JP2015231306A - Non-contact power reception device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非接触受電装置に関し、より特定的には、外部電源からの電力を非接触で受電する非接触受電装置において生じる高調波ノイズを低減する技術に関する。 The present invention relates to a non-contact power receiving apparatus, and more particularly to a technique for reducing harmonic noise generated in a non-contact power receiving apparatus that receives power from an external power source in a non-contact manner.
電源コードや送電ケーブルを用いない非接触のワイヤレス電力伝送が近年注目されており、車両外部の電源(以下「外部電源」とも称する。)からの電力によって車載の蓄電装置を充電可能な電気自動車やハイブリッド車両等への適用が提案されている。 In recent years, contactless wireless power transmission without using a power cord or a power transmission cable has attracted attention, and an electric vehicle that can charge an in-vehicle power storage device with power from a power source outside the vehicle (hereinafter also referred to as “external power source”), Application to hybrid vehicles has been proposed.
ワイヤレス送電技術としては、有力なものとして、たとえば、電磁誘導を用いた送電、マイクロ波などの電磁波を用いた送電、および共鳴法による送電の3つの技術が知られている。 As the wireless power transmission technology, as a promising technology, for example, three technologies of power transmission using electromagnetic induction, power transmission using electromagnetic waves such as microwaves, and power transmission using a resonance method are known.
特開2013−251974号公報(特許文献1)および特開2012−105503号公報(特許文献2)は、非接触で電力を受電することができる非接触受電装置(車両)において、受電コイルによって非接触で受電された交流電力を、ダイオードブリッジを含む整流器で直流電力に整流して負荷に供給する構成を開示する。 JP 2013-251974 A (Patent Document 1) and JP 2012-105503 A (Patent Document 2) are non-contact power receiving devices (vehicles) that can receive power in a non-contact manner. A configuration is disclosed in which AC power received by contact is rectified to DC power by a rectifier including a diode bridge and supplied to a load.
非接触受電装置においては、一般的に、受電した交流電力を整流器で整流して、蓄電装置に蓄えたり電気機器を駆動したりする。このような装置では、受電コイルから整流器までの回路と整流器内部の回路との間において、寄生容量も含めたコイル成分およびコンデンサ成分によるインピーダンスの違いによって電流の共振が発生する場合がある。このような電流の共振周波数は、電力伝送に用いられる電磁場の周波数(以下、「システム周波数」とも称する。)と一致せず、多くの場合システム周波数よりも数倍高い周波数となり得る。そうすると、整流器の入力電流には、インピーダンスの違いによる電流共振の影響で、リンギングと呼ばれる振動的な電流変動が生じる。 In a non-contact power receiving device, generally, received AC power is rectified by a rectifier and stored in a power storage device or an electric device is driven. In such a device, current resonance may occur between the circuit from the receiving coil to the rectifier and the circuit inside the rectifier due to the difference in impedance due to the coil component and the capacitor component including the parasitic capacitance. The resonance frequency of such current does not coincide with the frequency of the electromagnetic field used for power transmission (hereinafter also referred to as “system frequency”), and in many cases can be several times higher than the system frequency. Then, an oscillating current variation called ringing occurs in the input current of the rectifier due to the influence of current resonance due to the difference in impedance.
このような電流変動が生じると、整流器の入力電流の高調波成分が増大し、それによって給電コイルなどからの電磁放射ノイズの原因となり得る。 When such current fluctuation occurs, the harmonic component of the input current of the rectifier increases, which may cause electromagnetic radiation noise from a power supply coil or the like.
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、非接触受電装置において、整流器に起因して生じる高調波ノイズを低減することである。 The present invention has been made to solve such a problem, and an object thereof is to reduce harmonic noise caused by a rectifier in a non-contact power receiving apparatus.
本発明による非接触受電装置は、外部電源からの電力を非接触で受電するための装置であって、受電部と、整流器と、整流器に接続される負荷とを備える。受電部は、外部電源からの電力を受電する受電コイルを含む。整流器は、複数のダイオードを含み、受電部で受けた電力を整流する。整流器は、上記の複数のダイオードの各々に対して並列に接続されたコンデンサをさらに含む。 A non-contact power receiving device according to the present invention is a device for receiving power from an external power source in a non-contact manner, and includes a power receiving unit, a rectifier, and a load connected to the rectifier. The power receiving unit includes a power receiving coil that receives power from an external power source. The rectifier includes a plurality of diodes and rectifies the power received by the power receiving unit. The rectifier further includes a capacitor connected in parallel to each of the plurality of diodes.
