JP2016086577A - Non-contact power transmission/reception system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、非接触送受電システムに関し、詳しくは、送電コイルを有する送電装置と 受電コイルを有する受電装置およびバッテリを搭載する車両とを備える非接触送受電システムに関する。 The present invention relates to a non-contact power transmission / reception system, and more particularly to a non-contact power transmission / reception system including a power transmission device having a power transmission coil, a power reception device having a power reception coil, and a vehicle equipped with a battery.
従来、この種の非接触送受電システムとしては、上面プレートに載置された電池内蔵機器の上面プレートにおける載置位置を複数の位置検出コイルを用いて検出する充電台を備えるものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。この充電台では、電池内蔵機器内の誘導コイルに電力を誘導する電源コイルと、この電源コイルを移動させる移動機構とを備えている。そして、電池内蔵機器が面プレートに載置されると、複数の位置検出コイルによって電池内蔵機器の載置位置を検出し、検出した載置位置に電源コイルを移動させて電池内蔵機器内の電池を充電する。 Conventionally, as this type of non-contact power transmission / reception system, a system including a charging stand for detecting a mounting position on a top surface plate of a battery built-in device mounted on a top surface plate using a plurality of position detection coils has been proposed. (For example, refer to Patent Document 1). This charging stand includes a power supply coil that induces electric power to an induction coil in the battery built-in device, and a moving mechanism that moves the power supply coil. Then, when the battery built-in device is placed on the face plate, the position of the battery built-in device is detected by a plurality of position detection coils, and the power coil is moved to the detected placement position, and the battery in the battery built-in device is moved. To charge.
しかしながら、上述の非接触送受電システムでは、電池内蔵機器の載置位置を正確に検出するためには充電台に複数の位置検出コイルを組み込む必要がある。このため、充電台を構成する部品点数が多くなり、装置が複雑なものになってしまう。また、電源コイルを移動させる移動機構も必要となり、更に装置が複雑になると共に大型化してしまう。 However, in the non-contact power transmission / reception system described above, it is necessary to incorporate a plurality of position detection coils in the charging stand in order to accurately detect the placement position of the battery built-in device. For this reason, the number of parts which comprise a charging stand increases, and an apparatus will become complicated. In addition, a moving mechanism for moving the power supply coil is required, which further complicates the apparatus and increases the size.
本発明の非接触送受電システムは、部品点数の増加を抑制しつつ送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとのコイル間距離をより適正に求めることを主目的とする。 The non-contact power transmission / reception system of the present invention is mainly intended to more appropriately obtain the inter-coil distance between the power transmission coil of the power transmission device and the power reception coil of the power reception device while suppressing an increase in the number of components.
本発明の非接触送受電システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The non-contact power transmission / reception system of the present invention employs the following means in order to achieve the main object described above.
本発明の非接触送受電システムは、
送電コイルを有する送電装置と、
バッテリと、受電コイルを用いて前記送電装置から非接触で受電して前記バッテリを充電可能な受電装置と、を有する車両と、
を備える非接触送受電システムであって、
車高を検出する車高センサと、
前記送電装置から前記受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に、前記出力インピーダンスと前記車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、該コイル間距離を送電の制御に用いる制御手段と、
を備えることを特徴とする。
The non-contact power transmission and reception system of the present invention is
A power transmission device having a power transmission coil;
A vehicle having a battery and a power receiving device capable of receiving power from the power transmission device in a non-contact manner using a power receiving coil and charging the battery; and
A non-contact power transmission and reception system comprising:
A vehicle height sensor for detecting the vehicle height;
When power is transmitted from the power transmission device to the power reception device, the output impedance is calculated, and the distance between the power transmission coil and the power reception coil is calculated based on the output impedance and the vehicle height. Means for controlling the transmission of power,
It is characterized by providing.
