JP2013215066A - 電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力伝送効率の向上を実現すると共に構成素子の破損を回避でき、効率の良い電力伝送を行うことの可能な電力伝送システムを提供する。
【解決手段】供給される交流電力或いは直流電力を交流電力に変換して伝送路を介して送電する送電装置と、前記伝送路を介して前記交流電力を受電する受電装置とを備えた電力伝送システムにおいて、前記受電装置は、前記伝送路を介して受電した前記交流電力を整流して直流電力に変換する整流器と、前記整流器から出力される直流電力の直流変換を行う直流変換器と、前記直流変換器の入力電圧に基づいて前記直流変換器の入力インピーダンスが設定値となる電流指令値を算出し、前記直流変換器の入力電流が前記電流指令値と一致するように前記直流変換器を制御する受電側制御装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力伝送システムに関する。

従来から非接触給電方式として、電磁誘導方式、電波受信方式、電界結合方式及び磁界共鳴方式等が知られている。これらの方式の内、磁界共鳴方式とは、送電装置側と受電装置側に、コイルとコンデンサからなるＬＣ共振回路を設け、両回路間で磁界を共鳴させてワイヤレスで電力を伝送する技術である（下記特許文献１参照）。
この磁界共鳴方式は、広く実用化されている電磁誘導方式と比べて、弱い磁界で高効率且つ長距離の電力伝送を実現できるという特徴があり、携帯端末や電気自動車等の充電に利用可能な次世代のワイヤレス電力伝送技術として注目されている。

特開２０１１−１４７２７１号公報

非接触給電方式の電力伝送システムは、交流電源から供給される交流電力を空間伝送路を介して無線送電する送電装置と、前記空間伝送路を介して交流電力を無線受電する受電装置とから構成され、前記受電装置は、受電した交流電力を整流して直流電力に変換する整流器と、その整流器から出力される直流電力の直流変換を行う充電器（例えばＤＣ／ＤＣコンバータ）とを備える場合がある。

上記ＤＣ／ＤＣコンバータの出力をバッテリ等の蓄電器の充電に利用する場合、電力伝送効率の観点から充電期間中におけるＤＣ／ＤＣコンバータの入力インピーダンスが一定であることが望ましいが、過渡時（充電開始時及び停止時）における入力電流の変動に伴って入力インピーダンスも変動するため、入力インピーダンスの整合（マッチング）がとれなくなって電力伝送効率が低下するという問題がある。
また、入力インピーダンスのマッチングがとれなくなると、各構成素子に過度の電気的ストレスが発生して破損する可能性がある。また、本来とることができる電力に及ばなくなる。

本発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、電力伝送効率の向上を実現すると共に構成素子の破損を回避可能な電力伝送システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電力伝送システムに係る第１の解決手段として、供給される交流電力或いは直流電力を交流電力に変換して伝送路を介して送電する送電装置と、前記伝送路を介して前記交流電力を受電する受電装置とを備えた電力伝送システムにおいて、前記受電装置は、前記伝送路を介して受電した前記交流電力を整流して直流電力に変換する整流器と、前記整流器から出力される直流電力の直流変換を行う直流変換器と、前記直流変換器の入力電圧に基づいて前記直流変換器の入力インピーダンスが設定値となる電流指令値を算出し、前記直流変換器の入力電流が前記電流指令値と一致するように前記直流変換器を制御する受電側制御装置とを備える、という手段を採用する。

また、本発明では、電力伝送システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記送電装置は、前記供給される交流電力或いは直流電力を交流電力に変換する交流変換器と、前記増幅器による前記交流電力の増幅度を制御する送電側制御装置とを備え、前記受電側制御装置は、前記電流指令値を前記送電側制御装置へ送信し、前記送電側制御装置は、前記受信側制御装置から受信した前記電流指令値に基づいて、前記直流変換器の入力電力が一定となるように前記増幅器による前記交流電力の増幅度を制御する、という手段を採用する。

また、本発明では、電力伝送システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記送電装置は、前記伝送路として空間伝送路を介して前記交流電力を磁界共鳴方式により無線送電するための送電側共振器を備え、前記受電装置は、前記空間伝送路を介して前記送電側共振器から前記交流電力を無線受電するための受電側共振器を備える、という手段を採用する。
また、本発明では、電力伝送システムに係る第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記送電装置と前記受電装置との間で双方向の電力伝送が可能である、という手段を採用する。