整流器をこのような回路構成とし、ダイオードに並列に設けられるコンデンサの容量を適切に設定することによって、整流器よりも受電コイル側の回路と整流器との間のインピーダンスの差を低減することができる。そのため、整流器の入力電流のリンギングを低減することができ、それによって整流器に起因して生じる高調波ノイズを低減することができる。 By adopting such a circuit configuration for the rectifier and appropriately setting the capacitance of the capacitor provided in parallel to the diode, the difference in impedance between the circuit on the power receiving coil side and the rectifier can be reduced. Therefore, ringing of the input current of the rectifier can be reduced, and thereby harmonic noise generated due to the rectifier can be reduced.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
[非接触給電システムの構成]
図1は、本実施の形態に従う非接触給電システム10の全体構成図である。図1を参照して、非接触給電システム10は、車両100と、送電装置200とを備える。なお、本実施の形態においては、「非接触受電装置」が非接触で電力を受電可能に構成された車両100である場合を例として説明するが、非接触での受電が可能なものであれば車両以外の他の電気機器であってもよい。
[Configuration of wireless power supply system]
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a non-contact
図1を参照して、送電装置200は、電源装置210と、送電部220とを含む。電源装置210は、所定の周波数を有する交流電力を発生する。一例として、電源装置210は、商用電源400から電力を受けて高周波の交流電力を発生し、その発生した交流電力を送電部220へ供給する。そして、送電部220は、送電部220の周囲に発生する電磁界を介して、車両100の受電部110へ非接触で電力を出力する。
Referring to FIG. 1, power transmission device 200 includes a
電源装置210は、通信部230と、制御装置である送電ECU240と、電源部250とを含む。また、送電部220は、共振コイル221と、コンデンサ222とを含む。
電源部250は、送電ECU240からの制御信号MODによって制御され、商用電源400などの交流電源から受ける電力を高周波の電力に変換する。そして、電源部250は、その変換した高周波電力を共振コイル221へ供給する。
また、電源部250は、図示されない電圧センサ,電流センサによってそれぞれ検出される送電電圧Vtrおよび送電電流Itrを送電ECU240へ出力する。
In addition,
共振コイル221は、電源部250から伝達された電力を、車両100の受電部110に含まれる共振コイル111へ非接触で電力を転送する。共振コイル221はコンデンサ222とともにLC共振回路を構成する。
The
通信部230は、送電装置200と車両100との間で無線通信を行なうための通信インターフェースであり、車両100側の通信部195と情報INFOの授受を行なう。通信部230は、車両100側の通信部195から送信される車両情報、ならびに、送電の開始および停止を指示する信号等を受信し、受信したこれらの情報を送電ECU240へ出力する。また、通信部230は、送電ECU240からの送電電圧Vtrおよび送電電流Itr等の情報を車両100へ送信する。
送電ECU240は、いずれも図1には図示しないがCPU(Central Processing Unit)、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、電源装置210における各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理することも可能である。
Although not shown in FIG. 1, the
車両100は、受電部110と、整合器160と、整流器170と、負荷105と、制御装置である車両ECU(Electronic Control Unit)300と、通信部195とを含む。負荷105は、DC/DCコンバータ180と、充電リレーCHR185と、蓄電装置190と、システムメインリレーSMR115と、パワーコントロールユニットPCU(Power Control Unit)120と、モータジェネレータ130と、動力伝達ギヤ140と、駆動輪150とを含む。
受電部110は、たとえば車両100のフロアパネル付近に設けられ、共振コイル111と、コンデンサ112とを含む。
共振コイル111は、送電装置200に含まれる共振コイル221から非接触で電力を受電する。共振コイル111は、コンデンサ112とともにLC共振回路を構成する。
The
共振コイル111により受電した電力は、整合器160を介して整流器170へ出力される。整合器160は、典型的には、リアクトルとコンデンサとを含んで構成され、共振コイル111により受電された電力が供給される負荷の入力インピーダンスを調整する。
The power received by the
整流器170は、整合器160を介して共振コイル111から受けた交流電力を整流し、その整流された直流電力を蓄電装置190に出力する。
Rectifier 170 rectifies the AC power received from
DC/DCコンバータ180は、車両ECU300からの制御信号PWDによって制御され、整流器170で整流された直流電圧を所望の電圧に変換する。なお、DC/DCコンバータ180は必ずしも必須ではなく、DC/DCコンバータ180を有さない構成であってもよい。
DC /
CHR185は、DC/DCコンバータ180と蓄電装置190との間に電気的に接続される。CHR185は、車両ECU300からの制御信号SE2により制御され、DC/DCコンバータ180から蓄電装置190への電力の供給と遮断とを切換える。
