JP2016127647A - Power transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、送電装置に関し、詳しくは、受電装置に非接触で電力を送電する送電装置に関する。 The present invention relates to a power transmission device, and more particularly to a power transmission device that transmits power to a power receiving device in a contactless manner.
従来、この種の技術としては、駆動周波数に応じた交流電流をインバータから送電コイルに出力し、送電コイルから送電された電力を磁気的結合により受電コイルにより受電し、受電した電力を直流電力に変換してバッテリを充電する非接触給電システムが提案されている(例えば、特許文献1参照)。このシステムでは、バッテリへの出力電圧および出力電流と、バッテリへの充電電力指令とに基づいて、インバータの駆動周波数をフィードバック制御している。 Conventionally, as this type of technology, an alternating current corresponding to the drive frequency is output from the inverter to the power transmission coil, the power transmitted from the power transmission coil is received by the power reception coil by magnetic coupling, and the received power is converted to DC power. A non-contact power feeding system that converts and charges a battery has been proposed (see, for example, Patent Document 1). In this system, the drive frequency of the inverter is feedback-controlled based on the output voltage and output current to the battery and the charge power command to the battery.
非接触送電システムにおける送電装置では、送電用の交流電力の周波数と電力を調整するためにパルス幅変調(PWM:pulse width modulation)制御により駆動するインバータを備える場合が多い。この場合、インバータは、一般的に、図8に示されるように、4つのスイッチング素子Q91〜Q94と、このスイッチング素子Q91〜Q94に逆方向に並列接続された4つのダイオードD91〜D94とにより構成される。スイッチング素子Q91〜Q94は、それぞれ正極母線と負極母線とに対してソース側とシンク側になるよう2個ずつペアで配置されており、対となるスイッチング素子同士の接続点の各々に送電用コイルの両端子が接続される。 In many cases, a power transmission device in a non-contact power transmission system includes an inverter that is driven by pulse width modulation (PWM) control in order to adjust the frequency and power of AC power for power transmission. In this case, the inverter is generally composed of four switching elements Q91 to Q94 and four diodes D91 to D94 connected in parallel to the switching elements Q91 to Q94 in the reverse direction, as shown in FIG. Is done. Two switching elements Q91 to Q94 are arranged in pairs so as to be on the source side and the sink side with respect to the positive electrode bus and the negative electrode bus, respectively, and a power transmission coil is connected to each connection point of the paired switching elements. Are connected to each other.
こうしたインバータを備える送電装置では、PWM制御による交番電圧に対して電流の位相が進む(進角する)場合がある。図9にスイッチング素子Q91〜Q94のオンオフ状態とインバータの出力電圧,電流の状態との関係の一例を示す。図の「インバータ出力電圧,電流」において、実線の折れ線は出力電圧を示し、実線のサインカーブは電圧位相に対して電流位相が進角しているときの電流を示している。いま、スイッチング素子Q91がオフの状態からオンの状態に移行するときを考える。スイッチング素子Q91がオフの状態の時間T1では、インバータ出力電圧は値0であるが、電流は位相が進んでいるから正の値となる。このとき、電流は、図10(a)に示すように、送電用コイル側の下の電力ラインからオン状態のスイッチング素子Q94,オン状態のスイッチング素子Q93およびダイオードD93,送電用コイル側の上の電力ラインの順に流れる。スイッチング素子Q91をオンした直後の時間T2では、インバータ出力電圧は正の値となり、電流は正の値を保持している。このとき、電流は、図10(b)に示すように、正極母線(上側の母線)からオン状態のスイッチング素子Q91を介して送電用コイル側の上の電力ラインに流れると共に、送電用コイル側の下の電力ラインからオン状態のスイッチング素子Q94を介して負極母線(下側の母線)に流れる。ダイオードD93には、スイッチング素子Q91をオフ状態の時間T1では順バイアスが与えられており、スイッチング素子Q91がオンした直後の時間T2では逆バイアスが与えられることになる。このため、ダイオードのリカバリ特性により、ダイオードD93には図10(b)の太矢印に示すようにリカバリ電流が流れる。このリカバリ電流は短絡電流であるため、送電装置の誤作動や故障の要因となる場合が生じる。 In a power transmission device including such an inverter, the phase of current may advance (advance) with respect to an alternating voltage by PWM control. FIG. 9 shows an example of the relationship between the on / off states of switching elements Q91 to Q94 and the output voltage and current states of the inverter. In “Inverter output voltage and current” in the figure, the solid broken line indicates the output voltage, and the solid line sine curve indicates the current when the current phase is advanced with respect to the voltage phase. Consider a case where the switching element Q91 shifts from an off state to an on state. At time T1 when switching element Q91 is off, the inverter output voltage has a value of 0, but the current has a positive value because the phase has advanced. At this time, as shown in FIG. 10A, the current flows from the lower power line on the power transmission coil side to the on-state switching element Q94, the on-state switching element Q93, the diode D93, and the power transmission coil side. It flows in the order of the power lines. At time T2 immediately after the switching element Q91 is turned on, the inverter output voltage has a positive value, and the current maintains a positive value. At this time, as shown in FIG. 10 (b), the current flows from the positive bus (upper bus) to the power line on the power transmission coil side via the switching element Q91 in the ON state, and at the power transmission coil side. Flows from the lower power line to the negative bus (lower bus) via the switching element Q94 in the on state. A forward bias is applied to the diode D93 at time T1 when the switching element Q91 is in the OFF state, and a reverse bias is applied at time T2 immediately after the switching element Q91 is turned on. For this reason, due to the recovery characteristics of the diode, a recovery current flows through the diode D93 as shown by the thick arrow in FIG. Since this recovery current is a short-circuit current, it may cause a malfunction or failure of the power transmission device.