本発明によれば、受電装置側に設けられた直流変換器の入力インピーダンスが、直流変換器の動作期間中（電力変換器の出力開始時及び停止時の過渡時も含む）に一定に維持されるので、入力インピーダンスのマッチングが常にとれた状態となり、従来と比較して電力伝送効率の向上を実現できると共に構成素子の破損を回避することができる。また、最大の電力ポイントを維持できる。

本実施形態に係る電力伝送システムＡの概略構成図である。 充電期間中におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧、入力電流及び入力インピーダンスのプロファイルを示す図である。

以下、本発明の一実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態に係る電力伝送システムＡの概略構成図である。この図に示すように、本実施形態に係る電力伝送システムＡは、例えば駐車場等の所定位置に設置された充電設備１００から電気自動車２００へ充電用電力（交流電力）を空間伝送路３００を介して無線伝送する非接触給電方式の電力伝送システムであり、充電設備１００側に搭載された送電装置１０と、電気自動車２００側に搭載された受電装置２０とから構成されている。

送電装置１０は、同じく充電設備１００側に設けられた交流電源３０（例えば単相２００Ｖ、周波数５０或いは６０Ｈｚの商用電源）から供給される交流電力を空間伝送路３００を介して無線送電するものであり、アンプ１１及び送電側共振器１２を備えている。

アンプ１１は、交流電源３０から供給される交流電力の交流／交流変換を行い、これによって得られた交流電力を送電側共振器１２へ出力する交流変換器である。詳細には、このアンプ１１は、交流電源３０から供給される交流電力を直流電力に変換する整流回路１１ａと、この整流回路１１ａから出力される直流電力を所定電圧及び所定周波数を有する交流電力に変換して送電側共振器１２へ出力するインバータ１１ｂと、このインバータ１１ｂを構成するＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子を制御する送電側制御装置１１ｃを備えている。

送電側制御装置１１ｃは、上記インバータ１１ｂを構成するスイッチング素子を制御することで、上記インバータ１１ｂから出力される交流電力の電圧及び周波数を制御する。つまり、送電側制御装置１１ｃは、上記インバータ１１ｂを構成するスイッチング素子の制御によって、アンプ１１による交流電力の増幅度を制御する。また、この送電側制御装置１１ｃは、アンテナ１１ｄを備えており、Bluetooth（登録商標）等の近距離無線通信規格を用いて後述の受電側制御装置２３ｃと無線通信を行う機能を有している。

送電側共振器１２は、アンプ１１から入力される交流電力を空間伝送路３００を介して磁界共鳴方式により無線送電するための螺旋状に巻かれたコイルとコンデンサとからなるＬＣ共振回路である。なお、送電側共振器１２を構成するためのコンデンサとして、コイルの寄生容量を利用しても良いし、或いはコンデンサ素子を別に設けても良い。

受電装置２０は、空間伝送路２００を介して送電装置１０から無線送電された交流電力を無線受電し、その受電した交流電力を充電用の直流電力に変換して電気自動車２００側に搭載された例えばリチウムイオン電池等のバッテリ４０へ供給するものであり、受電側共振器２１、整流器２２及びＤＣ／ＤＣコンバータ２３を備えている。

受電側共振器２１は、空間伝送路３００を介して送電側共振器１２から交流電力を無線受電するための螺旋状に巻かれたコイルとコンデンサとからなるＬＣ共振回路である。送電装置１０と受電装置２０の両方の共振器１２、２１の共振周波数が等しくなるように回路定数を設定すれば、送電側共振器１２と受電側共振器２１との間に磁界共鳴を発生させることができる。

磁界共鳴が発生すると、アンプ１１から出力される交流電力は送電側共振器１２によって磁気エネルギーに変換されて無線送電され、その磁気エネルギーは受電側共振器２１によって交流電力に再変換される。受電側共振器２１から得られた交流電力は、後段に設けられた整流器２２へ出力される。整流器２２は、受電側共振器２１から入力される交流電力を整流して直流電力に変換し、その得られた直流電力をＤＣ／ＤＣコンバータ２３へ出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、整流器２２から入力される直流電力の直流変換（ＤＣ／ＤＣ変換）を行い、その直流変換によって得られる直流電力を充電用直流電力としてバッテリ４０へ出力する。詳細には、このＤＣ／ＤＣコンバータ２３は、整流器２２から入力される直流電力をＭＯＳ−ＦＥＴ等のスイッチング素子のオンオフ動作によって降圧するスイッチング回路２３ａと、上記スイッチング素子をオンオフさせるためのゲート信号を生成するゲート駆動回路２３ｂと、ゲート駆動回路２３ｂを介してスイッチング回路２３ａのスイッチング素子を制御する受電側制御装置２３ｃとを備えている。