蓄電装置190は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。蓄電装置190は、たとえば、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの二次電池や、電気二重層コンデンサなどの蓄電素子を含んで構成される。
The
蓄電装置190は、DC/DCコンバータ180からの電力を蓄電する。また、蓄電装置190は、SMR115を介してPCU120とも接続される。蓄電装置190は、車両駆動力を発生させるための電力をPCU120へ供給する。さらに、蓄電装置190は、モータジェネレータ130で発電された電力を蓄電する。
The
蓄電装置190には、いずれも図示しないが、蓄電装置190の電圧VBおよび入出力される電流IBをそれぞれ検出するための電圧センサおよび電流センサが設けられる。これらの検出値は、車両ECU300へ出力される。車両ECU300は、この電圧VBおよび電流IBに基づいて、蓄電装置190の充電状態(「SOC(State Of Charge)」とも称する。)を演算する。
Although not shown,
SMR115は、蓄電装置190とPCU120との間に電気的に接続される。そして、SMR115は、車両ECU300からの制御信号SE1によって制御され、蓄電装置190とPCU120との間での電力の供給と遮断とを切換える。
PCU120は、いずれも図示しないが、コンバータやインバータを含んで構成される。コンバータは、車両ECU300からの制御信号PWCにより制御されて蓄電装置190からの電圧を変換する。インバータは、車両ECU300からの制御信号PWIにより制御されて、コンバータで変換された電力を用いてモータジェネレータ130を駆動する。
The
モータジェネレータ130は交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。モータジェネレータ130の出力トルクは、動力伝達ギヤ140を介して駆動輪150に伝達される。車両100は、このトルクを用いて走行する。モータジェネレータ130は、車両100の回生制動時には、駆動輪150の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、PCU120によって蓄電装置190の充電電力に変換される。
また、モータジェネレータ130の他にエンジン(図示せず)が搭載されたハイブリッド自動車では、エンジンおよびモータジェネレータ130を協調的に動作させることによって、必要な車両駆動力が発生される。この場合、エンジンの回転による発電電力を用いて、蓄電装置190を充電することも可能である。
Further, in a hybrid vehicle equipped with an engine (not shown) in addition to
通信部195は、車両100と送電装置200との間で無線通信を行なうための通信インターフェースであり、送電装置200の通信部230と情報INFOの授受を行なう。
The
車両ECU300は、いずれも図1には図示しないがCPU、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両100における各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア(電子回路)で処理することも可能である。
Although not shown in FIG. 1,
図2は、本実施の形態と対比される比較例における、図1の整合器160および整流器170の詳細構成を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a detailed configuration of matching
図2を参照して、整合器160は、リアクトルL1〜L6とコンデンサC1,C2とを含んで構成されるいわゆる三段LCフィルタであり、受電部110(図1)からの一方の電力線にリアクトルL1,L3,L5が直列に接続され、他方の電力線にリアクトルL2,L4,L6が直列に接続される。リアクトルL1,L3の接続ノードと、リアクトルL2,L4の接続ノードとの間に、コンデンサC1が接続される。リアクトルL3,L5の接続ノードと、リアクトルL4,L6の接続ノードとの間に、コンデンサC2が接続される。整合器160は、リアクトルL1〜L6のリアクタンスおよびコンデンサC1,C2のキャパシタンスを適切に調節することによって、受電部110のインピーダンスと、整流器170以降のインピーダンスとを整合させる。
Referring to FIG. 2,
整流器170は、ダイオードD11〜D14で構成されるダイオードブリッジ171と、フィルタ回路F10とを含む。整流器170は、整合器160を通過した交流電力をダイオードブリッジ171によって全波整流するとともに、整流波形をフィルタ回路F10にて平滑化を行ない、DC/DCコンバータ180へ供給する。
The
このような回路では、受電部110から整合器160までの回路と整流器170内部の回路との間において、寄生容量も含めたコイル成分およびコンデンサ成分によるインピーダンスの違いによって、整合器160と整流器170との間で電流の共振が発生する場合がある。このような電流の共振周波数は、受電部110と送電部220との間の電力伝送に用いられる電磁場の周波数(システム周波数)よりも数倍高い周波数となり得る。そうすると、整流器170の入力電流には、システム周波数と周波数が異なる共振電流の影響によって、図3に示されるように、整流器入力電流に「リンギング」と呼ばれる振動的な電流変動が生じる。このような電流変動が生じると、整流器170の入力電流の高調波成分が増大し、それによって共振コイルなどからの放射ノイズの原因となり得る。
In such a circuit, between the circuit from the
そこで、本実施の形態においては、上記の整流器の構成を変更することによって、整合器と整流器との間のリンギングを防止する手法について説明する。 Therefore, in the present embodiment, a method for preventing ringing between the matching device and the rectifier by changing the configuration of the rectifier will be described.