また、目標とする電力を送電するためには、PWM制御による交番電圧のデューティを調整する必要もある。PWM制御による交番電圧に対して電流の位相が進角しないように調整することができても、PWM制御による交番電圧のデューティを変更すると、交番電圧の立ち上がりが変更されるため、交番電圧に対して電流の位相も変化してしまう。このため、目標とする電力を送電するには、交番電圧のデューティと電流の位相とを適正に調整する必要がある。発明者は、交番電圧に対して電流の位相は、PWM制御による交番電圧の周波数を変更することにより変化する知見を得た。従って、目標とする電力を送電するには、交番電圧のデューティと周波数とを適正に調整すればよいことになる。 In order to transmit the target power, it is necessary to adjust the duty of the alternating voltage by PWM control. Even if it can be adjusted so that the phase of the current does not advance with respect to the alternating voltage by PWM control, if the duty of the alternating voltage by PWM control is changed, the rising of the alternating voltage is changed. As a result, the phase of the current also changes. For this reason, in order to transmit the target power, it is necessary to appropriately adjust the duty of the alternating voltage and the phase of the current. The inventor has obtained knowledge that the phase of the current with respect to the alternating voltage is changed by changing the frequency of the alternating voltage by PWM control. Therefore, in order to transmit the target power, it is only necessary to appropriately adjust the duty and frequency of the alternating voltage.
本発明の送電装置は、より適した周波数とデューティとを用いて目標とする電力を送電することを主目的とする。 The main purpose of the power transmission device of the present invention is to transmit target power using a more suitable frequency and duty.
本発明の送電装置は、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。 The power transmission device of the present invention employs the following means in order to achieve the main object described above.
本発明の送電装置は、
受電装置に非接触で電力を送電する送電装置であって、
複数のスイッチング素子と複数のダイオードとを有し、外部電源起因の直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータからの交流電力を前記受電装置の受電部に送電する送電部と、
前記インバータの複数のスイッチング素子をスイッチング制御することにより前記交流電力を調整する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記受電部と前記送電部との結合係数を演算し、前記結合係数に基づいて動作点周波数とは異なる周波数を初期周波数として設定し、前記初期周波数から前記動作点周波数側への周波数の変更と前記交流電力のデューティの変更とにより、前記送電部への出力電流の電流位相が出力電圧に対して遅角側の所定範囲内となるように且つ目標電力が送電されるように周波数とデューティを求める手段である、
ことを特徴とする。
The power transmission device of the present invention is
A power transmission device that transmits power to a power receiving device in a contactless manner,
An inverter having a plurality of switching elements and a plurality of diodes, and converting DC power derived from an external power source into AC power;
A power transmission unit that transmits AC power from the inverter to a power reception unit of the power reception device;
Control means for adjusting the AC power by switching control of a plurality of switching elements of the inverter;
With
The control means calculates a coupling coefficient between the power reception unit and the power transmission unit, sets a frequency different from the operating point frequency as an initial frequency based on the coupling coefficient, and moves from the initial frequency to the operating point frequency side. The target power is transmitted so that the current phase of the output current to the power transmission unit falls within a predetermined range on the retard side with respect to the output voltage by changing the frequency of the power and the duty of the AC power Is a means to determine the frequency and duty.
It is characterized by that.