受電側制御装置２３ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧をモニタし、その入力電圧に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力インピーダンスが設定値となる電流指令値を算出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電流が上記電流指令値と一致するように、スイッチング回路２３ａのスイッチング素子を制御する。また、この受電側制御装置２３ｃは、アンテナ２３ｄを備えており、Bluetooth（登録商標）等の近距離無線通信規格を用いて上記の送電側制御装置１１ｃと無線通信を行う機能を有している。

受電側制御装置２３ｃは、上記のように算出した電流指令値をアンテナ２３ｄを介して送電側制御装置１１ｃへ送信する機能を有し、送電側制御装置１１ｃは、アンテナ１１ｄを介して受信側制御装置２３ｃから受信した上記電流指令値に基づいて、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電力が一定となるように、アンプ１１による交流電力の増幅度を制御する機能を有している。

次に、上記のように構成された本実施形態に係る電力伝送システムＡの動作について詳細に説明する。
まず、充電設備１００の設置位置の近くに電気自動車２００が停車すると、送電装置１０の送電側制御装置１１ｃは、インバータ１１ｂを構成するスイッチング素子の制御を開始し、上記インバータ１１ｂから出力される交流電力の電圧及び周波数を所定の値に制御する。ここで、送電側制御装置１１ｃは、送電側共振器１２の共振周波数と一致する周波数の交流電力がインバータ１１ｂから出力されるように制御を行う。

これにより、送電装置１０側において、磁界共鳴方式による電力伝送に適した電圧及び周波数の交流電力がアンプ１１（インバータ１１ｂ）から送電側共振器１２に出力され、送電側共振器１２と受電側共振器２１との間で磁界共鳴が発生する。磁界共鳴が発生すると、アンプ１１から出力された交流電力は送電側共振器１２から受電側共振器２１へ伝送（無線送電）される。そして、受電装置２０側において、受電側共振器２１にて受電された交流電力は、整流器２２によって直流電力に変換されてＤＣ／ＤＣコンバータ２３へ入力される。

受電装置２０の受電側制御装置２３ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧（スイッチング回路２３ａの入力電圧）をモニタし、その入力電圧に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力インピーダンスが設定値となる電流指令値を算出する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧をＶ、入力インピーダンスの設定値をＺ（例えば４５Ω）、電流指令値をＩとすると、電流指令値Ｉは下記（１）式にて算出できる。
Ｉ ＝ Ｖ／Ｚ ・・・（１）

そして、受電側制御装置２３ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電流（スイッチング回路２３ａの入力電流）が上記電流指令値Ｉと一致するように、スイッチング回路２３ａのスイッチング素子の制御を開始する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電流をモニタし、この入力電流が電流指令値Ｉと一致するように、スイッチング回路２３ａのスイッチング素子をフィードバック制御することが望ましい。

これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３が動作を開始し、電流指令値Ｉと一致する入力電流が流れ、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力インピーダンスは設定値Ｚに保持されると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３から出力される直流電力によってバッテリ４０が充電され始める。

以降、受電側制御装置２３ｃは、バッテリ４０の充電が完了するまで、一定の制御周期でＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧Ｖをモニタし、その都度、入力電圧Ｖに基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力インピーダンスが設定値Ｚとなる電流指令値Ｉを算出し、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電流が上記電流指令値Ｉと一致するように、スイッチング回路２３ａを制御する。

図２（ａ）は、バッテリ４０の充電期間中、つまりＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作期間中におけるＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧、入力電流及び入力インピーダンスのプロファイルを示す模式図である。図２（ｂ）は、従来技術におけるＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧、入力電流及び入力インピーダンスのプロファイルを示す模式図である。

これらの図に示すように、従来技術では、充電期間中におけるＤＣ／ＤＣコンバータの入力インピーダンスが変動するのに対し、本実施形態では、充電期間中（充電開始時及び停止時の過渡時も含む）に、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力インピーダンスが一定（設定値Ｚ）に維持されて、入力インピーダンスのマッチングが常にとれた状態となることがわかる。

また、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電力Ｗは、入力電圧Ｖ×入力電流Ｉ（＝電流指令値）で表されるが、電流指令値Ｉの値によっては、この入力電力Ｗが必ずしもＤＣ／ＤＣコンバータ２３の規格値に一致するとは限らない。ＤＣ／ＤＣコンバータ２３における電力変換効率を良好に維持するためにも、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電力Ｗは可能な限り規格値に近づけることが望ましい。

