von einer Energieübertragungsvorrichtung zu einem Fahrzeug bereitgestellt ist.
6 stellt ein Simulationsmodell des Energieübertragungssystems dar.
7 stellt eine Beziehung zwischen einer Abweichung von Eigenfrequenzen der Energieübertragungseinheit und Energieaufnahmeeinheit, und der Energieübertragungseffizienz dar.
8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen einer zum Zeitpunkt eines Änderns eines Luftspalts in einem Zustand, in dem die Eigenfrequenzen fixiert sind, bereitgestellten Energieübertragungseffizienz und einer Frequenz eines der Energieübertragungseinheit zugeführten Stroms darstellt.
9 stellt eine Beziehung zwischen einer Distanz von einer Stromquelle (magnetische Stromquelle) und einer Intensität eines elektromagnetischen Feldes dar.
10 ist eine Darstellung zum Erläutern eines Einflusses einer Positionsbeziehung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit bezüglich der Energieübertragungseffizienz.
11 ist ein Ablaufdiagramm zum Erläutern eines Impedanzanpassungssteuerprozesses, der während eines Parkvorgangs gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ausgeführt wird.
12 stellt ein Beispiel einer Konfiguration dar, in der ein Fahrzeughöhensensor an einer Seite der Energieübertragungsvorrichtung bereitgestellt ist.
13 stellt ein Beispiel eines Verfahrens zum Erfassen einer Fahrzeughöhe unter Verwendung eines RFID dar.
BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Nachfolgend wird das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung detailliert mit Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die gleichen oder entsprechende Teile in den Zeichnungen sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, und eine Beschreibung von diesen wird nicht wiederholt.
(Konfiguration des kontaktlosen Energiezufuhrsystems)
1 stellt eine Gesamtkonfiguration eines kontaktlosen Energieversorgungssystems 10 gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel dar. Bezug nehmend auf 1, umfasst ein kontaktloses Energieversorgungssystem 10 ein Fahrzeug 100 und eine Energieübertragungsvorrichtung 200.
Die Energieübertragungsvorrichtung 200 umfasst eine Energieversorgungsvorrichtung 210 und eine Energieübertragungseinheit 220. Die Energieversorgungsvorrichtung 210 erzeugt eine Wechselstromenergie mit einer vorbestimmten Frequenz. Als ein Beispiel empfängt die Energieversorgungsvorrichtung 210 Energie von einer Netzstromversorgung 400, um eine Wechselstromenergie mit einer hohen Frequenz zu erzeugen, und führt die erzeugte Wechselstromenergie der Energieübertragungseinheit 220 zu. Die Energieübertragungseinheit 220 gibt elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise an eine Energieaufnahmeeinheit 110 des Fahrzeugs 100 über ein um die Energieübertragungseinheit 220 erzeugtes elektromagnetisches Feld aus.
Die Energieversorgungsvorrichtung 210 umfasst weiterhin eine Kommunikationseinheit 230, eine Energieübertragungs-ECU 240 als eine Steuervorrichtung, eine Energieversorgungseinheit 250 und eine Impedanzanpassungseinheit 260. Darüber hinaus umfasst die Energieübertragungseinheit 220 eine Resonanzspule 221, eine Kapazität 222 und eine elektromagnetische Induktionsspule 223.
Die Energieversorgungseinheit 250 wird durch ein Steuersignal MOD von der Energieübertragungs-ECU 240 gesteuert, und konvertiert von einer Wechselstromenergiezufuhr, wie etwa einer Netzstromversorgung 400, empfangene Energie in elektrische Energie mit einer hohen Frequenz. Die Energieversorgungseinheit 250 führt die konvertierte hochfrequente elektrische Energie der elektromagnetischen Induktionsspule 223 über die Impedanzanpassungseinheit 260 zu.
Darüber hinaus gibt die Energieversorgungseinheit 250 eine Energieübertragungsspannung Vtr und einen Energieübertragungsstrom Itr, die entsprechend über einen Spannungssensor und einen Stromsensor erfasst werden, die in den Zeichnungen nicht veranschaulicht sind, an die Energieübertragungs-ECU 240 aus.
Die Impedanzanpassungseinheit 260 ist konfiguriert, um eine Eingangsimpedanz der Energieübertragungseinheit 220 anzupassen, und umfasst typischerweise einen Reaktor bzw. eine Drosselspule und einen Kondensator bzw. eine Kapazität. Beispiele einer spezifischen Konfiguration der Impedanzanpassungseinheit 260 sind in den 2 und 3 gezeigt.
Beispielsweise umfasst die in 2 gezeigte Impedanzanpassungseinheit 260 eine Vielzahl von Abgleichseinheiten 261, 262, 263, die eingestellt sind, um Eingangs-/Ausgangsimpedanzen aufzuweisen, die voneinander unterschiedlich sind. Die Abgleichseinheit 261 umfasst eine Kapazität C1 und eine Drosselspule L10, und ist mit der Energieversorgungseinheit 250 über ein Relais RY11 sowie mit der Energieübertragungseinheit 220 über ein Relais RY12 gekoppelt. Die Abgleichseinheit 262 umfasst eine Kapazität C20 und eine Drosselspule L20, und ist mit der Energieversorgungseinheit 250 über ein Relais RY21 sowie mit der Energieübertragungseinheit 220 über ein Relais RY22 gekoppelt. Die Abgleichseinheit 262 umfasst eine Kapazität C30 und eine Drosselspule L30, und ist mit der Energieversorgungseinheit 250 über ein Relais RY31 sowie mit der Energieübertragungseinheit 220 über ein Relais RY32 gekoppelt. Eine der Vielzahl von Abgleichseinheiten 261, 262, 263 wird durch ein Steuersignal SE10 von der Energieübertragungs-ECU 240 ausgewählt, und ein Relais entsprechend der ausgewählten Abgleichseinheit wird geschlossen.
Die Impedanzanpassungseinheit in 3 umfasst eine Abgleichseinheit 260A, die konfiguriert ist, um eine Impedanz anzupassen. Die Abgleichseinheit 260A umfasst eine Kapazität C40 und eine Drosselspule L40, und die Kapazität C40 und/oder die Drosselspule L40 ist konfiguriert, um variabel zu sein. Die Abgleichseinheit 260A ändert einen Kapazitätswert der Kapazität C40 und/oder eine Reaktanz der Drosselspule L40 basierend auf dem Steuersignal SE10, um die Impedanz auf eine gewünschte Impedanz anzupassen. Durch Verwenden eines solchen variablen Elements kann eine einfache Konfiguration mit einer kleineren Anzahl von Schaltungen als im Vergleich zu der Konfiguration von 2 erreicht werden. Wenn jedoch ein breiterer variabler Bereich benötigt wird, besteht die Möglichkeit, dass das Element in dessen Größe ansteigt oder teuer wird. Daher ist die Konfiguration der Impedanzanpassungseinheit unter Berücksichtigung eines benötigten variablen Bereichs, Kosten und dergleichen geeignet ausgewählt. Die vorstehend beschriebenen variablen Elemente sind nicht auf jene beschränkt, die kontinuierlich den Kapazitätswert und die Reaktanz ändern. Die variablen Elemente können jene sein, die den Kapazitätswert und dergleichen schrittweise durch Umschalten des Kapazitätswerts und der Reaktanz, die in Reihe und/oder parallel verbunden sind, mit Hilfe eines Umschalters wie etwa eines Relais ändern.
Obwohl in den Zeichnungen nicht veranschaulicht, können die Konfigurationen der 2 und 3 kombiniert werden, um eine Konfiguration des Umschaltens einer Vielzahl von variablen Abgleichseinheiten mit unterschiedlichen Anpassungsbereichen zu erlangen. Unter Verwendung einer solchen kombinierten Konfiguration kann ein breiterer Anpassungsbereich erlangt werden, und eine Feinanpassung kann durchgeführt werden. Darüber hinaus ist das Verfahren zum Verbinden der Kapazität und der Drosselspule in der Abgleichseinheit nicht auf die in den 2 und 3 gezeigten Verfahren beschränkt. Beispielsweise kann eine Verbindung wie etwa eine sogenannte T-Typ-Schaltung oder π-Typ-Schaltung angewendet werden.
Wiederum Bezug nehmend auf 1, kann die elektromagnetische Induktionsspule 223 magnetisch mit der Resonanzspule 221 über elektromagnetische Induktion gekoppelt sein. Die elektromagnetische Induktionsspule 223 überträgt die von der Energieversorgungseinheit 250 zugeführte hochfrequente Energie zu der Resonanzspule 221 über elektromagnetische Induktion.
Die Resonanzspule 221 überträgt die von der elektromagnetischen Induktionsspule 223 übertragene elektrische Energie zu der in der Energieaufnahmeeinheit 110 des Fahrzeugs 100 enthaltenen Resonanzspule 111 auf eine kontaktlose Weise. Die Resonanzspule 221 zusammen mit der Kapazität 222 bilden eine LC-Resonanzschaltung. Die Energieübertragung zwischen der Energieaufnahmeeinheit 110 und der Energieübertragungseinheit 220 wird später mit Bezugnahme auf 5 beschrieben.