本発明の非接触送受電システムでは、送電装置から受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に、出力インピーダンスと車高とに基づいて送電コイルと受電コイルのコイル間距離を算出する。出力インピーダンスは近似的に結合係数の関数として表わすことができるから、出力インピーダンスから結合係数を求め、結合係数から送電コイルと受電コイルの水平方向の距離を求めることができる。したがって、車高により推定される送電コイルと受電コイルの垂直方向の距離と出力インピーダンスから推定される送電コイルと受電コイルの水平方向の距離とによりコイル間距離を求めることができる。車高を検出する車高センサを有するようにするだけで、送電装置における部品点数の増加なしに送電コイルと受電コイルのコイル間距離をより適正に求めることができる。ここで、制御手段は、送電装置が備えるものとしてもよいし、受電装置が備えるものとしてもよい。制御手段を受電装置が備える場合、コイル間距離やコイル間距離に基づく制御信号を送電装置に送信することにより、コイル間距離を用いて送電を制御することができる。そして、こうして求めたコイル間距離は送電の制御に用いられる。この場合、コイル間距離が小さいほど送電可能電力が大きくなる傾向に受電装置への送電を制御するものとすることもできる。これにより、効率よく送受電することができる。 In the non-contact power transmission / reception system of the present invention, when transmitting power from the power transmission device to the power reception device, the output impedance is calculated, and the distance between the coil of the power transmission coil and the power reception coil is calculated based on the output impedance and the vehicle height. Since the output impedance can be approximately expressed as a function of the coupling coefficient, the coupling coefficient can be obtained from the output impedance, and the horizontal distance between the power transmission coil and the power receiving coil can be obtained from the coupling coefficient. Therefore, the distance between the coils can be obtained from the distance in the vertical direction between the power transmission coil and the power reception coil estimated from the vehicle height and the distance in the horizontal direction between the power transmission coil and the power reception coil estimated from the output impedance. Only by having a vehicle height sensor for detecting the vehicle height, the distance between the coil of the power transmission coil and the power reception coil can be obtained more appropriately without increasing the number of components in the power transmission device. Here, the control means may be included in the power transmission device or may be included in the power reception device. When the power receiving device includes the control means, power transmission can be controlled using the inter-coil distance by transmitting a control signal based on the inter-coil distance or the inter-coil distance to the power transmitting device. The inter-coil distance thus obtained is used for power transmission control. In this case, the power transmission to the power receiving apparatus can be controlled so that the power that can be transmitted increases as the distance between the coils decreases. As a result, power can be transmitted and received efficiently.
本発明は、送電コイルを有し、車両に搭載された受電装置が有する受電コイルを介して非接触で前記受電装置に送電する送電装置であって、前記送電装置から前記受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に、前記出力インピーダンスと車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、該コイル間距離を用いて送電を制御する、ことを特徴とする送電装置の態様とすることもできる。 The present invention is a power transmission device that has a power transmission coil and transmits power to the power reception device in a non-contact manner via a power reception coil included in a power reception device mounted on a vehicle, and transmits power from the power transmission device to the power reception device. At the time, the output impedance is calculated, the distance between the power transmission coil and the power receiving coil is calculated based on the output impedance and the vehicle height, and power transmission is controlled using the distance between the coils. It can also be set as the aspect of the power transmission apparatus.
また、本発明は、送電装置から送電コイルを介して送電された電力を非接触で受電コイルを介して受電する車載用の受電装置であって、前記送電装置からの電力を受電する際、前記送電装置の出力インピーダンスを計算すると共に、前記出力インピーダンスと車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、該コイル間距離を用いて前記送電装置からの送電を制御する、ことを特徴とする受電装置の態様とすることもできる。 Further, the present invention is a vehicle-mounted power receiving device that receives power transmitted from a power transmitting device via a power transmitting coil in a contactless manner via a power receiving coil, and when receiving power from the power transmitting device, The output impedance of the power transmission device is calculated, the distance between the power transmission coil and the power receiving coil is calculated based on the output impedance and the vehicle height, and the power transmission from the power transmission device is controlled using the distance between the coils. It is also possible to adopt a mode of a power receiving device characterized by the above.
