JP2016220293A - 非接触送電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置において、送電電力を目標値に調整するためのフィードバック制御の応答性を向上させる。【解決手段】電源ECU250は、送電部240へ供給される送電電力の検出値に基づいてインバータ220を制御する。電源ECU250は、受電装置20の受電状況に基づき生成される送電電力目標値に送電電力が近づくように、送電電力の検出値に基づくフィードバック制御を実行する。ここで、送電装置10の電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが大きいときの上記フィードバック制御の制御ゲインは、負荷インピーダンスが小さいときの制御ゲインよりも大きい。【選択図】図1
Description
この発明は、非接触送電装置に関し、特に、受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置における電力制御技術に関する。
特開2014−207795号公報(特許文献1)は、給電装置(送電装置)から車両(受電装置)へ非接触で給電する非接触給電システムを開示する。この非接触給電システムでは、給電装置は、送電コイルと、インバータと、制御部とを備える。送電コイルは、車両に搭載された受電コイルへ非接触で送電する。インバータは、駆動周波数に応じた交流電流を生成して送電コイルへ出力する。制御部は、バッテリへの充電電力指令とバッテリへの出力電力とを車両側から取得し、出力電力が充電電力指令に追従するようにインバータの駆動周波数をフィードバック制御する。
そして、この非接触給電システムにおいては、給電装置から車両への電力供給が開始される場合、バッテリの状態と、コイル間(送電コイルと受電コイル)の結合係数とに基づいて初期周波数が設定され、その初期周波数を駆動周波数の初期値に用いて上記フィードバック制御が開始される(特許文献1参照)。
特許文献1に開示される上記の非接触給電システムは、給電装置から車両への電力供給が開始される際の初期的な応答性を改善できる点で有用であるが、その後の応答性の改善については特に検討されていない。たとえば、電力供給の実行中に、送電コイル(送電部)と受電コイル(受電部)との結合係数が変化すると、送電装置の電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが変化し、上記フィードバック制御の応答性が低下し得る。
この発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、その目的は、受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置において、送電電力を目標値に調整するためのフィードバック制御の応答性を向上させることである。
この発明によれば、非接触送電装置は、送電部と、電源部と、制御部とを備える。送電部は、受電装置へ非接触で送電するように構成される。電源部は、送電部へ送電電力を供給する。制御部は、送電電力の検出値に基づいて電源部を制御する。制御部は、受電装置の受電状況に基づき生成される送電電力目標値に送電電力が近づくように、送電電力の検出値に基づくフィードバック制御を実行する。ここで、電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが大きいときの上記フィードバック制御の制御ゲインは、負荷インピーダンスが小さいときの制御ゲインよりも大きい。
たとえば、送電部(送電コイル)と受電部(受電コイル)との相対位置関係が変化することにより送電部と受電部との結合係数が大きくなると、送電装置の電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが相対的に大きくなる。そうすると、上記フィードバック制御の操作量が大きくなり、フィードバック制御の応答性は低下する。この発明においては、電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが大きいときの制御ゲインは、負荷インピーダンスが小さいときの制御ゲインよりも大きい。これにより、負荷インピーダンスが大きいときの上記フィードバック制御の応答性が改善される。
なお、負荷インピーダンスが小さいときも含めて一律に制御ゲインを大きくすると、負荷インピーダンスが小さいときの制御安定性が損なわれ得る。そこで、この発明においては、上述のように、負荷インピーダンスが大きいときに制御ゲインが大きくされる。これにより、負荷インピーダンスが小さいときの制御安定性を損なうことなく、フィードバック制御の応答性を向上させることができる。
この発明によれば、受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置において、送電電力を目標値に調整するためのフィードバック制御の応答性を向上させることができる。
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、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。