Die Kommunikationseinheit 230 ist eine Kommunikationsschnittstelle, die konfiguriert ist, um eine drahtlose Kommunikation zwischen der Energieübertragungsvorrichtung 200 und dem Fahrzeug 100 durchzuführen, und führt eine Zustellung von Informationen INFO mit einer Kommunikationseinheit 160 an einer Seite des Fahrzeugs 100 durch. Die Kommunikationseinheit 230 empfängt Fahrzeuginformationen, die von der Kommunikationseinheit 160 an der Seite des Fahrzeugs 100 gesendet wurden, ein Signal, das eine Anweisung zum Starten und Stoppen der Energieübertragung bereitstellt, und dergleichen, und gibt die empfangenen Informationen an die Energieübertragungs-ECU 240 aus. Darüber hinaus sendet die Kommunikationseinheit 230 Informationen einer Übertragungsspannung Vtr, eines Energieübertragungsstroms Itr, und dergleichen, von der Energieübertragungseinheit-ECU 240 an das Fahrzeug 100.
Die Energieübertragungs-ECU 240 umfasst eine CPU (zentrale Verarbeitungseinheit), eine Speichervorrichtung und einen Eingangs-/Ausgangspuffer, wobei keines davon in 1 veranschaulicht ist. Die Energieübertragungs-ECU 240 führt eine Eingabe eines Steuersignals von jedem Sensor oder dergleichen sowie eine Ausgabe eines Steuersignals an jede Vorrichtung durch, und führt eine Steuerung für jede Vorrichtung in der Energieversorgungsvorrichtung 210 durch. Diese Steuerungen sind nicht auf die durch Software ausgeführten Prozesse beschränkt, und können anhand einer zweckbestimmten Hardware (elektronische Schaltung) verarbeitet werden.
Das Fahrzeug 100 umfasst eine Energieaufnahmeeinheit 110, eine Abgleichseinheit 170, einen Gleichrichter 180, eine Spannungserfassungseinheit 181, ein Laderelais CHR 185, eine Energiespeichervorrichtung 190, ein Systemhauptrelais SMR 115, eine Leistungssteuereinheit PCU (Leistungssteuerungseinheit) 120, einen Motorgenerator 130, ein Antriebskraftübertragungsgetriebe 140, ein Antriebsrad 150, eine Fahrzeug-ECU (elektronische Steuereinheit) 300 als eine Steuervorrichtung, eine Kommunikationseinheit 160, einen Spannungssensor 195 und einen Stromsensor 196. Die Energieaufnahmeeinheit 110 umfasst eine Resonanzspule 111, eine Kapazität 112 und eine elektromagnetische Induktionsspule 113.
Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ist ein Elektrofahrzeug als ein Beispiel des Fahrzeugs 100 beschrieben. Jedoch ist die Konfiguration des Fahrzeugs 100 nicht darauf beschränkt, solange es sich um ein Fahrzeug handelt, das zum Fahren unter Verwendung von in der Energiespeichervorrichtung gespeicherter Energie fähig ist. Weitere Beispiele des Fahrzeugs 100 können ein mit einer Maschine ausgestattetes Hybridfahrzeug, ein mit einer Brennstoffzelle ausgestattetes Brennstoffzellenfahrzeug, und dergleichen, umfassen.
Die Resonanzspule 111 nimmt elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der in der Energieübertragungsvorrichtung 200 enthaltenen Resonanzspule 221 auf. Die Resonanzspule 111 bildet zusammen mit der Kapazität 112 eine LC-Resonanzschaltung.
Die elektromagnetische Induktionsspule 113 kann magnetisch mit der Resonanzspule 111 über elektromagnetische Induktion gekoppelt sein. Diese elektromagnetische Induktionsspule 113 verwendet die elektromagnetische Induktion, um durch die Resonanzspule 111 aufgenommene Energie aufzunehmen, und gibt die elektrische Energie über die Abgleichseinheit 170 an den Gleichrichter 180 aus.
Die Abgleichseinheit 170 ist konfiguriert, um eine Eingangsimpedanz einer Last, die durch die Resonanzspule 111 empfangene elektrische Energie zuführt, anzupassen. Die Abgleichseinheit 170 weist eine Konfiguration auf, die beispielsweise gleich jener der in 2 gezeigten Abgleichseinheiten 261, 262, 263 ist.
Der Gleichrichter 180 führt eine Gleichrichtung der von der elektromagnetischen Induktionsspule 113 durch die Abgleichseinheit 170 empfangenen Wechselstromenergie durch, und gibt die gleichgerichtete Gleichstromenergie an die Energiespeichervorrichtung 190 aus. Der Gleichrichter 180 kann beispielsweise eine Diodenbrücke und eine Glättungskapazität (nicht in den Zeichnungen veranschaulicht) umfassen. Als Gleichrichter 180 kann ein so genannter Schaltregler verwendet werden, der eine Gleichrichtung unter Verwendung einer Schaltsteuerung durchführt. Wenn der Gleichrichter 180 in der Energieaufnahmeeinheit 110 enthalten ist, wird vorzugsweise ein statischer Gleichrichter, wie etwa eine Diodenbrücke, angewendet, um eine inkorrekte Operation des Schaltelements aufgrund des erzeugten elektromagnetischen Feldes zu verhindern.
Die Spannungserfassungseinheit 181 umfasst beispielsweise einen Schalter und einen Widerstand, die in Reihe verbunden sind, und einen Spannungssensor, der mit dem Widerstand parallel verbunden ist. Wenn der Schalter geschlossen ist, erfasst die Spannungserfassungseinheit 181 eine Spannung VC zwischen Energieleitungen, die den Gleichrichter 180 und die Energiespeichervorrichtung 190 verbinden. Diese Spannungserfassungseinheit 181 wird, wie später beschrieben wird, zum Durchführen einer Ausrichtung bzw. Justierung zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 während des Parkens des Fahrzeugs 100 an einem Parkplatz der Energieübertragungsvorrichtung 200 verwendet.
Das CHR 185 ist elektrisch zwischen dem Gleichrichter 180 und der Energiespeichervorrichtung 190 verbunden. Das CHR 185 wird durch ein Steuersignal SE2 von der Fahrzeug-ECU 300 gesteuert, und schaltet eine Zufuhr und ein Abtrennen von elektrischer Energie vom Gleichrichter 180 zu der Energiespeichervorrichtung 190 um.
Die Energiespeichervorrichtung 190 ist eine Energiespeicherkomponente, die zum Laden und Entladen fähig ist. Die Energiespeichervorrichtung 190 umfasst beispielsweise eine wiederaufladbare Batterie wie etwa eine Lithiumionenbatterie, eine Nickelhybridbatterie oder eine Bleispeicherbatterie, ein Energiespeicherelement, wie etwa eine elektrische Doppelschichtkapazität, oder dergleichen.
Die Energiespeichervorrichtung 190 ist mit dem Gleichrichter 180 verbunden. Die Energiespeichervorrichtung 190 speichert elektrische Energie, die durch die Energieempfangseinheit 110 empfangen und durch den Gleichrichter 180 gleichgerichtet wurde. Darüber hinaus ist die Energiespeichervorrichtung 190 ebenso mit der PCU 120 über das SMR 115 verbunden. Die Energiespeichervorrichtung 190 führt der PCTU 120 elektrische Energie zum Erzeugen einer Fahrzeugantriebskraft zu. Weiterhin speichert die Energiespeichervorrichtung 190 die durch den Motorgenerator 130 erzeugte elektrische Energie. Eine Ausgabe der Energiespeichervorrichtung 190 beträgt beispielsweise ungefähr 200 V.
Die Energiespeichervorrichtung 190 ist mit einem Spannungssensor und einem Stromsensor ausgestattet, die beide in den Zeichnungen nicht veranschaulicht sind, die konfiguriert sind, um eine Spannung VB der Energiespeichervorrichtung 190 sowie einen eingegebenen und ausgegebenen Strom IB zu erfassen. Diese erfassten Werte werden an die Fahrzeug-ECU 300 ausgegeben. Die Fahrzeug-ECU 300 berechnet einen Ladungszustand (ebenso als "SOC (Zustand der Ladung)" bezeichnet) der Energiespeichervorrichtung 190 basierend auf der Spannung VB und dem Strom IB.
Das SMR 115 ist elektrisch zwischen der Energiespeichervorrichtung 190 und der PCU 120 verbunden. Das SMR 115 wird durch ein Steuersignal SE1 von der Fahrzeug-ECU 300 gesteuert und schaltet eine Zufuhr und ein Abtrennen von elektrischer Energie zwischen der Energiespeichervorrichtung 190 und der PCU 120 um.
Die PCU 120 umfasst einen Konverter und einen Inverter, die beide in den Zeichnungen nicht gezeigt sind. Der Konverter wird durch ein Steuersignal PWC von der Fahrzeug-ECU 300 gesteuert, um die Spannung von der Energiespeichervorrichtung 190 zu konvertieren. Der Inverter wird durch ein Steuersignal PWI von der Fahrzeug-ECU 300 gesteuert, um den Motorgenerator 130 unter Verwendung der durch den Konverter konvertierten elektrischen Energie anzutreiben.
Der Motorgenerator 130 ist eine drehende Wechselstrommaschine. Beispielsweise ist dieser ein Synchronmotor des Permanentmagnetentyps mit einem Rotor, der einen darin verborgenen Permanentmagneten aufweist.
Ein Ausgangsmoment des Motorgenerators 130 wird über das Antriebskraftübertragungsgetriebe 140 an das Antriebsrad 150 übertragen. Das Fahrzeug 100 fährt durch Verwenden dieses Moments. Der Motorgenerator 130 kann elektrische Energie mit Hilfe einer Drehkraft des Antriebsrads 150 während eines regenerativen Bremsvorgangs des Fahrzeugs 100 erzeugen. Die erzeugte elektrische Energie wird durch die PCU 120 zu einer Ladeenergie für die Energiespeichervorrichtung 190 konvertiert.