次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。 Next, the form for implementing this invention is demonstrated using an Example.
図1や図2は、本発明の一実施例としての非接触送受電システム10の構成の概略を示す構成図である。実施例の非接触送受電システム10は、図1や図2に示すように、駐車場などに設置された送電装置130と、バッテリ26と送電装置130から非接触で受電してバッテリ26を充電可能な受電装置30とを搭載する自動車20と、を備える。
FIG. 1 and FIG. 2 are configuration diagrams showing an outline of the configuration of a non-contact power transmission /
送電装置130は、家庭用電源(例えば200V,50Hzなど)などの交流電源190に接続される送電ユニット131と、送電ユニット131を制御する送電用電子制御ユニット(以下、「送電ECU」という)170と、送電ECU170と通信すると共に自動車20の通信ユニット80(後述)と無線通信を行なう通信ユニット180と、を備える。
The
送電ユニット131は、送電用共振回路132と、交流電源190と送電用共振回路132との間に設けられた高周波電源回路140と、を備える。ここで、送電用共振回路132は、駐車場の床面などに設置された送電用コイル134と、送電用コイル134に直列に接続されたコンデンサ136と、を有する。この送電用共振回路132は、共振周波数が所定周波数Fset(数十〜数百kHz程度)となるように設計されている。高周波電源回路140は、交流電源190からの電力を所定周波数Fsetの電力に変換して送電用共振回路132に出力する回路として構成されており、フィルタや周波数変換回路,漏電ブレーカなどを有する。
The
送電ECU170は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。送電ECU170には、送電用共振回路132に流れる交流電流を検出する電流センサ150からの送電用共振回路132の電流Itr,送電用共振回路132の端子間の交流電圧を直流電圧に変換して検出する電圧検出ユニット152からの送電用共振回路132の端子間電圧(送電電圧)Vtrなどが入力ポートを介して入力されている。なお、電圧検出ユニット152は、整流回路と電圧センサとを有する。送電ECU170からは、高周波電源回路140への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。
Although not shown,
自動車20は、電気自動車として構成されており、走行用のモータ22と、モータ22を駆動するためのインバータ24と、インバータ24を介してモータ22と電力をやりとりするバッテリ26と、インバータ24とバッテリ26との間に設けられたシステムメインリレー28と、バッテリ26に接続される受電ユニット31と、車両全体を制御する車両用電子制御ユニット(以下、「車両ECU」という)70と、車両ECU70と通信すると共に送電装置130の通信ユニット180と無線通信を行なう通信ユニット80と、を備える。
The
受電ユニット31は、受電用共振回路32と、受電用共振回路32とバッテリ26との間に設けられた充電回路40と、受電用共振回路32と充電回路40との間に設けられた充電用リレー42と、受電用共振回路32と充電用リレー42との間で且つ受電用共振回路と並列で且つ互いに直列に接続されたリレー44および抵抗46と、を備える。ここで、受電用共振回路32は、車体底面(フロアパネル)などに設置された受電用コイル34と、受電用コイル34に直列に接続されたコンデンサ36と、を有する。この受電用共振回路32は、共振周波数が上述の所定周波数Fset(送電用共振回路132の共振周波数)付近の周波数(理想的には所定周波数Fset)となるように設計されている。充電回路40は、受電用共振回路32により受電した交流電力を直流電力に変換してバッテリ26に供給可能な回路として構成されており、整流回路や平滑回路などを有する。充電用リレー42は、受電用共振回路32側と充電回路42側との接続および接続の解除を行なう。リレー44は、受電用共振回路32と充電用リレー42との間の正極側ラインと、受電用共振回路32と充電用リレー42との間の負極側ラインに一方の端子が接続された抵抗の他方の端子と、の接続および接続の解除を行なう。
The