(電力伝送システムの全体構成)
図1は、この発明の実施の形態による非接触送電装置が適用される電力伝送システムの全体構成図である。図1を参照して、この電力伝送システムは、送電装置10と、受電装置20とを備える。受電装置20は、たとえば、車両等に搭載され得る。
図1は、この発明の実施の形態による非接触送電装置が適用される電力伝送システムの全体構成図である。図1を参照して、この電力伝送システムは、送電装置10と、受電装置20とを備える。受電装置20は、たとえば、車両等に搭載され得る。
送電装置10は、力率改善(PFC(Power Factor Correction))回路210と、インバータ220と、フィルタ回路230と、送電部240とを含む。また、送電装置10は、電源ECU(Electronic Control Unit)250と、通信部260と、電圧センサ270と、電流センサ272とをさらに含む。
PFC回路210は、交流電源100(たとえば系統電源)から受ける交流電力を整流してインバータ220へ供給するとともに、入力電流を正弦波に近づけることで力率を改善することができる。このPFC回路210には、公知の種々のPFC回路を採用し得る。なお、PFC回路210に代えて、力率改善機能を有しない整流器を採用してもよい。
インバータ220は、PFC回路210から受ける直流電力を、所定の伝送周波数を有する送電電力(交流)に変換する。インバータ220によって生成された送電電力は、フィルタ回路230を通じて送電部240へ供給される。インバータ220は、たとえば単相ブリッジ回路によって構成される。
フィルタ回路230は、インバータ220と送電部240との間に設けられ、インバータ220から発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路230は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むLCフィルタによって構成される。
送電部240は、伝送周波数を有する交流電力(送電電力)をインバータ220からフィルタ回路230を通じて受け、送電部240の周囲に生成される電磁界を通じて、受電装置20の受電部310へ非接触で送電する。送電部240は、たとえば、受電部310へ非接触で送電するための共振回路を含む。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成され得るが、コイルのみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタを設けなくてもよい。
電圧センサ270は、送電部240に供給される送電電圧を検出し、その検出値を電源ECU250へ出力する。電流センサ272は、送電部240に供給される送電電流を検出し、その検出値を電源ECU250へ出力する。電圧センサ270及び電流センサ272の検出値に基づいて、送電部240へ供給される送電電力(すなわち、送電部240から受電装置20へ出力される電力)を検出することができる。なお、電圧センサ270及び電流センサ272は、インバータ220とフィルタ回路230との間に設けてもよい。
電源ECU250は、CPU(Central Processing Unit)、記憶装置、入出力バッファ等を含み(いずれも図示せず)、各種センサや機器からの信号を受けるとともに、送電装置10における各種機器の制御を行なう。一例として、電源ECU250は、所定の伝送周波数を有する送電電力をインバータ220が生成するように、インバータ220のスイッチング制御を行なう。各種制御については、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。
電源ECU250により実行される主要な制御として、電源ECU250は、送電装置10から受電装置20への電力伝送中に、送電装置10における送電電力が目標値に近づくように、送電電力の検出値に基づくフィードバック制御(送電電力制御)を実行する。具体的には、電源ECU250は、送電電力が目標値に一致するように、送電電力の検出値に基づいてインバータ220を制御する。なお、送電電力の目標値は、受電装置20の受電状況に基づき生成され、この実施の形態では、受電装置20おいて生成されて送電装置10へ送信される。この点については、後ほど詳しく説明する。
通信部260は、受電装置20の通信部370と無線通信するように構成され、受電装置20から送信される送電電力目標値(送電電力指令)を受信するほか、送電の開始/停止や受電装置20の受電状況等の情報を受電装置20とやり取りする。
一方、受電装置20は、受電部310と、フィルタ回路320と、整流部330と、リレー回路340と、蓄電装置350とを含む。また、受電装置20は、充電ECU360と、通信部370と、電圧センサ380と、電流センサ382とをさらに含む。