図4は、本実施の形態における整流器の構成を説明するための図である。図4を参照して、本実施の形態における整流器170Aは、ブリッジ回路171Aと、フィルタ回路F10Aとを含む。
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the rectifier in the present embodiment. Referring to FIG. 4,
ブリッジ回路171Aは、ダイオードD11〜D14で構成されるダイオードブリッジにおいて、ダイオードD11〜D14にコンデンサC11〜C14がそれぞれ並列に接続された構成となっている。このコンデンサC11〜C14のキャパシタンスを適切に設定することによって、整合器160と整流器170内部の回路との間で生じる電流の共振周波数とシステム周波数とを整合(同調)させることができる。このような回路とすることによって、図5に示されるように、整流器入力電流におけるリンギングを抑制し、より正弦波に近い整流器入力電流波形とすることができる。
The
また、整流器入力電流の電流変動成分が低減されるために、フィルタ回路F10Aをよりシンプルな構成とすることもできる。 In addition, since the current fluctuation component of the rectifier input current is reduced, the filter circuit F10A can be configured more simply.
図6〜図9を用いて、本実施の形態および比較例における、電流の高調波成分(ノーマルモードのノイズ)について比較する。図6および図7は、それぞれ比較例における電流高調波成分のシミュレーション結果と、実機での測定結果を示す。図8および図9は、それぞれ本実施の形態における電流高調波成分のシミュレーション結果と、実機での測定結果を示す。図6〜図9において、実線LN10,LN20,LN30,LN40は電流波形を示し、破線LN11,LN21,LN22,LN31,LN41,LN42は高調波成分(奇数次,偶数次)のピークの包絡線を示している。なお、図6および図8のシミュレーションにおいては、奇数次の高調波成分についてのみ記載されている。 The harmonic components (normal mode noise) of the current in the present embodiment and the comparative example will be compared using FIGS. 6 and 7 show the simulation result of the current harmonic component in the comparative example and the measurement result in the actual machine, respectively. FIG. 8 and FIG. 9 show the simulation result of the current harmonic component in this embodiment and the measurement result in the actual machine, respectively. 6 to 9, solid lines LN10, LN20, LN30, and LN40 indicate current waveforms, and broken lines LN11, LN21, LN22, LN31, LN41, and LN42 indicate peak envelopes of harmonic components (odd order and even order). Show. In the simulations of FIGS. 6 and 8, only odd-order harmonic components are described.
図6〜図9を参照して、シミュレーション結果および実測結果のいずれにおいても、本実施の形態の整流器を用いた場合の方が、比較例の場合に比べて、特に高次数の高調波成分のピーク値が小さくなっていることがわかる。すなわち、本実施の形態のような整流器の構成とすることによって、高調波ノイズを低減することができる。 With reference to FIGS. 6 to 9, in both the simulation result and the actual measurement result, the case where the rectifier of the present embodiment is used is particularly higher in the higher-order harmonic components than the case of the comparative example. It can be seen that the peak value is small. That is, harmonic noise can be reduced by adopting the rectifier configuration as in the present embodiment.
[変形例]
上記のように、整流器のダイオードブリッジの各ダイオードに、適当なコンデンサを並列接続して電流の共振周波数とシステム周波数とを同調させることによって、整流器入力電流波形におけるリンギングを低減でき、その結果として滑らかな入力電流波形を得ることができることがわかった。
[Modification]
As described above, ringing in the rectifier input current waveform can be reduced by connecting an appropriate capacitor in parallel to each diode of the diode bridge of the rectifier to tune the resonant frequency of the current and the system frequency, resulting in smoothness. It was found that a simple input current waveform can be obtained.
そのため、本実施の形態のような整流器の構成とすることによって、受電部と負荷とのインピーダンスを整合させる整合器をより簡素化することが期待できる。 Therefore, it can be expected that the matching device for matching the impedances of the power receiving unit and the load is further simplified by adopting the rectifier configuration as in the present embodiment.