この本発明の送電装置では、受電部と送電部との結合係数を演算し、演算した結合係数に基づいて動作点周波数とは異なる周波数を初期周波数として設定する。続いて、初期周波数から動作点周波数側に向けての周波数の変更と交流電力のデューティの変更とを行なって、送電部への出力電流の電流位相が出力電圧に対して遅角側の所定範囲内となるように且つ目標電力が送電されるように周波数とデューティを求める。そして、こうして求めた周波数とデューティとを用いてインバータを制御して電力を送電する。これにより、より適した周波数とデューティとにより電力を送電することができる。ここで、動作点周波数は、受電部と送電部との送受電における設計上の周波数を意味している。遅角側の所定範囲は、電流位相が出力電力に対して同一であるとみなすことができる程度の遅角側の範囲であり、適宜定めることができる。 In the power transmission device of the present invention, the coupling coefficient between the power receiving unit and the power transmission unit is calculated, and a frequency different from the operating point frequency is set as the initial frequency based on the calculated coupling coefficient. Subsequently, by changing the frequency from the initial frequency toward the operating point frequency and changing the duty of the AC power, the current phase of the output current to the power transmission unit is within a predetermined range on the retard side with respect to the output voltage. The frequency and the duty are obtained so that the target power is transmitted within the range. Then, the inverter is controlled using the frequency and the duty thus obtained to transmit power. Thereby, electric power can be transmitted with a more suitable frequency and duty. Here, the operating point frequency means a design frequency in power transmission / reception between the power reception unit and the power transmission unit. The predetermined range on the retarded side is a retarded range that allows the current phase to be regarded as the same as the output power, and can be determined as appropriate.
こうした本発明の送電装置において、前記制御手段は、前記電流位相が出力電圧に対して遅角する側の周波数を前記初期周波数として設定する手段であるものとしてもよい。こうすれば、電流位相が出力電圧に対して遅角している状態から周波数を変更するから、リカバリ電流が流れるのを抑制することができる。 In such a power transmission device of the present invention, the control means may be means for setting, as the initial frequency, a frequency at which the current phase is retarded with respect to an output voltage. By so doing, the frequency is changed from the state where the current phase is retarded with respect to the output voltage, and therefore it is possible to suppress the flow of the recovery current.
また、本発明の送電装置において、前記制御手段は、前記交流電力の周波数を前記初期周波数としてデューティを比較的大きな所定デューティとし、前記交流電力の周波数を変更して前記目標電力が送電されるようにするステップと、デューティを小さくするステップと、を繰り返して、前記電流位相が前記所定範囲内で前記目標電力が送電されるようにすることにより、前記目標電力を送電するのに適した周波数とデューティとを求める手段であるものとしてもよい。こうすれば、電流位相が出力電圧に対して遅角側の所定範囲内となるようにして目標電力を送電することができる。 In the power transmission device of the present invention, the control unit may transmit the target power by changing the frequency of the AC power to a predetermined duty with the frequency of the AC power as the initial frequency and a relatively large duty. And the step of reducing the duty, and the target power is transmitted within the predetermined range of the current phase, thereby making the frequency suitable for transmitting the target power. It may be a means for obtaining the duty. By so doing, it is possible to transmit the target power such that the current phase is within a predetermined range on the retard side with respect to the output voltage.
さらに、本発明の送電装置において、前記制御手段は、前記複数のスイッチング素子のうちの何れかのスイッチング素子のオンまたはオフのタイミングにおける電流が所定電流範囲内のときに前記電流位相が前記出力電圧に対して遅角側の所定範囲内であると判定するものとしてもよい。 Further, in the power transmission device according to the present invention, the control means may be configured such that the current phase is the output voltage when the current at the on or off timing of any one of the plurality of switching elements is within a predetermined current range. It is good also as what determines with being in the predetermined range at the retard angle side.