受電部310は、送電装置10の送電部240から出力される電力(交流)を非接触で受電する。受電部310は、たとえば、送電部240から非接触で受電するための共振回路を含む。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成され得るが、コイルのみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタを設けなくてもよい。受電部310は、受電した電力をフィルタ回路320を通じて整流部330へ出力する。
フィルタ回路320は、受電部310と整流部330との間に設けられ、受電時に発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路320は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むLCフィルタによって構成される。整流部330は、受電部310によって受電された交流電力を整流して蓄電装置350へ出力する。
蓄電装置350は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成される。蓄電装置350は、整流部330から出力される電力を蓄える。そして、蓄電装置350は、その蓄えられた電力を図示しない負荷駆動装置等へ供給する。なお、蓄電装置350として大容量のキャパシタも採用可能である。
なお、リレー回路340は、整流部330と蓄電装置350との間に設けられ、送電装置10による蓄電装置350の充電時にオンされる。なお、特に図示しないが、整流部330と蓄電装置350との間(たとえば、整流部330とリレー回路340との間)に、整流部330の出力電圧を調整するDC−DCコンバータを設けてもよい。
電圧センサ380は、整流部330の出力電圧(受電電圧)を検出し、その検出値を充電ECU360へ出力する。電流センサ382は、整流部330からの出力電流(受電電流)を検出し、その検出値を充電ECU360へ出力する。電圧センサ380及び電流センサ382の検出値に基づいて、受電部310による受電電力(すなわち、蓄電装置350の充電電力)を検出することができる。なお、電圧センサ380及び電流センサ382は、受電部310と整流部330との間(たとえば、フィルタ回路320と整流部330との間)に設けてもよい。
充電ECU360は、CPU、記憶装置、入出力バッファ等を含み(いずれも図示せず)、各種センサや機器からの信号を受けるとともに、受電装置20における各種機器の制御を行なう。各種制御については、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。
充電ECU360により実行される主要な制御として、充電ECU360は、送電装置10からの受電中に、受電装置20における受電電力が所望の目標値となるように、送電装置10における送電電力の目標値を生成する。具体的には、充電ECU360は、受電電力の検出値と目標値との偏差に基づいて、送電装置10における送電電力の目標値を生成する。そして、充電ECU360は、通信部370を制御することによって、生成された送電電力目標値を送電装置10へ送信する。
通信部370は、送電装置10の通信部260と無線通信するように構成され、充電ECU360において生成される送電電力目標値(送電電力指令)を送電装置10へ送信するほか、電力伝送の開始/停止に関する情報を送電装置10とやり取りしたり、受電装置20の受電状況(受電電圧や受電電流、受電電力等)を送電装置10へ送信したりする。
図2は、図1に示した送電部240及び受電部310の回路構成の一例を示した図である。図2を参照して、送電部240は、コイル242と、キャパシタ244とを含む。キャパシタ244は、送電電力の力率を補償するために設けられ、コイル242に直列に接続される。受電部310は、コイル312と、キャパシタ314とを含む。キャパシタ314は、受電電力の力率を補償するために設けられ、コイル312に直列に接続される。なお、このような回路構成は、SS方式(一次直列二次直列方式)とも称される。
なお、特に図示しないが、送電部240及び受電部310の構成は、このようなSS方式のものに限定されない。たとえば、受電部310において、コイル312にキャパシタ314が並列接続されるSP方式(一次直列二次並列方式)や、さらに送電部240において、コイル242にキャパシタ244が並列接続されるPP方式(一次並列二次並列方式)等も採用され得る。
再び図1を参照して、この電力伝送システムにおいては、インバータ220からフィルタ回路230を通じて送電部240へ、所定の伝送周波数を有する交流電力(送電電力)が供給される。送電部240及び受電部310の各々は、コイルとキャパシタとを含み、伝送周波数において共振するように設計されている。送電部240及び受電部310の共振強度を示すQ値は、100以上であることが好ましい。
送電装置10において、インバータ220から送電部240へ送電電力が供給されると、送電部240のコイルと受電部310のコイルとの間に形成される電磁界を通じて、送電部240から受電部310へエネルギー(電力)が移動する。受電部310へ移動したエネルギー(電力)は、フィルタ回路320及び整流部330を通じて蓄電装置350へ供給される。