車両ECU70は、図示しないが、CPUを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、CPUの他に、処理プログラムを記憶するROMやデータを一時的に記憶するRAM,入出力ポート,通信ポートを備える。車両ECU70には、モータ22の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサからのモータ22の回転子の回転位置θmや、モータ22の三相コイルの各相に流れる相電流を検出する電流センサからの相電流Iu,Iv,Iw,バッテリ26の端子間に設置された電圧センサ27aからの電池電圧Vb,バッテリ26の正極側端子に取り付けられた電流センサ27bからの電池電流Ib,バッテリ26の温度を検出する温度センサからの電池温度Tbが入力ポートを介して入力されている。また、車両ECU70には、イグニッションスイッチ(スタートスイッチ)からのイグニッション信号,シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジションSP,アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度Acc,ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジションBP,車速センサからの車速V,車高センサ74からの車高Hvが入力ポートを介して入力されている。さらに、車両ECU70には、受電用共振回路32に流れる交流電流を検出する電流センサ50からの受電用共振回路32の電流Ire,電圧検出ユニット52からの受電用共振回路32の端子間電圧(受電電圧)Vre1,電圧検出ユニット54からの充電回路40の入力側の端子間電圧Vre2,電圧検出ユニット56からの抵抗46の端子間電圧Vre3,受電用共振回路32が取り付けられた基板などに取り付けられた温度センサからの受電用共振回路32の温度Treが入力ポートを介して入力されている。電圧検出ユニット52は、受電用共振回路32の端子間の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、変換後の直流電圧を検出する電圧センサと、を有する。電圧検出ユニット54は、充電回路40と充電用リレー42との間に設けられると共に正極側ライン−負極側ライン間の交流電圧(充電回路40の入力側の端子間電圧)を直流電圧に変換する整流回路と、変換後の直流電圧を検出する電圧センサと、を有する。電圧検出ユニット56は、抵抗46の端子間の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、変換後の直流電圧を検出する電圧センサと、を有する。車両ECU70からは、インバータ24の図示しないスイッチング素子へのスイッチング制御信号,システムメインリレー28へのオンオフ信号,充電用リレー42へのオンオフ信号,リレー44へのオンオフ信号,情報を表示出力するディスプレイ72(例えばナビゲーション装置のディスプレイ)への表示制御信号などが出力ポートを介して出力されている。車両ECU70は、電流センサ27bにより検出されたバッテリ26の電池電流Ibの積算値に基づいてバッテリ26の蓄電割合SOCを演算している。
Although not shown, the vehicle ECU 70 is configured as a microprocessor centered on a CPU, and includes a ROM for storing a processing program, a RAM for temporarily storing data, an input / output port, and a communication port in addition to the CPU. . The vehicle ECU 70 detects the rotational position θm of the rotor of the
ここで、実施例では、受電装置30としては、主として、受電ユニット31と車両ECU70と通信ユニット80とが該当する。
Here, in the embodiment, the
こうして構成される実施例の非接触送受電システム10では、送電用共振回路132の送電用コイル134と受電用共振回路32の受電用コイル34とが接近しており且つ充電用リレー42またはリレー44がオンとなっているときに、交流電源190から高周波電源回路140を介して送電用共振回路132に所定周波数Fsetの電力が供給されると、送電用コイル134と受電用コイル34とが電磁場を介して共鳴して、送電用コイル134から受電用コイル34にエネルギ(電力)が伝送される。なお、この共鳴によるエネルギの伝送は、送電用コイル134と受電用コイル34との共鳴強度を示すQ値が所定値Qref(例えば100など)以上のときに行なわれる。
In the non-contact power transmission /
次に、こうした送電が行なわれる際の動作について説明する。図3は、送電開始時に送電ECU170により実行される送電開始時処理の一例を示すフローチャートである。送電開始時処理が実行されると、送電ECU170は、まず、車高Hvを入力し(ステップS100)、入力した車高Hvから送電用コイル134と受信用コイル34との車高方向の距離Lvを推定する(ステップS110)。ここで、車高Hvは、実施例では、自動車20に取り付けられた車高センサ74により検出されて車両ECU70を介して送信されたものを受信することにより入力するものとした。車高方向の距離Lvは、車高Hvをそのまま用いるものとしたり、車高センサ74の取り付け高さと受電用コイル34の中心位置の高さの差分を予め所定値として定めておいて、車高Hvから所定値を減じたものを用いるものとしたりすることができる。
Next, the operation when such power transmission is performed will be described. FIG. 3 is a flowchart illustrating an example of power transmission start processing executed by the