また、本発明の送電装置において、前記制御手段は、前記インバータの出力インピーダンスに基づいて前記結合係数を演算する手段であるものとしてもよい。インバータの出力インピーダンスは結合係数の関数とみなすことができるからである。この場合、前記制御手段は、前記出力インピーダンスが前記送電部の自己インダクタンスと前記受電部の自己インダクタンスと前記受電部を除く前記受電装置のインピーダンスと前記結合係数との関数であるとして前記結合係数を演算する手段であるものとしてもよい。更にこの場合、前記制御手段は、前記受電部の自己インダクタンスおよび前記受電装置の前記受電部より後方のインピーダンスを定数として扱って前記結合係数を演算する手段であるものとしてもよい。受電装置が規格化されており、受電部の自己インダクタンスや受電部より後方のインピーダンスが変化しないに等しい場合には、これらを定数として扱うことができるからである。ここで、受電部を除く受電装置のインピーダンスは、受電部より後方のインピーダンスを意味している。また、前記制御手段は、前記受電部の自己インダクタンスおよび前記受電部を除く前記受電装置のインピーダンス、または、前記受電部の自己インダクタンスと前記受電装置の前記受電部より後方のインピーダンスとの比、を前記受電装置から取得して前記結合係数を演算する手段であるものとしてもよい。こうすれば、受電装置が規格化されていない場合でも、出力インピーダンスをより正確に演算することができ、結合係数をより正確に演算することができる。なお、受電部の自己インダクタンスと受電部より後方のインピーダンスとの比を取得する場合でもよいのは、出力インピーダンスは受電部の自己インダクタンスに比例すると共に受電部より後方のインピーダンスに反比例する関係を有するからである。 Moreover, the power transmission apparatus of this invention WHEREIN: The said control means is good also as a means which calculates the said coupling coefficient based on the output impedance of the said inverter. This is because the output impedance of the inverter can be regarded as a function of the coupling coefficient. In this case, the control means determines that the output coefficient is a function of the self-inductance of the power transmitting unit, the self-inductance of the power receiving unit, the impedance of the power receiving device excluding the power receiving unit, and the coupling coefficient. It may be a means for calculating. Further, in this case, the control means may be means for calculating the coupling coefficient by treating the self-inductance of the power receiving unit and the impedance behind the power receiving unit of the power receiving device as constants. This is because when the power receiving device is standardized and the self-inductance of the power receiving unit and the impedance behind the power receiving unit are not changed, these can be treated as constants. Here, the impedance of the power receiving device excluding the power receiving unit means the impedance behind the power receiving unit. In addition, the control means, the self-inductance of the power receiving unit and the impedance of the power receiving device excluding the power receiving unit, or the ratio of the self inductance of the power receiving unit and the impedance behind the power receiving unit of the power receiving device, It is good also as what is acquired from the said power receiving apparatus, and is a means to calculate the said coupling coefficient. In this way, even when the power receiving apparatus is not standardized, the output impedance can be calculated more accurately, and the coupling coefficient can be calculated more accurately. Note that the ratio between the self-inductance of the power receiving unit and the impedance behind the power receiving unit may be obtained because the output impedance is proportional to the self inductance of the power receiving unit and inversely proportional to the impedance behind the power receiving unit. Because.