そして、この電力伝送システムにおいては、受電装置20における受電電力が所望の目標値となるように、送電装置10において送電電力が調整される。具体的には、受電装置20における受電電力とその目標値との偏差に基づいて、送電装置10における送電電力の目標値が算出され、送電装置10において送電電力とその目標値との偏差に基づくフィードバック制御が実行される。
なお、この実施の形態1では、受電装置20の充電ECU360によって、受電電力とその目標値との偏差に基づいて送電電力の目標値が算出され、その算出された送電電力目標値が受電装置20から送電装置10へ送信される。これに代えて、受電装置20の受電状況(受電電力とその目標値との偏差を算出するのに必要な情報)を受電装置20から送電装置10へ送信し、送電装置10の電源ECU250によって送電電力の目標値を算出してもよい。
ここで、たとえば、送電部240と受電部310との相対位置関係が変化することによりコイル間(図2のコイル242,312)の結合係数が大きくなると、送電装置10の電源部の出力側(インバータ220又はフィルタ回路230の出力側)からみた負荷インピーダンスが大きくなる(たとえば、受電装置20のインピーダンスZ2の最適値は、結合係数k、伝送周波数ω、コイル242,312のインダクタンスLを用いて、Z2=k・ω・Lで表される。)。そうすると、送電電力から受電電力への影響係数が小さくなり、上記フィードバック制御の操作量が大きくなる。その結果、フィードバック制御の応答性が低下する。
そこで、この実施の形態に従う送電装置10が適用される電力伝送システムでは、送電装置10の電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが大きいときの上記フィードバック制御の制御ゲインを、負荷インピーダンスが小さいときの制御ゲインよりも大きくすることとしたものである。これにより、負荷インピーダンスが大きいときのフィードバック制御の応答性が改善される。
なお、負荷インピーダンスが小さいときも含めて一律に制御ゲインを大きくすると、負荷インピーダンスが小さいときの制御安定性が損なわれ得る。そこで、この電力伝送システムにおいては、制御ゲインを一律に大きくするのではなく、上述のように負荷インピーダンスが大きいときに制御ゲインが大きくされる。これにより、負荷インピーダンスが小さいときの制御安定性を損なうことなく、フィードバック制御の応答性を向上させることができる。以下では、このフィードバック制御の構成について説明する。
(電力フィードバック制御の構成)
図3は、図1に示した電力伝送システムにおいて実行される電力フィードバック制御の構成を示す制御ブロック図である。図3を参照して、この制御ブロックは、減算部502,512と、受電側コントローラ504と、電源側コントローラ514と、制御対象516と、効率要素506とを含む。
図3は、図1に示した電力伝送システムにおいて実行される電力フィードバック制御の構成を示す制御ブロック図である。図3を参照して、この制御ブロックは、減算部502,512と、受電側コントローラ504と、電源側コントローラ514と、制御対象516と、効率要素506とを含む。
減算部502は、受電装置20における受電電力Pcの目標値を示す受電電力指令Pcrから、受電装置20において検出される受電電力Pcを減算し、その演算値を受電側コントローラ504へ出力する。なお、受電電力Pcの検出値は、図1に示した電圧センサ380及び電流センサ382の検出値に基づいて算出することができる。
受電側コントローラ504は、受電電力指令Pcrと受電電力Pcとの偏差に基づいて、送電装置10における送電電力Psの目標値を示す送電電力指令Psrを生成する。受電側コントローラ504は、たとえば、受電電力指令Pcrと受電電力Pcとの偏差を入力とするPI制御(比例積分制御)等を実行し、その演算結果を送電電力指令Psrとする。この送電電力指令Psrは、受電装置20から送電装置10へ送信される。
減算部512は、送電電力指令Psrから、送電装置10において検出される送電電力Psを減算し、その演算値を電源側コントローラ514へ出力する。なお、送電電力Psの検出値は、図1に示した電圧センサ270及び電流センサ272の検出値に基づいて算出することができる。
電源側コントローラ514は、送電電力指令Psrと送電電力Psとの偏差に基づいて、インバータ220(図1)の電圧指令値Vrを生成する。電源側コントローラ514は、たとえば、送電電力指令Psrと送電電力Psとの偏差を入力とするPI制御等を実行することによって操作量を算出し、その算出された操作量を電圧指令値Vrとする。
ここで、上述のように、負荷インピーダンスが大きいときにフィードバック制御の応答性が低下し得ることから、電源側コントローラ514は、負荷インピーダンスが大きいときの制御ゲインを、負荷インピーダンスが小さいときの制御ゲインよりも大きくする。具体的には、上述のように、送電部240のコイル242(図2)と受電部310のコイル312(図2)との結合係数が大きいときに負荷インピーダンスが大きくなることから、電源側コントローラ514は、コイル242,312間の結合係数が大きいときの制御ゲインを、結合係数が小さいときの制御ゲインよりも大きくする。