そこで、本実施形態において、送電側制御装置１１ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電力Ｗが一定（規格値）となるように、アンプ１１による交流電力の増幅度を制御する。つまり、送電側制御装置１１ｃは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電力Ｗが規格値となるようにインバータ１１ｂから出力される交流電力の電圧を制御する。これにより、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電圧Ｖが変化して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力電力Ｗが規格値と一致する。

以上のように、本実施形態によれば、バッテリ４０の充電期間中、つまりＤＣ／ＤＣコンバータ２３の動作期間中（出力開始時（充電開始時）及び出力停止時（充電停止時）の過渡時も含む）において、受電装置２０側に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力インピーダンスが一定に維持されるので、入力インピーダンスのマッチングが常にとれた状態となり、従来技術と比較して電力伝送効率の向上を実現できると共に構成素子の破損を回避することができる。なお、本実施形態によれば、定常時の温度変化によるＬＣ回路の定数変化が生じた場合でも、ＤＣ／ＤＣコンバータ２３の入力インピーダンスを一定に維持することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されず、以下のような変形例が挙げられる。
（１）上記実施形態では、充電設備１００から電気自動車２００へ充電用電力（交流電力）を空間伝送路３００を介して無線伝送する非接触給電方式の電力伝送システムＡを例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、携帯端末に対し非接触給電方式で電力伝送して、携帯端末のバッテリを充電するような電力伝送システムにも本発明を適用することができる。

（２）上記実施形態では、磁界共鳴方式を利用して送電装置１０と受電装置２０との間で電力伝送を行う場合を例示したが、本発明はこれに限定されず、磁界共鳴方式以外の非接触給電方式（例えば電磁誘導方式など）を利用しても良い。

（３）上記実施形態では、送電装置１０と受電装置２０との間で空間伝送路３００を介して交流電力を無線伝送する非接触給電方式の電力伝送システムＡを例示したが、本発明はこれに限定されず、送電装置と受電装置との間で有線伝送路を介して交流電力を有線伝送する電力伝送システムにも本発明を適用することができる。

（４）アンプ１１には必要に応じてＰＦＣを設けても良い。また、上記実施形態では、充電設備１００側に設けられた電源が交流電源３０である場合を例示したが、この電源が直流電源である場合、つまり電源から送電装置１０に直流電力が供給される場合には、アンプ１１から整流回路１１ａを削除すれば良い。また、電源以外から交流電力或いは直流電力が供給されるシステム構成としても良い。また、送電装置１０と受電装置２０との間で双方向の電力伝送が可能な構成としても良い。

Ａ…電力伝送システム、１０…送電装置、１１…アンプ（交流変換器）、１１ｃ…送電側制御装置、１２…送電側共振器、２０…受電装置、２１…受電側共振器、２２…整流器、２３…ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流変換器）、２３ｃ…受電側制御装置、３０…交流電源、４０…バッテリ、１００…充電設備、２００…電気自動車、３００…空間伝送路

Claims (4)

1. 供給される交流電力或いは直流電力を交流電力に変換して伝送路を介して送電する送電装置と、前記伝送路を介して前記交流電力を受電する受電装置とを備えた電力伝送システムにおいて、
   前記受電装置は、
   前記伝送路を介して受電した前記交流電力を整流して直流電力に変換する整流器と、
   前記整流器から出力される直流電力の直流変換を行う直流変換器と、
   前記直流変換器の入力電圧に基づいて前記直流変換器の入力インピーダンスが設定値となる電流指令値を算出し、前記直流変換器の入力電流が前記電流指令値と一致するように前記直流変換器を制御する受電側制御装置と、
   を備えることを特徴とする電力伝送システム。
2. 前記送電装置は、
   前記供給される交流電力或いは直流電力を交流電力に変換する交流変換器と、
   前記交流変換器による前記交流電力の増幅度を制御する送電側制御装置と、
   を備え、
   前記受電側制御装置は、前記電流指令値を前記送電側制御装置へ送信し、
   前記送電側制御装置は、前記受信側制御装置から受信した前記電流指令値に基づいて、前記直流変換器の入力電力が一定となるように前記増幅器による前記交流電力の増幅度を制御することを特徴とする請求項１に記載の電力伝送システム。
3. 前記送電装置は、前記伝送路として空間伝送路を介して前記交流電力を磁界共鳴方式により無線送電するための送電側共振器を備え、
   前記受電装置は、前記空間伝送路を介して前記送電側共振器から前記交流電力を無線受電するための受電側共振器を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力伝送システム。
4. 前記送電装置と前記受電装置との間で双方向の電力伝送が可能な請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力伝送システム。

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