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および図2は本発明の一実施例としての送電装置130を備える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,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、送電装置130から非接触で受電可能な受電装置30とを搭載する自動車20と、を備える。
FIG. 1 and FIG. 2 are block diagrams showing an outline of a 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、を備える。また、送電装置130は、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、AC/DCコンバータ140と、インバータ142と、フィルタ144と、送電用共振回路132と、を備える。AC/DCコンバータ140は、交流電源190からの交流電力を任意の電圧の直流電力に変換する周知のDC/DCコンバータとして構成されている。インバータ142は、図3に例示するように、4つのスイッチング素子Q1〜Q4と、このスイッチング素子Q1〜Q4に逆方向に並列接続された4つのダイオードD1〜D4と、平滑コンデンサCとにより構成されている。4つのスイッチング素子Q1〜Q4としては、例えばMOSFET(電界効果トランジスタの一種:metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)を用いることができる。なお、スイッチング素子Q1〜Q4は、それぞれ正極母線と負極母線とに対してソース側とシンク側になるよう2個ずつペアで配置されており、対となるスイッチング素子同士の接続点の各々に送電用コイルの両端子が接続されている。インバータ142は、スイッチング素子Q1〜Q4をスイッチング制御するパルス幅変調(PWM:pulse width modulation)制御により、AC/DCコンバータ140からの直流電力を所望の周波数の交流電力に変換する。フィルタ144は、コンデンサとインダクタによる高周波ノイズを除去する周知のフィルタとして構成されており、インバータ142からの交流電力の高周波ノイズを除去する。
The
送電用共振回路132は、例えば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。したがって、インバータ142では、基本的には、AC/DCコンバータ140からの直流電力を所定周波数Fsetの交流電力に変換する。
The power
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、以下の電流および電圧が入力ポートを介して入力されている。インバータ142によって変換された交流電力の電流(出力電流)Isを検出する電流センサ150からの出力電流Is。インバータ142から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からの電圧Vs。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154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156からの送電用共振回路132の端子間電圧(送電電圧)Vtr。なお、電圧検出ユニット152,156は、整流回路と電圧センサとを有する。また、送電ECU170からは、AC/DCコンバータ140への制御信号やインバータ142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、を備える。インバータ24とバッテリ26との間にはシステムメインリレー28が設けられている。また、自動車20は、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、フィルタ42と、整流器44と、を備える。受電用共振回路32は、例えば車体底面(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。フィルタ42は、コンデンサとインダクタによる1段或いは2段の高周波ノイズを除去する周知のフィルタとして構成されており、受電用共振回路32により受電した交流電力の高周波ノイズを除去する。整流器44は、例えば、4つのダイオードを用いた周知の整流回路として構成されており、受電用共振回路32により受電しフィルタ42により高周波ノイズが除去された交流電力を直流電力に変換する。なお、受電ユニット31はリレー48によりバッテリ26から切り離すことができるようになっている。
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の駆動制御に必要なデータが入力ポートを介して入力されている。また、車両ECU70には、整流器44により整流された直流電力の電流(受電電流)Ireを検出する電流センサ50からの受電電流Ireや、この直流電力の電圧(受電電圧)Vreを検出する電圧センサ52からの受電電圧Vreなどが入力ポートを介して入力されている。車両ECU70からは、モータ22を駆動するためにインバータ24の図示しないスイッチング素子をスイッチング制御するための制御信号や、システムメインリレー28へのオンオフ信号などが出力ポートを介して出力されている。なお、車両ECU70は、バッテリ26に取り付けられた図示しない電流センサにより検出された電池電流Ibやバッテリ26に取り付けられた図示しない電圧センサにより検出された電池電圧Vb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
次に、こうして構成された非接触送受電システム10における送電装置130の動作、特にインバータ142の周波数と交流電力のデューティとを調整する際の動作について説明する。図4は、送電ECU170により実行される周波数・デューティ調整処理の一例を示すフローチャートである。
Next, the operation of the