Darüber hinaus werden in einem Hybridfahrzeug, das mit einer (in den Zeichnungen nicht veranschaulichten) Maschine zusätzlich zum Motorgenerator 130 ausgestattet ist, die Maschine und der Motorgenerator 130 zusammenwirkend betrieben, um eine benötigte Fahrzeugantriebskraft zu erzeugen. In diesem Fall ist es ebenso möglich, die Energiespeichervorrichtung 190 durch Verwenden der durch die Drehung der Maschine erzeugten elektrischen Energie zu laden.
Die Kommunikationseinheit 160 ist eine Kommunikationsschnittstelle, die konfiguriert ist, um eine drahtlose Kommunikation zwischen dem Fahrzeug 100 und der Energieübertragungsvorrichtung 200 durchzuführen, und führt eine Zustellung von Informationen INFO mit der Kommunikationseinheit 230 der Energieübertragungsvorrichtung 200 durch. Die von der Kommunikationseinheit 160 an die Energieübertragungsvorrichtung 200 ausgegebenen Informationen INFO umfassen Fahrzeuginformationen von der Fahrzeug-ECU 300, ein Signal, das ein Starten und Stoppen der Energieübertragung anweist, eine Schaltanweisung für die Impedanzanpassungseinheit 260 der Energieübertragungsvorrichtung 200, und dergleichen.
Die Fahrzeug-ECU 300 umfasst eine CPU, eine Speichervorrichtung und einen Eingangs-/Ausgangspuffer, wobei keines davon in 1 veranschaulicht ist, und führt eine Eingabe eines Signals von jedem Sensor und dergleichen, sowie eine Ausgabe eines Steuersignals an jede Vorrichtung durch, und führt eine Steuerung jeder Vorrichtung im Fahrzeug 100 durch. Diese Steuerungen sind nicht auf die durch Software ausgeführten Prozesse beschränkt, und können mit einer zweckbestimmten Hardware (elektronische Schaltung) verarbeitet werden.
Der Fahrzeughöhensensor 155 ist beispielsweise an einer unteren Fläche der Bodenplatte des Fahrzeugs 100 bereitgestellt und erfasst eine Distanz zwischen der Bodenplatte und dem Boden, mit anderen Worten eine Distanz zwischen der Energieaufnahmeeinheit 110 und der Energieübertragungseinheit 220, in der vertikalen Richtung, und gibt einen erfassten Wert HGT an die Fahrzeug-ECU 300 aus. Die Distanz in der vertikalen Richtung stellt eine Längenkomponente eines Liniensegments dar, das die Energieaufnahmeeinheit 110 und die Energieübertragungseinheit 220 in der vertikalen Richtung bzw. Vertikalrichtung verbindet. Mit anderen Worten entspricht diese der Distanz, die bereitgestellt ist, wenn die Energieaufnahmeeinheit 110 und die Energieübertragungseinheit 220 in einem idealen Zustand zueinander ausgerichtet sind.
Der Spannungssensor 195 ist zwischen Energieleitungen verbunden, die die Erfassungseinheit 181 und das CHR 185 verbinden, und erfasst eine empfangene Energiespannung Vre, die durch die Energieaufnahmeeinheit 110 empfangen wurde. Der Stromsensor 196 ist an einer Energieleitung bereitgestellt, die die Spannungserfassungseinheit 181 und das CHR 185 verbindet, und erfasst einen empfangenen Energiestrom Ire. Die erfassten Werte der empfangenen Energiespannung Vre und des empfangenen Energiestroms Ire werden an die Fahrzeug-ECU 300 gesendet und für eine Berechnung einer Energieübertragungseffizienz verwendet.
Darüber hinaus erfasst die Fahrzeug-ECU 300 während des Parkvorgangs des Fahrzeugs ein Positionsversatzausmaß der Energieaufnahmeeinheit 110 und der Energieübertragungseinheit 220 in der horizontalen Richtung basierend auf der Spannung VC, die während der Aufnahme von elektrischer Energie von der Energieübertragungsvorrichtung 200 bereitgestellt wird. Insbesondere schließt die Fahrzeug-ECU 300 während des Parkvorgangs das Relais der Spannungserfassungseinheit 181 und öffnet das CHR 185. Während des Parkvorgangs erfasst die Spannungserfassungseinheit 181 die gleichgerichtete Gleichstromspannung VC der elektrischen Energie, die von der Energieübertragungsvorrichtung 200 über die Energieübertragung unter Verwendung von elektrischer Energie, die kleiner ist als die im Fall des Ladens der Energiespeichervorrichtung 190 übertragene Energie, empfangen wurde (nachstehend ebenso als "Test-Energieübertragung" bezeichnet). Eine vorbestimmte Beziehung, die detailliert mit Bezugnahme auf 10 beschrieben wird, ist zwischen dem Positionsversatz der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 sowie der empfangenen Energiespannung VC vorhanden. Daher kann der Positionsversatz zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 durch die empfangene Energiespannung VC während des Parkvorgangs bestimmt werden.
In 1 ist jene Konfiguration gezeigt, in der die Energieaufnahmeeinheit 110 und die Energieübertragungseinheit 220 mit elektromagnetischen Induktionsspulen 113 bzw. 223 ausgestattet sind. Es ist ebenso eine Konfiguration möglich, in der eine elektromagnetische Induktionsspule nicht bereitgestellt ist, gleichermaßen der Energieaufnahmeeinheit 110A und der Energieübertragungseinheit 220A im kontaktlosen Energieversorgungssystem 10A von 4. In diesem Fall ist die Resonanzspule 221A mit der Energieversorgungseinheit 250 in der Energieübertragungseinheit 220A verbunden, und die Resonanzspule 111A ist mit dem Gleichrichter 180 in der Energieaufnahmeeinheit 110A verbunden.
Darüber hinaus kann als eine Einrichtung zum Anpassen der Impedanz in einem Fahrzeug ein DC-DC-Konverter 170A, der konfiguriert ist, um eine Spannungsumsetzung des durch den Gleichrichter 180 gleichgerichteten Gleichstromspannung durchzuführen, anstatt der Abgleichseinheit 170 bereitgestellt sein, wie in 4 gezeigt ist. Alternativ können die Abgleichseinheit 170 und der DC-DC-Konverter 170A zusammen verwendet werden.
(Prinzip der Energieübertragung)
5 stellt ein Ersatzschaltbild bezüglich des Zeitpunkts der Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 200 zum Fahrzeug 100 dar. Bezug nehmend auf 5, umfasst die Energieübertragungseinheit 220 der Energieübertragungsvorrichtung 200 eine Resonanzspule 221, eine Kapazität 222 und eine elektromagnetische Induktionsspule 223.
Die elektromagnetische Induktionsspule 223 ist beispielsweise im Wesentlichen einachsig mit der Resonanzspule 221 bereitgestellt, während diese um eine vorbestimmte Distanz von der Resonanzspule 221 entfernt ist. Die elektromagnetische Induktionsspule 223 ist magnetisch mit der Resonanzspule 221 über elektromagnetische Induktion gekoppelt, und führt eine hochfrequente Energie, die von der Energieversorgungsvorrichtung 210 zugeführt wird, der Resonanzspule 221 über elektromagnetische Induktion zu.
Die Resonanzspule 221 bildet zusammen mit der Kapazität 222 eine LC-Resonanzschaltung. Wie später beschrieben wird, ist die LC-Resonanzschaltung ebenso an der Energieaufnahmeeinheit 110 des Fahrzeugs 100 ausgebildet. Eine Differenz zwischen einer Eigenfrequenz der LC-Resonanzschaltung, die durch die Resonanzspule 221 und die Kapazität 222 gebildet wird, und einer Eigenfrequenz der LC-Resonanzschaltung der Energieaufnahmeeinheit 110 ist kleiner oder gleich ±10% der erstgenannten Eigenfrequenz oder der letztgenannten Eigenfrequenz. Die Resonanzspule 221 empfängt elektrische Energie von der elektromagnetischen Induktionsspule 223 mittels elektromagnetischer Induktion, und überträgt die elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise an die Energieaufnahmeeinheit 110 des Fahrzeugs 100.
Die elektromagnetische Induktionsspule 223 ist bereitgestellt, um eine Zufuhr von elektrischer Energie von der Energieversorgungsvorrichtung 210 zu der Resonanzspule 221 zu begünstigen. Die Energieversorgungsvorrichtung 210 kann direkt mit der Resonanzspule 221 verbunden sein, ohne die elektromagnetische Induktionsspule 223 bereitzustellen. Darüber hinaus ist die Kapazität 222 bereitgestellt, um die Eigenfrequenz der Resonanzschaltung anzupassen. Die Konfiguration des Nichtbereitstellens der Kapazität 222 kann angewendet werden, wenn eine gewünschte Eigenfrequenz mit Verwendung der Streukapazität der Resonanzspule 221 erhalten werden kann.
Die Energieaufnahmeeinheit 110 des Fahrzeugs 100 umfasst die Resonanzspule 111, die Kapazität 112 und die elektromagnetische Induktionsspule 113. Die Resonanzspule 111 bildet zusammen mit der Kapazität 112 eine LC-Resonanzschaltung. Wie vorstehend beschrieben, liegt die Differenz zwischen der Eigenfrequenz der LC-Resonanzschaltung, die durch die Resonanzspule 111 und die Kapazität 112 gebildet wird, und der Eigenfrequenz der LC-Resonanzschaltung, die durch die Resonanzspule 221 und die Kapazität 222 in der Energieübertragungseinheit 220 der Energieübertragungsvorrichtung 200 gebildet wird, innerhalb von ±10% der erstgenannten Eigenfrequenz oder der letztgenannten Eigenfrequenz. Die Resonanzspule 111 empfängt elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der Energieübertragungseinheit 220 der Energieübertragungsvorrichtung 200.