そこで、変形例においては、図10に示されるように、整流器については上記の図4で示した本実施の形態の整流器170Aと同様の回路とする一方で、整合器については、リアクトルL21,L22およびコンデンサC21のみを含む一段LCフィルタを有する整合器160Aを用いる例について説明する。
Therefore, in the modified example, as shown in FIG. 10, the rectifier is a circuit similar to the
図10に示される変形例の回路の場合における整流器入力電流の波形、高調波成分波形のシミュレーション結果の波形、および実測された高調波成分の波形を、それぞれ図11〜13に示す。 The waveform of the rectifier input current, the waveform of the simulation result of the harmonic component waveform, and the waveform of the actually measured harmonic component in the case of the circuit of the modification shown in FIG. 10 are shown in FIGS.
図11に示されるように、一段LCフィルタの整合器160Aを有する変形例においても、リンギングが抑制された滑らかな整流器入力電流が得られていることがわかる。
As shown in FIG. 11, it can be seen that a smooth rectifier input current in which ringing is suppressed is obtained even in the modification having the
さらに、図12に示される高調波成分波形のシミュレーション結果、および図13に示される実測電流波形の高調波成分についても、上述した比較例における各波形(図6,図7)よりも、高周波成分のピーク値が小さくなっていることがわかる。 Furthermore, the simulation result of the harmonic component waveform shown in FIG. 12 and the harmonic component of the actually measured current waveform shown in FIG. 13 are also higher frequency components than the waveforms (FIGS. 6 and 7) in the comparative example described above. It can be seen that the peak value of is small.
なお、三段LCフィルタを用いる整合器160を用いた図4の構成におけるシミュレーション波形(図8)および実測電流波形(図9)と比較しても、ほぼ同等の高周波成分の低減が実現されている。
Compared with the simulation waveform (FIG. 8) and the measured current waveform (FIG. 9) in the configuration of FIG. 4 using the
このように、各ダイオードにコンデンサが並列接続されたブリッジ回路を有する、本実施の形態のような整流器を用いることによって、整合器をよりシンプルな構成とした場合においても高周波ノイズを低減できる。これにより、整合器の小型化および車両への搭載性を向上することができ、車両重量の軽量化および燃費の向上、ならびにコスト削減に寄与することが可能となる。 Thus, by using the rectifier as in this embodiment having a bridge circuit in which capacitors are connected in parallel to each diode, high-frequency noise can be reduced even when the matching device has a simpler configuration. As a result, the matching unit can be reduced in size and mounted on the vehicle, and the vehicle weight can be reduced, the fuel consumption can be improved, and the cost can be reduced.
なお、本実施の形態においては、図1における受電部および送電部は、コンデンサが接続された共振コイルのみで構成される場合を例として説明したが、受電部および送電部は、共振コイルに加えて、電磁誘導により共振コイルに電力を供給したりあるいは電力を取り出したりするための電磁誘導コイルがさらに設けられる構成であってもよい。 In the present embodiment, the power receiving unit and the power transmission unit in FIG. 1 have been described by way of example only of a resonance coil to which a capacitor is connected. However, the power reception unit and the power transmission unit are added to the resonance coil. The electromagnetic induction coil may be further provided to supply power to the resonance coil by electromagnetic induction or to extract power.
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
10 非接触給電システム、100 車両、105 負荷、110 受電部、111,221 共振コイル、112,222,C1,C2,C11〜C14,C21 コンデンサ、115 SMR、120 PCU、130 モータジェネレータ、140 動力伝達ギヤ、150 駆動輪、160,160A 整合器、170,170A 整流器、171 ダイオードブリッジ、171A ブリッジ回路、180 DC/DCコンバータ、185 CHR、190 蓄電装置、195,230 通信部、200 送電装置、210 電源装置、220 送電部、240 送電ECU、250 電源部、300 車両ECU、400 商用電源、D11〜D14 ダイオード、F10,F10A フィルタ回路、L1,L2,L3,L4,L5,L6,L21,L22 リアクトル。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
受電コイルを含み、前記外部電源からの電力を受電する受電部と、
複数のダイオードを含み、前記受電部で受けた電力を整流する整流器と、
前記整流器に接続される負荷とを備え、
前記整流器は、前記複数のダイオードの各々に対して並列に接続されたコンデンサをさらに含む、非接触受電装置。 A non-contact power receiving device for receiving power from an external power source in a non-contact manner,
A power receiving unit that includes a power receiving coil and receives power from the external power source;
A rectifier that includes a plurality of diodes and rectifies the power received by the power receiving unit;
A load connected to the rectifier,
The non-contact power receiving device, wherein the rectifier further includes a capacitor connected in parallel to each of the plurality of diodes.
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Cited By (7)
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