周波数・デューティ調整処理が実行されると、送電ECU170は、まず、電流センサ150からのインバータ142の出力電流Isと電圧検出ユニット152からの電圧Vsとを入力し(ステップS100)、出力電流Isと出力電圧Vsとに基づいてインバータ142からの出力インピーダンスZsを計算する(ステップS110)。ここで、インピーダンスZsを計算する際の出力電流Isとしては実効値を用いる。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S120)。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」は受電用共振回路32より後方(フィルタ42側)のインピーダンスである。ここで、受電用コイル34の自己インダクタンスL2と受電用共振回路32より後方(フィルタ42側)のインピーダンスRLについては定数として扱うことができる。受電装置30は自動車20に搭載されるため、その仕様を異なるものとすることもできるが、送受電の効率を良好に保つためには一定の規格の受電装置30とする必要がある。このため、規格化された受電装置30を考えると、自己インダクタンスL2とインピーダンスRLは定数として扱うことができるのである。なお、実施例の非接触送受電システム10では、受電装置30と送電装置130は通信ユニット80と通信ユニット180とにより通信しているから、送電装置130は、自己インダクタンスL2およびインピーダンスRL(或いは自己インダクタンスL2とインピーダンスRLとの比(L2/RL))を、通信により自動車20から取得するものとしてもよい。
When the frequency / duty adjustment process is executed, the
結合係数kを求めると、結合係数kに基づいてインバータ142からの交流電力の初期周波数fstを決定する(ステップS130)。初期周波数fstは、実施例では、結合係数kが所定値以上のときには力率が非常に悪くなる程度まで所定周波数Fsetより小さくした周波数(例えば、Fset−α)を初期周波数fstとして設定し、結合係数kが所定値未満のときには力率が非常に悪くなる程度まで所定周波数Fsetより大きくした周波数(例えば、Fset+α)を初期周波数fstとして設定する。図5に、結合係数kと周波数fと電流位相θとの関係の一例を示す。結合係数kが大きいときには、電流位相θは周波数fが小さくなるほど遅角する。一方、結合係数kが小さいときには、電流位相θは周波数fが大きくなるほど遅角する。したがって、上述のように初期周波数fstを設定するのは、デューティを大きくしたときに、電流位相θが出力電圧に対して遅角するようにすると共に電力を殆ど送電できないようにするためである。なお、初期周波数fstを決定すると、インバータ142からの交流電力が初期周波数fstとなるようにスイッチング素子Q1〜Q4をスイッチング制御する。
When the coupling coefficient k is obtained, the initial frequency fst of AC power from the
ここで、インバータ142から出力電流の位相(電流位相)θが出力電圧に対して進角したり遅角したりする理由について説明する。送電装置130の送電用共振回路132は共振周波数が所定周波数Fsetとなるように設計されており、自動車20に搭載された受電装置30の受電用共振回路32も共振周波数が所定周波数Fsetとなるように設計されている。このため、部品の製造誤差がなく、且つ、送受電時の送電用共振回路132と受電用共振回路32とが設計上の位置に正確にあれば、電流位相θは、出力電圧に対して進角することも遅角することもない。しかし、送電用共振回路132や受電用共振回路32の部品には製造誤差があり、周波数・位相特性が個体によって変化する。このため、出力電圧に対して出力電流Isの位相θが進角したり遅角したりする。また、送受電時の送電用共振回路132と受電用共振回路32との位置は、自動車20の駐車によって定まるため、設計上の位置にはならない場合が多い。送受電時の送電用共振回路132と受電用共振回路32との位置がずれると、結合係数kやインダクタンスが変化し、周波数・位相特性が変化する。このため、出力電圧に対して出力電流Isの位相θが進角したり遅角したりする。さらに、インバータ142をパルス幅変調制御により交流電力に変換している場合には、デューティの変更によって出力電圧の立ち上がりタイミングが変化するから、これにより、電流波形は何ら変化していないのに出力電圧に対して電流位相θが進角した状態になってしまう場合も生じる。なお、インバータ142から出力電流の位相θが出力電圧に対して進角している場合の不都合については、本明細書の「発明が解決しようとする課題」で詳述したように、インバータ142を構成するダイオードD3にリカバリ電流が流れ、これが短絡電流となるために送電装置130の誤作動や故障の要因となる場合が生じることである。したがって、ステップS130で初期周波数fstを、電流位相θが出力電圧に対して遅角するように決定することにより、周波数fやデューティを変更する際に出力電流の位相θが出力電圧に対して進角することによって生じ得る不都合を回避することができる。
Here, the reason why the phase (current phase) θ of the output current from the
こうして初期周波数fstを決定すると、次にインバータ142からの交流電力のデューティを所定デューティに増加する(ステップS140)。所定デューティとしては、実施例では、最大デューティより若干小さいデューティを用いるものとした。初期周波数fstは力率が非常に悪くなるように定められているから、大きなデューティとしても、電力は殆ど送電されない。
When the initial frequency fst is determined in this way, the duty of the AC power from the
続いて、目標電力が送電されるようになるまで周波数fを所定周波数fset側に微量周波数Δfずつ変更する(ステップS150,S160)。周波数fを所定周波数fset側に変更すると、電流位相θが進角して出力電圧の位相に近づくため、力率が改善され、電力が送電されるようになる。したがって、ステップS150,S160の処理は、周波数fを微量周波数Δfずつ変更して、目標電力を送電するようにするのである。 Subsequently, the frequency f is changed to the predetermined frequency fset side by a minute frequency Δf until the target power is transmitted (steps S150 and S160). When the frequency f is changed to the predetermined frequency fset side, the current phase θ is advanced and approaches the phase of the output voltage, so that the power factor is improved and electric power is transmitted. Therefore, the processing in steps S150 and S160 is to change the frequency f by a minute amount Δf and transmit the target power.