Die elektromagnetische Induktionsspule 113 ist um eine vorbestimmte Distanz von der Resonanzspule 111 beabstandet, und ist beispielsweise im Wesentlichen einachsig mit der Resonanzspule 111 bereitgestellt. Die elektromagnetische Induktionsspule ist magnetisch mit der Resonanzspule 111 durch elektromagnetische Induktion gekoppelt und nimmt die von der Resonanzspule 111 durch elektromagnetische Induktion aufgenommene elektrische Energie auf, und gibt die elektrische Energie an eine elektrische Lastvorrichtung 118 aus. Die elektrische Lastvorrichtung 118 ist eine elektrische Ausstattung, die durch die Energieaufnahmeeinheit 110 aufgenommene elektrische Energie verwendet. Insbesondere schließt diese den Gleichrichter 180 (1) und eine nachfolgende elektrische Ausstattung ein.
Die elektromagnetische Induktionsspule 113 ist bereitgestellt, um eine Aufnahme von elektrischer Energie von der Resonanzspule 111 zu begünstigen. Der Gleichrichter 180 kann direkt mit der Resonanzspule 111 verbunden sein, ohne die elektromagnetische Induktionsspule 113 bereitzustellen. Darüber hinaus ist die Kapazität 112 bereitgestellt, um die Eigenfrequenz der Resonanzschaltung anzupassen. Die Konfiguration des Nichtbereitstellens der Kapazität 112 kann angewendet werden, wenn eine gewünschte Eigenfrequenz durch Verwenden einer Streukapazität der Resonanzspule 111 erhalten werden kann.
In der Energieübertragungsvorrichtung 200 wird eine Wechselstromenergie mit einer hohen Frequenz von der Energieversorgungsvorrichtung 210 zu der elektromagnetischen Induktionsspule 223 zugeführt, und die Energie wird unter Verwendung der elektromagnetischen Induktionsspule 223 zu der Resonanzspule 221 zugeführt. In diesem Fall bewegt sich die Energie (elektrische Energie) von der Resonanzspule 221 zu der Resonanzspule 111 durch ein zwischen der Resonanzspule 221 und der Resonanzspule 111 des Fahrzeugs 100 gebildetes magnetisches Feld. Die Energie (elektrische Energie), die zu der Resonanzspule 111 bewegt wurde, wird unter Verwendung der elektromagnetischen Induktionsspule 113 aufgenommen und an die elektrische Lastvorrichtung 118 des Fahrzeugs 100 übertragen.
Wie vorstehend beschrieben, ist in diesem Energieübertragungssystem die Differenz zwischen der Eigenfrequenz der Energieübertragungseinheit 220 der Energieübertragungsvorrichtung 200 und der Eigenfrequenz der Energieaufnahmeeinheit 110 des Fahrzeugs kleiner oder gleich ±10% der Eigenfrequenz der Energieübertragungseinheit 220 oder der Eigenfrequenz der Energieaufnahmeeinheit 110. Ein Einstellen der Eigenfrequenzen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110, um innerhalb eines solchen Bereichs zu liegen, kann die Energieübertragungseffizienz verbessern. Wenn andererseits die vorstehend beschriebene Differenz der Eigenfrequenzen größer als ±10% ist, wird die Energieübertragungseffizienz weniger als 10%, und negative Effekte können auftreten, wie etwa eine Ausweitung der Energieübertragungszeit.
Die Eigenfrequenz der Energieübertragungseinheit 220 (Energieaufnahmeeinheit 110) repräsentiert eine Schwingungsfrequenz, die in dem Fall bereitgestellt ist, in dem die elektrische Schaltung (Resonanzschaltung), die die Energieübertragungseinheit 220 (Energieaufnahmeeinheit 110) bildet, schwingt. In der elektrischen Schaltung (Resonanzschaltung), die die Energieübertragungseinheit 220 (Energieaufnahmeeinheit 110) bildet, wird die Eigenfrequenz, die bereitgestellt wird, wenn die Bremskraft oder der elektrische Widerstand im Wesentlichen Null ist, ebenso als die Resonanzfrequenz der Energieübertragungseinheit 220 (Energieaufnahmeeinheit 110) bezeichnet.
Bezug nehmend auf die 6 und 7, wird ein Simulationsergebnis einer Analyse bezüglich der Beziehung zwischen der Differenz der Eigenfrequenzen und der Energieübertragungseffizienz beschrieben. 6 stellt ein Simulationsmodell des Energieübertragungssystems dar. Darüber hinaus stellt 7 eine Beziehung zwischen der Abweichung der Eigenfrequenzen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit und Energieübertragungseffizienz dar.
Bezug nehmend auf 6, umfasst ein Energieübertragungssystem 89 eine Energieübertragungseinheit 90 und eine Energieaufnahmeeinheit 91. Die Energieübertragungseinheit 90 umfasst eine erste Spule 92 und eine zweite Spule 93. Die zweite Spule 93 umfasst eine Resonanzspule 94 und eine an der Resonanzspule 94 bereitgestellte Kapazität 95. Die Energieaufnahmeeinheit 91 umfasst eine dritte Spule 96 und eine vierte Spule 97. Die dritte Spule 96 umfasst eine Resonanzspule 99 und eine mit dieser Resonanzspule 99 verbundene Kapazität 98.
Eine Induktanz der Resonanzspule 94 ist durch eine Induktanz Lt dargestellt, und ein Kapazitätswert der Kapazität 95 ist durch eine Kapazität C1 dargestellt. Darüber hinaus ist eine Induktanz der Resonanzspule 99 durch eine Induktanz Lr dargestellt, und ein Kapazitätswert der Kapazität 98 ist durch eine Kapazität C2 dargestellt. Durch Einstellen jedes Parameters auf eine solche Weise wird eine Eigenfrequenz f1 der zweiten Spule 93 durch die folgende Formel (1) ausgedrückt, und eine Eigenfrequenz f2 der dritten Spule 96 wird durch die folgende Formel (2) ausgedrückt. f1 = 1/{2π(Lt × C1)^1/2} (1) f2 = 1/{2π(Lr × C2)^1/2} (2)
In dem Fall, in dem die Induktanz Lr und die Kapazitäten C1, C2 fixiert sind und nur die Induktanz Lt geändert wird, ist die Beziehung zwischen der Abweichung der Eigenfrequenz der zweiten Spule 93 und der dritten Spule 96 und der Energieübertragungseffizienz in 7 gezeigt. In dieser Simulation ist die relative Positionsbeziehung zwischen der Resonanzspule 94 und der Resonanzspule 99 fixiert, und eine Frequenz eines der zweiten Spule 93 zugeführten Stroms ist konstant.
In dem in 7 gezeigten Graphen stellt die horizontale Achse die Abweichung (%) der Eigenfrequenzen dar, und die vertikale Achse stellt die Energieübertragungseffizienz (%) des Stroms der konstanten Frequenz dar. Die Abweichung (%) der Eigenfrequenzen wird durch die folgende Formel (3) ausgedrückt. (Abweichung der Eigenfrequenzen) = {(f1 – f2)/f2} × 100(%) (3)
Wie aus 7 ersichtlich wird, wenn die Abweichung (%) der Eigenfrequenzen 0% beträgt, liegt die Energieübertragungseffizienz nahe 100%. Wenn die Abweichung (%) der Eigenfrequenzen innerhalb von ±5% liegt, beträgt die Energieübertragungseffizienz ungefähr 40%. Wenn die Abweichung (%) der Eigenfrequenzen innerhalb ±10% liegt, beträgt die Energieübertragungseffizienz ungefähr 10%. Wenn die Abweichung (%) der Eigenfrequenzen innerhalb von ±15% liegt, beträgt die Energieübertragungseffizienz ungefähr 5%. Mit anderen Worten kann ein Einstellen der Eigenfrequenzen der zweiten Spule 93 und der dritten Spule 96, sodass ein Absolutwert der Abweichung (%) der Eigenfrequenzen (die Differenz der Eigenfrequenzen) innerhalb eines Bereichs von kleiner oder gleich 10% der Eigenfrequenz der dritten Spule 96 fällt, die Energieübertragungseffizienz auf ein geeignetes Niveau verbessern. Weiterhin gilt vorzugsweise, die Eigenfrequenzen der zweiten Spule 93 und der dritten Spule 96 einzustellen, sodass ein Absolutwert der Abweichung (%) der Eigenfrequenzen kleiner oder gleich 5% der Eigenfrequenz der dritten Spule 96 wird, da dies weiterhin die Energieübertragungseffizienz verbessern kann. Als Simulationssoftware wurde eine elektromagnetische Feldanalysesoftware (JMAG (eingetragenes Warenzeichen), produziert von JSOL Corporation) angewendet.
Wiederum Bezug nehmend auf 5, übertragen die Energieübertragungseinheit 220 der Energieübertragungsvorrichtung 200 und die Energieaufnahmeeinheit 110 des Fahrzeugs 100 elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise durch ein magnetisches Feld, das zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 gebildet ist und bei einer bestimmten Frequenz schwingt, und/oder ein elektrisches Feld, das zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 gebildet ist und bei einer bestimmten Frequenz schwingt. Ein Kopplungskoeffizient κ zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 ist vorzugsweise kleiner oder gleich 0,1, und ein Schwingen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 mit Hilfe eines elektromagnetischen Feldes ermöglicht eine Übertragung von elektrischer Energie von der Energieübertragungseinheit 220 zu der Energieaufnahmeeinheit 110.