続いて、電圧検出ユニット152により検出される電圧Vsと電流センサ150により検出される電流Isに基づいて高周波電源回路140の出力インピーダンスZsを計算する(ステップS120)。そして、出力インピーダンスZsに基づいて結合係数kを求める(ステップS130)。出力インピーダンスZsは次式(1)に示すように、結合係数kの関数として表わすことができる。式(1)中、「ω」は角周波数、「L1」は送電用コイル134の自己インダクタンス、「L2」は受電用コイル34の自己インダクタンス、「RL」は受電ユニット31より充電回路40側の負荷抵抗である。
Subsequently, the output impedance Zs of the high-frequency
そして、結合係数kに基づいて送電用コイル134と受電用コイル34との巻回平面の平面方向の距離Lhを推定する(ステップS140)。平面方向の距離Lhは、実施例では、結合係数kと送電用コイル134と受電用コイル34との平面方向の距離Lhとの関係を予め実験などにより求めて平面方向距離設定用マップとして定めて記憶しておき、結合係数kが与えられるとマップから対応する平面方向の距離Lhを導出することにより推定するものとした。
Then, the distance Lh in the plane direction of the winding plane between the
こうして送電用コイル134と受電用コイル34と車高方向の距離Lvと平面方向の距離Lhとを求めると、これらから送電用コイル134と受電用コイル34との距離(以下、コイル間距離という)Lを算出する(ステップS150)。図4にコイル間距離Lを求める際の実施例の手法を模式的に示す。そして、コイル間距離Lに基づいて送電可能電力マップを選択し(ステップS160)、選択したマップと送電用コイル134と受電用コイル34との平面方向の距離Lhから送電可能電力を設定する(ステップS170)。図5に送電可能電力マップの一例を示す。図5(a)はコイル間距離Lが比較的小さいときの送電可能電力マップであり、図5(b)はコイル間距離Lが比較的大きいときの送電可能電力マップである。図5(a)(b)のマップは、図示するように、送電用コイル134の中心位置に対する受電用コイル34の中心位置と送電可能電力との関係として示される。送電可能電力は、コイル間距離Lが大きいほど且つ送電用コイル134の中心から受電用コイル34の中心が平面方向に離れるほど小さくなる傾向に設定されている。これは、非接触送受電を効率よく行なうためである。なお、図5中の送電可能電力は例示であり、この数値に限定されるものではない。送電可能電力マップの選択は、実施例では、コイル間距離Lを予め定めた所定値Lrefと比較し、コイル間距離Lが所定値L未満のときに図5(a)のマップを選択し、コイル間距離Lが所定値Lref以上のときに図5(b)のマップを選択するものとした。
Thus, when the distance Lv in the vehicle height direction and the distance Lh in the plane direction are determined from the
こうして送電可能電力を設定すると、設定した送電可能電力とバッテリ26の蓄電割合SOCとに基づいて充電時間を算出し(ステップS180)、本ルーチンを終了する。なお、バッテリ26の蓄電割合SOCは、電流センサ27bにより検出されるバッテリ26の充放電電流Ibの積算値に基づいて演算されたものを車両ECU70から受信したものを用いるものとした。なお、送電可能電力は、送電装置130の高周波電源回路から送電ユニット131を介して受電用コイル34に送電する際の制御に用いられ、充電時間は、車両ECU70に送信されてディスプレイ72などに表示出力される。
When the transmittable power is set in this way, the charging time is calculated based on the set transmittable power and the storage ratio SOC of the battery 26 (step S180), and this routine ends. Note that as the storage ratio SOC of the
以上説明した実施例の非接触送受電システム10によれば、送電用コイル134と受電用コイル34のコイル間距離Lを、車高センサ74からの車高Hvから推定される車高方向の距離Lvと、高周波電源回路140の出力インピーダンスZsに基づいて得られる結合係数kから推定される平面方向の距離Lhと、に基づいて計算することができる。車高センサ74を取り付けるだけで、その他の部品点数を増やすことなく、送電用コイル134と受電用コイル34のコイル間距離Lをより正確に得ることができる。また、コイル間距離Lが大きいほど且つ送電用コイル134の中心から受電用コイル34の中心が平面方向に離れるほど小さくなる傾向に送電可能電力を設定し、設定した送電可能電力に基づいて充電時間を算出するから、充電時間をより正確に算出することができる。