目標電力を送電するようになると、スイッチング素子Q1をターンオンする際のインバータ142から出力電流Isを検出し(ステップS170)、出力電流Isが負の値の閾値Irefと値0とにより設定される所定電流範囲内であるか否かを判定する(ステップS180)。図6に、インバータ142のスイッチング素子Q1〜Q4のオンオフ状態とインバータ142の出力電圧や出力電流の時間変化の一例を示す。図中の「インバータ出力電圧,電流」において、実線の折れ線は出力電圧を示し、実線のサインカーブは出力電圧に対して電流位相θが進角しているときの電流を示し、破線のサインカーブは出力電圧に対して電流位相θが遅角しているときの電流を示している。図示するように、スイッチング素子Q1をオンするタイミングの時間T2では、出力電圧に対して電流位相θが進角しているときには出力電流Isは正の値となり、出力電圧に対して電流位相θが遅角しているときには出力電流Isは負の値となる。したがって、出力電流Isが所定電流範囲内となることは、電流位相θが出力電圧に対して遅角側の所定範囲内となることを意味している。電流位相θが出力電圧に対して進角すると、図6の実線のサインカーブの状態となり、本明細書の「発明が解決しようとする課題」で図10を用いて説明したように電流が流れる。即ち、図6においてスイッチング素子Q1(図9ではQ91)がオンとなる直前の時間T1では図10(a)に示すように電流が流れ、スイッチング素子Q1(図9ではQ91)がオンとなった直後の時間T2では図10(b)に示すように電流が流れる。ダイオードD3(図10ではD93)には、スイッチング素子Q1をオンする直前の時間T1では順バイアスが与えられており、スイッチング素子Q1がオンした直後の時間T2では逆バイアスが与えられることになる。このため、ダイオードのリカバリ特性により、ダイオードD3(図10ではD93)には図10(b)の太矢印に示すようにリカバリ電流が流れ、不都合が生じ得る。電流位相θが出力電圧に対して遅角しているとき(図6の破線のサインカーブのとき)には、以下のように電流が流れる。図6においてスイッチング素子Q1がオンとなる直前の時間T1では、電流は、図7(a)に示すように、送電用コイル側の上の電力ラインからオン状態のスイッチング素子Q3,オン状態のスイッチング素子Q4およびダイオードD4を介して送電用コイル側の下の電力ラインに流れる。図6においてスイッチング素子Q1がオンとなった直後の時間T2では、電流は、図7(b)に示すように、送電用コイル側の上の電力ラインからオン状態のスイッチング素子Q1を介して電源側の正極母線に流れると共に電源側の負極母線からオン状態のスイッチング素子Q4およびダイオードD4を介して送電用コイル側の下の電力ラインに流れる。ダイオードD3には、スイッチング素子Q1をオンする直前の時間T1でもスイッチング素子Q1がオンした直後の時間T2でも逆バイアスが与えられるから、リカバリ電流は流れない。したがって、電流位相θが出力電圧に対して遅角側の所定範囲内にあるときには、ダイオードD3にはリカバリ電流は流れず、これによる不都合も生じない。
When the target power is transmitted, the output current Is is detected from the
ステップS180で出力電流Isが所定電流範囲内にないと判定されたときには、デューティを減少量Δdだけ小さくし(ステップS190)、目標電力が送電されるようになるまで周波数fを所定周波数fset側に微量周波数Δfずつ変更する処理(ステップS150,S160)に戻る。こうした処理を繰り返すうちに、ステップS180で出力電流Isが所定電流範囲内であると判定されると、そのときの周波数fとデューティとが送電に適した周波数fとデューティであると判断し、本処理を終了する。こうした周波数・デューティ調整処理が終了すると、そのときの周波数fとデューティとによる目標電力の送電を継続して実行する。 When it is determined in step S180 that the output current Is is not within the predetermined current range, the duty is decreased by the decrease amount Δd (step S190), and the frequency f is set to the predetermined frequency fset side until the target power is transmitted. The process returns to the process of changing the minute frequency Δf (steps S150 and S160). While repeating such processing, if it is determined in step S180 that the output current Is is within the predetermined current range, it is determined that the frequency f and duty at that time are the frequency f and duty suitable for power transmission. The process ends. When such frequency / duty adjustment processing is completed, transmission of target power using the frequency f and duty at that time is continued.
以上説明した実施例の非接触送受電システム10における送電装置130では、インバータ142の出力インピーダンスZsを計算し、出力インピーダンスZsに基づいて結合係数kを求める。そして、結合係数kに基づいて初期周波数fstを設定し、デューティを所定デューティとする。そして、目標電力が送電されるようになるまで周波数fを所定周波数fset側に微量周波数Δfずつ変更する処理とデューティを減少量Δdだけ小さくする処理とを、目標電力が送電されるようになった際にスイッチング素子Q1をターンオンするタイミングにおけるインバータ142の出力電流Isが負の値の閾値Irefと値0とにより設定される所定電流範囲内となるまで繰り返す。そして、得られた周波数fとデューティとによる送電を行なう。このとき、電流位相θは出力電圧に対して遅角側の所定範囲内となるから、スイッチング素子Q1がオンとなるタイミングにおいてダイオードD3にリカバリ電流が流れないようにすることができる。これらにより、より適正な周波数とデューティとを用いて目標電力を送電することができる。
In the
実施例の非接触送受電システム10における送電装置130では、スイッチング素子Q1をターンオンする際のインバータ142からの出力電流Isが所定電流範囲内であるか否かを判定した。しかし、出力電流Isが所定電流範囲内となることは、電流位相θが出力電圧に対して遅角側の所定範囲内となることを意味しているから、電流位相θを検出し、電流位相θが出力電圧に対して遅角側の所定範囲内であるか否かを判定するものとしてもよい。
In the
実施例の非接触送受電システム10における送電装置130では、結合係数kが所定値以上のときには所定周波数Fsetより小さい周波数(例えば、Fset−α)を初期周波数fstとして設定し、結合係数kが所定値未満のときには所定周波数Fsetより大きい周波数(例えば、Fset+α)を初期周波数fstとして設定するものとした。しかし、周波数・位相特性は、送電装置130や受電装置30の個体差や経年変化により若干異なるものとなる。このため、結合係数kが所定値近傍のときには設計上の周波数・位相特性と異なる場合が生じ、上述の周波数・デューティ調整処理において、スイッチング素子Q1をターンオンする際のインバータ142からの出力電流Isが正の値となり、電流位相θが出力電圧に対して進角してしまう場合が生じる。この場合、初期周波数fstとして反対側の周波数(Fset−αの場合はFset+α、Fset+αの場合はFset−α)を用いて再び周波数・デューティ調整処理を実行すればよい。