Das magnetische Feld mit einer bestimmten Frequenz, das um die Energieübertragungseinheit 220 gebildet ist, wird nun beschrieben. Das "magnetische Feld mit einer bestimmten Frequenz" weist typischerweise eine Beziehung zu der Energieübertragungseffizienz und der Frequenz des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms auf. Daher wird zunächst eine Beziehung zwischen der Energieübertragungseffizienz und der Frequenz des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms beschrieben. Die zum Zeitpunkt der Übertragung von elektrischer Energie von der Energieübertragungseinheit 220 zu der Energieaufnahmeeinheit 110 bereitgestellte Energieübertragungseffizienz wird durch verschiedene Faktoren, wie etwa einer Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110, geändert. Beispielsweise wird die Eigenfrequenz (Resonanzfrequenz) der Energieübertragungseinheit 220 und der Aufnahmeeinheit 110 als f0 bezeichnet, und eine Frequenz eines der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms wird als f3 bezeichnet, und ein Luftspalt zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 wird als ein Luftspalt AG bezeichnet.
8 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der während einer Änderung des Luftspalts AG in einem Zustand, in dem die Eigenfrequenz f0 fixiert ist, bereitgestellten Energieübertragungseffizienz und der Frequenz f3 eines der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms darstellt. Bezug nehmend auf 8, bezeichnet die horizontale Achse die Frequenz f3 des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms, und die vertikale Achse bezeichnet eine Energieübertragungseffizienz (%). Eine Effizienzlinie L1 repräsentiert schematisch eine Beziehung zwischen der Energieübertragungseffizienz mit einem kleinen Luftspalt AG und der Frequenz f3 des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms. Wie durch die Effizienzlinie L1 angegeben ist, wenn der Luftspalt AG klein ist, treten Spitzen der Energieübertragungseffizienz an den Frequenzen f4, f5 (f4 < f5) auf. Wenn der Luftspalt AG eingestellt ist, um groß zu sein, werden die beiden Spitzen, die während des Vorliegens einer hohen Energieübertragungseffizienz bereitgestellt sind, geändert, um einander näher zu kommen. Wie durch eine Effizienzlinie L2 angegeben ist, wenn der Luftspalt AG eingestellt ist, um größer zu sein als eine vorbestimmte Distanz, ist eine Spitze der Energieübertragungseffizienz bereitgestellt. Daher ist die Spitze der Energieübertragungseffizienz bereitgestellt, wenn die Frequenz des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms bei der Frequenz f6 liegt. Wenn der Luftspalt AG eingestellt ist, um noch größer zu sein als der Zustand der Effizienzlinie L2, wird die Spitze der Energieübertragungseffizienz klein, wie durch eine Effizienzlinie L3 angegeben ist.
Beispielsweise kann das nachfolgende Verfahren als ein Verfahren zum Verbessern der Energieübertragungseffizienz in Betracht gezogen werden. Als das erste Verfahren kann in Betracht gezogen werden, die Frequenz eines der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms in Übereinstimmung mit einem Luftspalt AG zu fixieren und die Kapazitätswerte der Kapazität 222 und der Kapazität 112 zu ändern, um dadurch die Charakteristik der Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 zu ändern. Insbesondere werden die Kapazitätswerte der Kapazität 222 und der Kapazität 112 derart angepasst, dass die Energieübertragungseffizienz die Spitze in dem Zustand erreicht, in dem die Frequenz des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms fixiert ist. Bei diesem Verfahren ist die Frequenz des zu der Energieübertragungseinheit 220 und Energieaufnahmeeinheit 110 fließenden Stroms ungeachtet der Größe des Luftspalts AG konstant.
Darüber hinaus wird als das zweite Verfahren die Frequenz des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms basierend auf der Größe des Luftspalts AG angepasst. Beispielsweise wird in dem Fall, in dem die Energieübertragungscharakteristik die Effizienzlinie L1 annimmt, der Strom mit der Frequenz f4 oder f5 der Energieübertragungseinheit 220 zugeführt. In dem Fall, in dem die Frequenzcharakteristik die Effizienzlinien L2, L3 einnimmt, wird der Strom mit der Frequenz f6 der Energieübertragungseinheit 220 zugeführt. In diesem Fall wird die Frequenz des zu der Energieübertragungseinheit 220 und Energieaufnahmeeinheit 110 fließenden Stroms gemäß der Größe des Luftspalts AG geändert.
Im ersten Verfahren nimmt die Frequenz des in die Energieübertragungseinheit 220 fließenden Stroms eine fixierte und konstante Frequenz ein. Im zweiten Verfahren nimmt die Frequenz in der Energieübertragungseinheit 220 eine Frequenz ein, die geeignet gemäß dem Luftspalt AG geändert wird. Im ersten Verfahren oder im zweiten Verfahren wird der Strom, der eine bestimmte Frequenz aufweist, um die Energieübertragungseffizienz zu steigern, der Energieübertragungseinheit 220 zugeführt. Mit dem Strom einer bestimmten Frequenz, der in die Energieübertragungseinheit 220 fließt, wird ein magnetisches Feld (elektromagnetisches Feld), das bei einer bestimmten Frequenz schwingt, um die Energieübertragungseinheit 220 gebildet. Die Energieaufnahmeeinheit 110 empfängt elektrische Energie von der Energieübertragungseinheit 220 über ein magnetisches Feld, das zwischen der Energieaufnahmeeinheit 110 und der Energieübertragungseinheit 220 gebildet ist und bei einer bestimmten Frequenz schwingt. Daher ist das "magnetische Feld, das bei einer bestimmten Frequenz schwingt" nicht immer auf ein magnetisches Feld mit einer fixierten Frequenz beschränkt.
Im vorstehend beschriebenen Beispiel wird die Frequenz des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms eingestellt, während der Fokus auf den Luftspalt AG gelegt wird. Weil jedoch die Energieübertragungseffizienz ebenso durch andere Faktoren geändert werden kann, wie etwa einem Versatz der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 in der horizontalen Richtung, liegt ein Fall vor, in dem die Frequenz des der Energieübertragungseinheit 220 zugeführten Stroms basierend auf anderen Faktoren angepasst wird.
In der vorstehenden Beschreibung wurde das Beispiel des Anwendens einer spiralförmigen Spule als eine Resonanzspule beschrieben. Jedoch gilt in dem Fall, in dem eine Antenne, wie etwa eine Mäanderleitung, als eine Resonanzspule angewendet wird, dass der Strom mit einer bestimmten Frequenz in die Energieübertragungseinheit 220 fließt, sodass ein elektrisches Feld einer bestimmten Frequenz um die Energieübertragungseinheit 220 gebildet wird. Dabei wird durch dieses elektrische Feld die Energieübertragung zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 durchgeführt.
In diesem Energieübertragungssystem wird eine Verbesserung der Energieübertragungs- und Energieaufnahmeeffizienz durch Verwenden eines Nahfelds (evaneszentes Feld) bestrebt, in dem ein "statisches elektromagnetisches Feld" des elektromagnetischen Feldes dominant ist.
9 stellt eine Beziehung zwischen einer Distanz von einer Stromquelle (magnetische Stromquelle) und einer Intensität eines elektromagnetischen Feldes dar. Bezug nehmend auf 9, umfasst das elektromagnetische Feld drei Komponenten. Die Linie k1 ist eine Komponente, die umgekehrt proportional zu einer Distanz von einer Wellenquelle verläuft, und wird als ein "strahlenförmiges elektromagnetisches Feld" bezeichnet. Die Linie k2 ist eine Komponente, die umgekehrt proportional zu einem Quadrat einer Distanz von einer Wellenquelle verläuft, und wird als ein "induktionselektromagnetisches Feld" bezeichnet. Darüber hinaus ist die Linie k3 eine Komponente, die umgekehrt proportional zu einer dritten Potenz einer Distanz von einer Wellenquelle verläuft, und wird als ein "statisches elektromagnetisches Feld" bezeichnet. Wenn die Wellenlänge des elektromagnetischen Feldes durch "λ" ausgedrückt wird, kann die Distanz, bei der die Intensitäten des "strahlenförmigen elektromagnetischen Feldes", des "induktionselektromagnetischen Feldes" und des "statischen elektromagnetischen Feldes" gleich sind, durch λ/2π ausgedrückt werden.
Das "statische elektromagnetische Feld" ist ein Bereich, in dem die Intensität der elektromagnetischen Welle drastisch mit der Distanz von der Wellenquelle abfällt. Im Energieübertragungssystem gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird eine Übertragung von Energie (Leistung) durch Verwenden eines Nahfeldes (evaneszentes Feld), in dem das "statische elektromagnetische Feld" dominant ist, durchgeführt. Mit anderen Worten werden im Nahfeld, wo das "statische elektromagnetische Feld" dominant ist, die Energieübertragungseinheit 220 und die Energieaufnahmeeinheit 110 (beispielsweise ein Paar von LC-Resonanzspulen) mit nahe beieinander liegenden Eigenfrequenzen in Resonanz gebracht, um Energie (elektrische Energie) von der Energieübertragungseinheit 220 zu der Energieaufnahmeeinheit 110 zu übertragen. Weil dieses "statische elektromagnetische Feld" Energie nicht zu einem entfernten Ort verbreitet, kann das Resonanzverfahren Energie mit weniger Energieverlust übertragen als im Vergleich zu elektromagnetischen Wellen, die Energie (elektrische Energie) durch Propagieren von Energie mit einem "strahlenförmigen elektromagnetischen Feld" übertragen.