According to the non-contact power transmission /
実施例の非接触送受電システム10では、送電装置130の送電ECU170が図3に例示する送電開始処理を実行するものとしたが、受電装置30の車両ECU70が送電開始処理を実行するものとしてもよい。この場合、電圧検出ユニット152により検出される電圧Vsと電流センサ150により検出される電流Isとを送電ECU170から通信により受信したり、送電ECU170により演算された出力インピーダンスZsを送電ECU170から通信により受信したり、あるいは、送電ECU170により求められた結合係数kを送電ECU170から通信により受信したりしてもよい。
In the contactless power transmission /
実施例の非接触送受電システム10では、自動車20が車高センサ74を備えるものとしたが、送電装置130が車高センサ74を備えるものとしても構わない。
In the non-contact power transmission /
以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was demonstrated using the Example, this invention is not limited at all to such an Example, In the range which does not deviate from the summary of this invention, it is with various forms. Of course, it can be implemented.
本発明は、自動車の製造産業などに利用可能である。 The present invention can be used in the automobile manufacturing industry.
10 非接触送受電システム、20 自動車、22 モータ、24 インバータ、26 バッテリ、27a 電圧センサ、27b 電流センサ、28 システムメインリレー、30 受電装置、31 受電ユニット、32 受電用共振回路、34 受電用コイル、36 コンデンサ、40 充電回路、42 充電用リレー、44 リレー、46 抵抗、50 電流センサ、52,54,56 電圧検出ユニット、70 車両用電子制御ユニット(車両ECU)、72 ディスプレイ、74 車高センサ、80 通信ユニット、130 送電装置、131 送電ユニット、132 送電用共振回路、134 送電用コイル、136 コンデンサ、140 高周波電源回路、150 電流センサ、152 電圧検出ユニット、170 送電用電子制御ユニット(送電ECU)、180 通信ユニット、190 交流電源。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
バッテリと、受電コイルを用いて前記送電装置から非接触で受電して前記バッテリを充電可能な受電装置と、を有する車両と、
を備える非接触送受電システムであって、
車高を検出する車高センサと、
前記送電装置から前記受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に、前記出力インピーダンスと前記車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、該コイル間距離を送電の制御に用いる制御手段と、
を備えることを特徴とする非接触送受電システム。 A power transmission device having a power transmission coil;
A vehicle having a battery and a power receiving device capable of receiving power from the power transmission device in a non-contact manner using a power receiving coil and charging the battery; and
A non-contact power transmission and reception system comprising:
A vehicle height sensor for detecting the vehicle height;
When power is transmitted from the power transmission device to the power reception device, the output impedance is calculated, and the distance between the power transmission coil and the power reception coil is calculated based on the output impedance and the vehicle height. Means for controlling the transmission of power,
A non-contact power transmission / reception system comprising:
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