In the
実施例では、自動車20に搭載された受電装置30と送電装置130とを有する非接触送受電システム10における送電装置130として説明したが、自動車以外の車両や移動体に搭載された受電装置と送電装置とを有する非接触送受電システムにおける送電装置の形態としたり、移動体以外の設備に組み込まれた受電装置と送電装置とを有する非接触送受電システムにおける送電装置の形態としてもよい。
In the embodiment, the
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、非接触送受電システムの送電装置の製造産業などに利用可能である。 The present invention can be used in the manufacturing industry of a power transmission device of a non-contact power transmission / reception system.
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、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、42 フィルタ、44 整流器、48 リレー、50 電流センサ、52 電圧センサ、70 車両用電子制御ユニット(車両ECU)、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 AC/DCコンバータ、142 インバータ、144 フィルタ、150 電流センサ、152 電圧検出ユニット、154 電流センサ、156 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、C コンデンサ、D1〜D4,D91〜D94 ダイオード、Q1〜Q4,Q91〜Q94 スイッチング素子。
DESCRIPTION OF
Claims (1)
複数のスイッチング素子と複数のダイオードとを有し、外部電源起因の直流電力を交流電力に変換するインバータと、
前記インバータからの交流電力を前記受電装置の受電部に送電する送電部と、
前記インバータの複数のスイッチング素子をスイッチング制御することにより前記交流電力を調整する制御手段と、
を備え、
前記制御手段は、前記受電部と前記送電部との結合係数を演算し、前記結合係数に基づいて動作点周波数とは異なる周波数を初期周波数として設定し、前記初期周波数から前記動作点周波数側への周波数の変更と前記交流電力のデューティの変更とにより、前記送電部への出力電流の電流位相が出力電圧に対して遅角側の所定範囲内となるように且つ目標電力が送電されるように周波数とデューティを求める手段である、
ことを特徴とする送電装置。 A power transmission device that transmits power to a power receiving device in a contactless manner,
An inverter having a plurality of switching elements and a plurality of diodes, and converting DC power derived from an external power source into AC power;
A power transmission unit that transmits AC power from the inverter to a power reception unit of the power reception device;
Control means for adjusting the AC power by switching control of a plurality of switching elements of the inverter;
With
The control means calculates a coupling coefficient between the power reception unit and the power transmission unit, sets a frequency different from the operating point frequency as an initial frequency based on the coupling coefficient, and moves from the initial frequency to the operating point frequency side. The target power is transmitted so that the current phase of the output current to the power transmission unit falls within a predetermined range on the retard side with respect to the output voltage by changing the frequency of the power and the duty of the AC power Is a means to determine the frequency and duty.
A power transmission device characterized by that.
Priority Applications (1)
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JP2014265093A JP2016127647A (en) | 2014-12-26 | 2014-12-26 | Power transmission device |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2018038125A (en) * | 2016-08-30 | 2018-03-08 | トヨタ自動車株式会社 | Power transmission device and power transmission system |
JP2018099001A (en) * | 2016-12-16 | 2018-06-21 | 株式会社Soken | Transmission equipment |
JP2019022266A (en) * | 2017-07-12 | 2019-02-07 | トヨタ自動車株式会社 | Non-contact power transmission system |
JP2019030049A (en) * | 2017-07-25 | 2019-02-21 | 株式会社デンソーテン | Charging device and charging system |
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- 2014-12-26 JP JP2014265093A patent/JP2016127647A/en active Pending
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