Wie vorstehend beschrieben, wird in diesem Energieübertragungssystem elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 dadurch übertragen, dass der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 mit einem elektromagnetischen Feld in Resonanz gebracht werden. Ein Kopplungskoeffizient (κ) zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 ist beispielsweise vorzugsweise kleiner oder gleich 0,3, und weiterhin vorzugsweise kleiner oder gleich 0,1. Selbstverständlich kann der Bereich des Kopplungskoeffizienten (κ) zwischen ungefähr 0,1 bis 0,3 ebenso angewendet werden. Der Kopplungskoeffizient (κ) ist nicht auf einen solchen Wert beschränkt und kann verschiedene Werte einnehmen, die eine gute Energieübertragung erlangen.
Die vorstehend beschriebene Kopplung zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 bei der Energieübertragung wird beispielsweise als "magnetische Resonanzkopplung", "Magnetfeldresonanzkopplung", "Elektromagnetfeldresonanzkopplung", "Kraftfeldresonanzkopplung", und dergleichen, bezeichnet. Die "Elektromagnetfeldresonanzkopplung" bedeutet ein Koppeln umfassend alle der "magnetischen Resonanzkopplung", der "Magnetfeldresonanzkopplung" und der "Kraftfeldresonanzkopplung".
In dem Fall, in dem die Energieübertragungseinheit 220 und die Energieaufnahmeeinheit 110 wie vorstehend beschrieben durch Spulen gebildet sind, werden die Energieübertragungseinheit 220 und die Energieaufnahmeeinheit 110 hauptsächlich durch das magnetische Feld gekoppelt, sodass die "magnetische Resonanzkopplung" oder "Magnetfeldresonanzkopplung" gebildet wird. Es ist ebenso möglich, eine Antenne, wie etwa eine Mäanderleitung, für die Energieübertragungseinheit 220 und die Energieaufnahmeeinheit 110 anzuwenden. In diesem Fall werden die Energieübertragungseinheit 220 und die Energieaufnahmeeinheit 110 hauptsächlich durch ein elektrisches Feld gekoppelt, sodass eine "Kraftfeldresonanzkopplung" gebildet wird.
(Impedanzanpassungssteuerung)
In dem vorstehend beschriebenen kontaktlosen Energieversorgungssystem gilt vorzugsweise, dass die Impedanzen zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit ideal übereinstimmen, um die Energieübertragungseffizienz zu verbessern. Im Allgemeinen sind bei der Konstruktion bzw. der Ausgestaltung die Impedanzen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit derart eingestellt, dass die Energieübertragungseffizienz in jenem Zustand maximal wird, in dem sich die Positionsbeziehung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit (die Distanz in der vertikalen Richtung und in der horizontalen Richtung) in der idealen Positionsbeziehung befindet.
In dem Fall, in dem ein Positionsversatz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in der horizontalen Richtung während des Parkvorgangs auftritt, oder in dem Fall, in dem die Höhe der Energieaufnahmeeinheit an der Fahrzeugseite (mit anderen Worten die Fahrzeughöhe) aufgrund der Anzahl von Insassen oder des Gewichts von Gepäck geändert wird, weicht die Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit vom idealen Zustand ab, der zum Zeitpunkt der Ausgestaltung bzw. des Designens bereitgestellt wurde, sodass eine Verminderung der Energieübertragungseffizienz auftreten kann.
Jedoch ist es für einen Nutzer sehr schwierig, das Fahrzeug während des Parkvorgangs an der idealen Position der Ausgestaltung zu stoppen, und die Anzahl von Insassen sowie das Gewicht einer Last können sich ändern, so dass die finale gestoppte Position eines Fahrzeugs in einem Zustand sein kann, in dem ein ziemlicher Positionsversatz von der optimalen Position auftritt.
Daher wird im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel eine Führung bzw. Leitung einer Parkposition für einen Nutzer durchgeführt, sodass ein Parken bei einer so ideal wie möglichen Position während des Parkvorgangs durchgeführt werden kann, und die Impedanzsteuerung zum Verbessern der Energieübertragungseffizienz soweit wie möglich für die finale Parkposition nach dem Parkvorgang ausgeführt wird.
10 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Einflusses der Positionsbeziehung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit (ein Positionsversatz der Fahrzeughöhe und der horizontalen Richtung) bezüglich der Energieübertragungseffizienz. In 10 bezeichnet die horizontale Achse das Ausmaß des Positionsversatzes zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in der horizontalen Richtung, und die vertikale Achse bezeichnet die Energieübertragungseffizienz. Als das Ausmaß des Positionsversatzes ist der Positionsversatz in der Rückwärtsrichtung des Fahrzeugs durch einen negativen Wert angegeben, wenn beispielsweise ein positiver Wert den Fall angibt, wo die Position der Energieaufnahmeeinheit bezüglich der Position der Energieübertragungseinheit in der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs versetzt ist. Darüber hinaus wird der Positionsversatz in der Linksrichtung bezüglich der Vorwärtsrichtung durch einen negativen Wert angegeben, wenn ein positiver Wert den Fall angibt, in dem die Position der Energieaufnahmeeinheit bezüglich der Position der Energieübertragungseinheit in der Rechtsrichtung bezüglich der Vorwärtsrichtung des Fahrzeugs versetzt ist.
Bezug nehmend auf 10, stellt eine Linie W10 in 10 eine Änderung der Energieübertragungseffizienz in dem Fall dar, in dem sich die Energieübertragungseinheit und die Energieaufnahmeeinheit in der idealen Positionsbeziehung gemäß der Ausgestaltung befinden. In diesem Fall ist eine Einzelspitzencharakteristik mit einer Spitze bereitgestellt, wo die Energieübertragungseffizienz maximal wird, wenn das Ausmaß eines Positionsversatzes Null ist, und die Energieübertragungseffizienz wird graduell gesenkt, wenn das Ausmaß eines Positionsversatzes größer wird.
Wenn die Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in der vertikalen Richtung (Fahrzeughöhe) größer wird als der ideale Zustand, wird ein zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit gebildetes elektromagnetisches Feld abgeschwächt. Daher wird gemäß einer Linie W11 in 10 die Gesamtenergieübertragungseffizienz in jenem Zustand gesenkt, in dem die Einzelspitzencharakteristik bereitgestellt ist.
Wenn andererseits die Fahrzeughöhe niedriger als der ideale Zustand wird, steigt die elektrische Energie (Reflexionsenergie), die durch die Energieaufnahmeeinheit reflektiert wird und nicht zu der Energieaufnahmeeinheit unter der übertragenen Energie übertragen werden kann, graduell aufgrund der Änderungen der Impedanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit an. Daher wird, wie durch Linien W12, W13 in 10 angegeben ist, wenn die Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in der vertikalen Richtung aufgrund einer kleinen Fahrzeughöhe kleiner wird, die Energieübertragungseffizienz in dem Fall gesenkt, in dem das Ausmaß des Positionsversatzes Null ist, sodass die Doppelspitzencharakteristik bereitgestellt ist, wo Spitzen der Energieübertragungseffizienz an von der Position im idealen Zustand versetzten Positionen auftreten.
In einem solchen Zustand, wo die Doppelspitzencharakteristik bereitgestellt ist, ist es nicht immer einfach, mit der Energieübertragungseffizienz das Ausmaß eines Positionsversatzes zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit während des Parkvorgangs zu bestimmen. Weiterhin nähert sich in dem Fall, in dem der Parkvorgang gemäß der Energieübertragungseffizienz mit der Doppelspitzencharakteristik durchgeführt wird, wenn die Fahrzeughöhe durch Aussteigen eines Insassen oder Herausnehmen von Gepäck nach dem Parkvorgang erhöht wird, die Charakteristik der Energieübertragungseffizienz der Einzelspitzencharakteristik an. Daher kann die Energieübertragungseffizienz im Gegensatz aufgrund des Effekts des Positionsversatzes verschlechtert werden. Daher wäre es im Fall des Durchführens einer Führung bezüglich der Parkposition basierend auf der Energieübertragungseffizienz notwendig, die Charakteristik der Energieübertragungseffizienz zu rendern, um die Einzelspitzencharakteristik zu erhalten.
Im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel wird die Impedanz an der Seite der Energieübertragungsvorrichtung gemäß der Fahrzeughöhe angepasst, sodass die Charakteristik der Energieübertragungseffizienz die Einzelspitzencharakteristik vor Starten des Parkvorgangs oder während des Parkvorgangs bei der Führung bezüglich der Parkposition für den Nutzer während des Parkvorgangs erreicht. Demzufolge kann die Ausrichtung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit durch den Nutzer während des Parkvorgangs bequem durchgeführt werden.
Die Energieübertragungseffizienz wird durch ein Verhältnis der aufgenommenen Energie in der Energieaufnahmeeinheit bezüglich der übertragenen Energie von der Energieübertragungseinheit ausgedrückt. Wenn daher die Impedanz der Last konstant ist, kann die Energieübertragungseffizienz als eine empfangene Energiespannung an der Energieaufnahmeseite ausgedrückt werden. Daher kann die Energieübertragungseffizienz durch Erfassen einer gleichgerichteten empfangenen Energiespannung VC während des Parkvorgangs in der Spannungserfassungseinheit 181 in 1 evaluiert werden.
Darüber hinaus wird im gegenwärtigen Ausführungsbeispiel, nachdem der Parkvorgang abgeschlossen ist, das finale Ausmaß eines Positionsversatzes in der horizontalen Richtung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit aus der Energieübertragungseffizienz bestimmt, und die Impedanz auf der Seite der Energieübertragungseinheit wird weiterhin angepasst, sodass die Energieübertragungseffizienz der Doppelspitzencharakteristik erhalten wird, die bewirkt, dass die Energieübertragungseffizienz bei diesem Ausmaß des Positionsversatzes hoch ist. Demzufolge kann die Energieübertragungseffizienz weiterhin verbessert werden.
11 ist ein Ablaufdiagramm zum Erläutern des Impedanzanpassungssteuerprozesses, der während des Parkvorgangs gemäß dem gegenwärtigen Ausführungsbeispiel ausgeführt wird. In 11 sind der durch die Fahrzeug-ECU 300 an der Seite des Fahrzeugs 100 ausgeführte Prozess sowie der durch die Energieübertragungs-ECU 240 an der Seite der Energieübertragungsvorrichtung 200 ausgeführte Prozess gezeigt. Jeder der Schritte des in 11 gezeigten Ablaufdiagramms wird durch Aufruf von einer Hauptroutine eines zuvor in der Fahrzeug-ECU 300 und der Energieübertragungs-ECU 240 gespeicherten Programms sowie Ausführen des Programms zu einem vorgegebenen Zyklus oder als Antwort auf ein Ereignis, dass eine vorbestimmte Bedingung erfüllt ist, erlangt. Alternativ kann der Prozess für einige Schritte ebenso durch Konstruieren einer zweckgebundenen Hardware (elektronische Schaltung) erlangt werden.
Bezug nehmend auf die 1 und 11, bestimmt die Fahrzeug-ECU 300 in Schritt (nachstehend ist Schritt mit "S" abgekürzt) 100, ob der Parkvorgang bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung 200 zum Laden auf eine kontaktlose Weise gestartet ist oder nicht. Die Bestimmung des Startens des Parkvorgangs umfasst nicht nur den Fall, in dem das Fahrzeug tatsächlich zum Parkplatz der Energieübertragungsvorrichtung 200 bewegt wird, sondern ebenso den Fall, in dem durch einen Steuerungsschalter oder dergleichen eine Einstellung durchgeführt wird, um dem Nutzer zu ermöglichen, den Parkvorgang in dem Zustand durchzuführen, in dem das Fahrzeug gestoppt ist.
In dem Fall, in dem der Parkvorgang nicht gestartet ist (NEIN in S100), ist die Impedanzsteuerung nicht notwendig. Daher beendet die Fahrzeug-ECU 300 den Prozess.
In dem Fall, in dem der Parkvorgang gestartet ist (JA in S100), fährt der Prozess zu S110 fort, und die Fahrzeug-ECU 300 erfasst Informationen HGT, die die Fahrzeughöhe angeben, vom Fahrzeughöhensensor 155 und überträgt die erfassten Fahrzeughöheninformationen an die Energieübertragungsvorrichtung 200 über eine drahtlose Kommunikation.
Die Energieübertragungs-ECU 240 empfängt die Fahrzeughöheninformationen vom Fahrzeug 100 (S300) und führt die Impedanzanpassung aus, sodass die Energieübertragungseffizienz die Einzelspitzencharakteristik in Übereinstimmung mit der Fahrzeughöhe aufweist (S310).
In S120 schließt die Fahrzeug-ECU 300 zur Erfassung einer Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 basierend auf der Energieübertragungseffizienz ein Relais der Spannungserfassungseinheit 181, um einen Widerstand für eine Distanzerfassung zu verbinden, und öffnet das CHR 185.
Anschließend gibt die Fahrzeug-ECU 300 in S130 eine Anweisung zum Starten einer Test-Energieübertragung für eine Distanzerfassung bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung 200 aus.
Als Antwort darauf startet die Energieübertragungs-ECU 240 eine Test-Energieübertragung unter Verwendung von Energie, die kleiner als die in dem Fall des Ladens der Energiespeichervorrichtung 190 bereitgestellte übertragene Energie ist (S320).
In S140 empfängt die Fahrzeug-ECU 300 die Energie der Test-Energieübertragung von der Energieübertragungsvorrichtung 200 während des Parkvorgangs, und erfasst eine Spannung VC über den Distanzerfassungswiderstand der Spannungserfassungseinheit 181.
Anschließend verwendet die Fahrzeug-ECU 300 in S150 das in 10 angegebene Kennfeld, um zu bestimmen, ob die Spannung VC einen Schwellenwert α übersteigt oder nicht, der ein zulässiges Versatzausmaß während des gestoppten Zustands definiert.
In dem Fall, in dem die Spannung VC kleiner oder gleich dem Schwellenwert α ist (NEIN in S150), bestimmt die Fahrzeug-ECU 300, dass das Fahrzeug 100 nicht an einer Position des Durchführens der Energieübertragung zum Laden der Ladevorrichtung angekommen ist, führt diesen Prozess zu S140 zurück, und setzt sie den Parkvorgang fort, während die Spannung VC erfasst wird.
Wenn die Spannung VC den Schwellenwert α übersteigt (JA in S150), fährt der Prozess zu S150 fort, und die Fahrzeug-ECU 300 gibt in S160 eine Benachrichtigung an einen Nutzer als Anleitung zum unmittelbaren Stoppen des Fahrzeugs aus. In dem Fall, in dem der Parkvorgang automatisch unter Verwendung einer automatischen Parkfunktion durchgeführt wird, wird der Parkvorgang in diesem S150 gestoppt.
Anschließend bestimmt die Fahrzeug-ECU 300 in S170, ob der Parkvorgang abgeschlossen ist oder nicht. Die Bestimmung des Abschlusses des Parkvorgangs wird beispielsweise basierend auf dem Fall, in dem die Schaltposition auf einen P-Bereich gesetzt wird, der eine Parkposition ist, dem Fall, in dem die Parkbremse betätigt wird, oder dem Fall, in dem der Zündschalter ausgeschaltet wird, durchgeführt.
In dem Fall, in dem der Parkvorgang nicht abgeschlossen ist (NEIN in S170), kehrt der Prozess zu S160 zurück, und der Abschluss des Parkvorgangs durch den Nutzer wird abgewartet.
In dem Fall, in dem der Parkvorgang abgeschlossen ist (JA in S170), fährt der Prozess zu S180 fort, und die Fahrzeug-ECU 300 berechnet einen Positionsversatz zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 in der horizontalen Richtung aus der Energieübertragungseffizienz im gestoppten Zustand des Fahrzeugs.
In S190 überträgt die Fahrzeug-ECU 300 eine Anweisung zum Stoppen der Test-Energieübertragung an die Energieübertragungsvorrichtung 200. Als Antwort darauf stoppt die Energieübertragungs-ECU 240 die Test-Energieübertragung (S330).
Anschließend überträgt die Fahrzeug-ECU 300 in S200 an die Energieübertragungsvorrichtung 200 die die durch Berechnung erhaltenen Informationen des Positionsversatzes zwischen der Energieübertragungseinheit 220 und der Energieaufnahmeeinheit 110 in der horizontalen Richtung.
Basierend auf den Positionsversatzinformationen vom Fahrzeug 100 passt die Energieübertragungs-ECU 240 die Impedanzanpassungseinheit 260 an, sodass die Energieübertragungseffizienz bei diesem Ausmaß des Positionsversatzes größer wird (S340). Die Impedanzanpassung in S340 kann unter Verwendung des in 10 gezeigten vorbestimmten Kennfelds oder durch tatsächliches Anpassen der Impedanz der Impedanzanpassungseinheit 260 und Bewirken, dass die Anpassung eine maximale Energieübertragungseffizienz ermöglicht, durchgeführt werden.
Wenn die Erfassung des Ausmaßes des Positionsversatzes bei dem Parkvorgang abgeschlossen ist, öffnet die Fahrzeug-ECU 300 ein Relais der Spannungserfassungseinheit 181 und schließt das CHR 185 in S210. Anschließend gibt die Fahrzeug-ECU in S220 eine Anweisung zum Starten einer Energieübertragung zum Laden der Energiespeichervorrichtung 190 an die Energieübertragungsvorrichtung 200 aus.
Die Energieübertragungs-ECU 240 startet die Energieübertragung unter Verwendung der elektrischen Energie, die größer als jene der Test-Energieübertragung ist, gemäß der Energieübertragungsstartanweisung vom Fahrzeug 100 (S350).
Anschließend führt die Fahrzeug-ECU 300 in S230 den Ladeprozess unter Verwendung der aufgenommenen elektrischen Energie aus.
Durch Durchführen der Steuerung gemäß den vorstehend beschriebenen Prozessen kann im kontaktlosen Energieversorgungssystem, das konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung an das Fahrzeug zu übertragen, auch wenn die Fahrzeughöhe geändert wird, eine Ausrichtung der Energieaufnahmeeinheit bezüglich der Energieübertragungseinheit bequem durchgeführt werden, und eine Absenkung der Energieübertragungseffizienz kann unterbunden werden. Darüber hinaus kann, weil die Energieübertragungseffizienz erfasst werden kann, eine Vorhersage der Ladevollendungszeit genau durchgeführt werden.
(Modifiziertes Beispiel der Fahrzeughöhenerfassung)
In den 1 und 4 ist eine Konfiguration beschrieben, in der der Fahrzeughöhensensor, der konfiguriert ist, um eine Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit (die Fahrzeughöhe) zu erfassen, an der Seite des Fahrzeugs angebracht ist. Jedoch ist die Anordnung des Fahrzeughöhensensors nicht darauf beschränkt, und dieser kann an der Seite der Energieübertragungsvorrichtung 200 bereitgestellt sein.
Beispielsweise kann, wie in 12 gezeigt ist, der Fahrzeughöhensensor 270 auf dem Boden angeordnet sein, um eine Distanz bezüglich der darüber bereitgestellten Bodenplatte des Fahrzeugs zu erfassen. In diesem Fall wird die erfasste Fahrzeughöhe an die Energieübertragungs-ECU 240 der Energieübertragungsvorrichtung 200 ausgegeben.
Darüber hinaus, wie in 13 gezeigt ist, ist es ebenso möglich, die Fahrzeughöhe basierend auf einem Signal von einem im Fahrzeug 100 bereitgestellten RFID zu erfassen. In dieser Konfiguration werden Signale von mindestens drei RFID-Tags (ID1 bis ID3), die im Fahrzeug 100 bereitgestellt sind, durch ein RFID-Lesegerät 280 an der Seite der Energieübertragungsvorrichtung ausgelesen, und die Fahrzeughöhe wird auf dem Prinzip der Triangulation basierend auf den Intensitäten der gelesenen Signale erfasst. Es gibt einen Fall, in dem solche RFID-Tags bereitgestellt sind, um eine Paarung zwischen einem Fahrzeug und einer Energieübertragungsvorrichtung durchzuführen. In diesem Fall wird das RFID zur Paarung als ein Fahrzeughöhensensor verwendet, sodass der Vorteil vorliegen würde, dass keine Notwendigkeit zum Bereitstellen eines Fahrzeughöhensensors als ein individueller Sensor besteht. Dies kann so konfiguriert sein, dass das RFID-Lesegerät an der Seite des Fahrzeugs bereitgestellt ist, und der RFID-Tag an der Seite der Energieübertragungsvorrichtung bereitgestellt ist.
Es sollte verstanden sein, dass die hier offenbarten Ausführungsbeispiele in jeglicher Hinsicht lediglich veranschaulichend und nicht einschränkend sind. Der Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung ist vielmehr durch die Angaben in den Patentansprüchen als durch die Beschreibung und die vorstehend ausgeführten Ausführungsbeispiele definiert, und ist dazu gedacht, jegliche Modifikationen innerhalb des Geltungsbereichs und äquivalenten Bedeutung der Ausdrücke der Patentansprüche zu umfassen.
BEZUGSZEICHENLISTE

10, 10A kontaktloses Energieversorgungssystem; 89 Energieübertragungssystem; 90, 220, 220A Energieübertragungseinheit; 91, 110, 110A Energieaufnahmeeinheit, 92, 93, 96, 97 Spule; 94, 99, 111, 111A, 221, 221A Resonanzspule; 95, 98, 112, 222, C10, C20, C30, C40 Kapazität; 100, 100A Fahrzeug; 113, 223 elektromagnetische Induktionsspule; 115 SMR; 118 elektrische Lastvorrichtung; 120 PCU; 130 Motorgenerator; 140 Antriebskraftübertragungsgetriebe; 150 Antriebsrad; 155, 270 Fahrzeughöhensensor; 160, 230 Kommunikationseinheit; 170, 260A, 261 bis 263 Abgleichseinheit; 170A DC-DC-Konverter; 180 Gleichrichter; 181 Spannungserfassungseinheit; 185 CHR; 190 Energiespeichervorrichtung; 195 Spannungssensor; 196 Stromsensor; 200, 200A Energieübertragungsvorrichtung; 210 Energieversorgungsvorrichtung; 240 Energieübertragungs-ECU; 250 Energieversorgungseinheit; 260 Impedanzanpassungseinheit, 280 RFID-Lesegerät; 300 Fahrzeug-ECU; 400 Netzspannungsversorgung; ID1 bis ID3 RFID; RY11, RY12, RY21, RY22, RY31, RY32 Relais.

Claims

Kontaktloses Energieversorgungssystem (10, 10A), das konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung (200) einem Fahrzeug (100) zuzuführen, wobei das Fahrzeug eine Energieaufnahmeeinheit (110) umfasst, die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der Energieübertragungsvorrichtung aufzunehmen, die Energieübertragungsvorrichtung eine Energieversorgungseinheit (210), eine Energieübertragungseinheit (220), die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der Energieversorgungseinheit der Energieaufnahmeeinheit zuzuführen, und eine Impedanzanpassungseinheit (260), die elektrisch zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit verbunden ist und konfiguriert ist, um eine Impedanz zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit anzupassen, umfasst, das kontaktlose Energieversorgungssystem aufweist: eine Erfassungseinheit (155, 270, 280), die konfiguriert ist, um eine Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung zu erfassen; und eine Steuervorrichtung (240), die konfiguriert ist, um die Impedanzanpassungseinheit zu steuern, wobei die Steuervorrichtung eine Ausrichtung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit während eines Parkvorgangs des Fahrzeugs bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit unterstützt, und die Steuervorrichtung bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs die Impedanzanpassungseinheit basierend auf der durch die Erfassungseinheit erfassten Distanz in der vertikalen Richtung steuert.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Steuervorrichtung die Impedanzanpassungseinheit derart steuert, dass mit der Distanz in der vertikalen Richtung eine Energieaufnahmecharakteristik erhalten wird, die eine Senkung der Energieübertragungseffizienz verursacht, wenn ein Positionsversatz in einer horizontalen Richtung von einer vorbestimmten Position zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit ansteigt.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 2, wobei, nachdem die Ausrichtung abgeschlossen ist, die Steuervorrichtung ein Ausmaß des Positionsversatzes basierend auf der Energieübertragungseffizienz an einer Stopp-Position des Fahrzeugs bestimmt, und weiterhin die Impedanzanpassungseinheit basierend auf dem bestimmten Ausmaß des Positionsversatzes anpasst.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Erfassungseinheit (155) am Fahrzeug angebracht ist.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Erfassungseinheit (270, 280) in der Energieübertragungsvorrichtung enthalten ist.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Impedanzanpassungseinheit eine Vielzahl von Abgleichseinheiten (261, 262, 263) umfasst, die eingestellt sind, um zueinander unterschiedliche Impedanzen aufzuweisen, und die Steuervorrichtung eine der Vielzahl von Abgleichseinheiten gemäß der Distanz in der vertikalen Richtung auswählt.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Impedanzanpassungseinheit eine Abgleichseinheit (260A) mit einer Drosselspule und einer Kapazität aufweist, wobei die Drosselspule und/oder die Kapazität ein variables Element ist, und die Steuervorrichtung eine Impedanz durch Ändern des variablen Elements der Abgleichseinheit gemäß der Distanz in der vertikalen Richtung anpasst.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei das Fahrzeug weiterhin eine Energiespeichervorrichtung (190) umfasst, die konfiguriert ist, um durch die Energieaufnahmeeinheit aufgenommene Energie zu speichern, und die Steuervorrichtung bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs ermöglicht, dass elektrische Energie, die kleiner ist als die während des Ladens der Energiespeichervorrichtung übertragene Energie, von der Energieübertragungsvorrichtung zum Fahrzeug übertragen wird, und eine Benachrichtigung zum Auffordern eines Nutzers, das Fahrzeug zu stoppen, als Antwort auf ein Ereignis ausgibt, dass die bei Verwendung der kleineren Energie bereitgestellte Energieübertragungseffizienz einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei eine Differenz zwischen einer Eigenfrequenz der Energieübertragungseinheit und einer Eigenfrequenz der Energieaufnahmeeinheit kleiner oder gleich ±10% der Eigenfrequenz der Energieübertragungseinheit oder der Eigenfrequenz der Energieaufnahmeeinheit ist.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei ein Kopplungskoeffizient zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit kleiner oder gleich 0,1 ist.
Kontaktloses Energieversorgungssystem gemäß Anspruch 1, wobei die Energieaufnahmeeinheit elektrische Energie von der Energieübertragungseinheit durch ein magnetisches Feld, das zwischen der Energieaufnahmeeinheit und der Energieübertragungseinheit gebildet ist und bei einer bestimmten Frequenz schwingt, und/oder ein elektrisches Feld, das zwischen der Energieaufnahmeeinheit und der Energieübertragungseinheit gebildet ist und bei einer bestimmten Frequenz schwingt, aufnimmt.
Fahrzeug, das konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungsvorrichtung (200) aufzunehmen, die konfiguriert ist, um eine Impedanz mit Hilfe einer Impedanzanpassungseinheit (260) anzupassen, mit: einer Energieaufnahmeeinheit (110), die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von einer Energieübertragungseinheit (220) der Energieübertragungsvorrichtung aufzunehmen; und einer Steuervorrichtung (300), die konfiguriert ist, um eine Ausrichtung zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit während eines Parkvorgangs bezüglich der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit zu steuern, wobei die Steuervorrichtung während der Positionierung im Parkvorgang die Impedanzanpassungseinheit der Energieübertragungsvorrichtung basierend auf einer Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung steuert.
Energieübertragungsvorrichtung, die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise zu einem Fahrzeug (100) zu übertragen, mit: einer Energieversorgungseinheit (250); einer Energieübertragungseinheit (220), die konfiguriert ist, um elektrische Energie auf eine kontaktlose Weise von der Energieversorgungseinheit einer Energieaufnahmeeinheit des Fahrzeugs zuzuführen; einer Impedanzanpassungseinheit (260), die elektrisch zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit verbunden ist und konfiguriert ist, um eine Impedanz zwischen der Energieversorgungseinheit und der Energieübertragungseinheit anzupassen; und einer Steuervorrichtung (240), die konfiguriert ist, um die Impedanzanpassungseinheit zu steuern, wobei das Fahrzeug eine Ausrichtung der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit während eines Parkvorgangs bezüglich der Übertragungsvorrichtung basierend auf einer Energieübertragungseffizienz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit durchführt, und wobei die Steuervorrichtung bei der Ausrichtung während des Parkvorgangs die Impedanzanpassungseinheit basierend auf einer Distanz zwischen der Energieübertragungseinheit und der Energieaufnahmeeinheit in einer vertikalen Richtung steuert.