結合係数は、たとえば、送電部240に流れる電流と、受電装置20における受電電圧とから推定することができる。すなわち、コイル242,312間の結合係数kは、受電電圧V2と送電部240の電流I1との比に比例することが知られており、たとえば、受電装置20の負荷抵抗が十分に大きい場合に、次式にて結合係数kを推定することができる。
k={1/(ω・√(L1・L2))}・|V2|/|I1| …(1)
ここで、ωは伝送周波数、L1,L2はそれぞれコイル242,312のインダクタンスを示す。なお、受電電圧V2は、電圧センサ380(図1)によって検出することができ、送電部240の電流I1は、電流センサ272によって検出することができる。
ここで、ωは伝送周波数、L1,L2はそれぞれコイル242,312のインダクタンスを示す。なお、受電電圧V2は、電圧センサ380(図1)によって検出することができ、送電部240の電流I1は、電流センサ272によって検出することができる。
制御対象516は、送電装置10に相当する。詳細には、電源側コントローラ514により算出された電圧指令値Vrがインバータ220(図1)に与えられ、インバータ220の電圧が電圧指令値Vrに制御されることによって送電電力Psが発生する。この送電電力Psが送電部240から受電部310へ非接触で送電され、効率要素506で示される受電効率を考慮した受電電力Pcが受電装置20において検出される。
この制御ブロック図において、減算部502、受電側コントローラ504、及び効率要素506によって形成される制御ループ(メジャーループ)は、受電電力Pcを受電電力指令Pcrに調整するための制御を実行する受電電力制御部500を構成する。また、減算部512、電源側コントローラ514、及び制御対象516によって形成されるフィードバック制御ループ(マイナーループ)は、送電電力Psを送電電力指令Psrに調整するための電力フィードバック制御を実行する送電電力制御部510を構成する。
送電電力制御部510は、電源ECU250に実装される。受電電力制御部500は、充電ECU360に実装される。そして、この実施の形態では、電源ECU250において実行される電力フィードバック制御について、コイル242,312間の結合係数が大きいとき(負荷インピーダンスが大きいとき)の電源側コントローラ514における制御ゲインが、結合係数が小さいとき(負荷インピーダンスが小さいとき)の制御ゲインよりも大きい。これにより、上記インピーダンスが小さいときの制御安定性を損なうことなく、負荷インピーダンスが大きいときのフィードバック制御の応答性が改善される。
図4は、図1に示した電源ECU250により実行される電力フィードバック制御のゲイン設定処理を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理は、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて実行される。
図4とともに図1を参照して、電源ECU250は、電流センサ272によって、送電部240に流れる電流I1(送電電流)を検出する(ステップS10)。また、電源ECU250は、通信部260を用いて、受電装置20における受電電圧V2を取得する(ステップS20)。なお、受電電圧V2は、受電装置20において電圧センサ380によって検出される。
次いで、電源ECU250は、ステップS10において検出された電流I1、及びステップS20において取得された受電電圧V2に基づいて、上述した式(1)を用いて、送電部240(コイル242)と受電部310(コイル312)との結合係数を推定する(ステップS30)。
そして、電源ECU250は、ステップS30において推定された結合係数が大きいか否かを判定する(ステップS40)。たとえば、結合係数が大きくなることによって電力フィードバック制御の応答性が著しく低下したと判定されるときの結合係数をしきい値とし、ステップS30において推定された結合係数がこのしきい値を超える場合に、結合係数が大きいものと判定することができる。なお、結合係数が大きいか否かを判定することは、上述のように、送電装置10の電源部の出力側(インバータ220又はフィルタ回路230の出力側)からみた負荷インピーダンスが大きいか否かを判定することに相当する。
ステップS40において、結合係数は大きいとはいえないと判定されたときは(ステップS40においてNO)、電源ECU250は、電力フィードバック制御の制御ゲインをデフォルト設定値のままとする(ステップS60)。このような場合にまで一律に制御ゲインを大きくすると、フィードバック制御の安定性が損なわれるので、フィードバック制御の応答性が低下し得る状況でない場合には、制御ゲインはデフォルト設定値のままとされる。
一方、ステップS40において、結合係数が大きいと判定されると(ステップS40においてYES)、電源ECU250は、電力フィードバック制御の制御ゲインについて、デフォルト設定値よりも大きい制御ゲインを設定する(ステップS50)。これにより、負荷インピーダンスが大きいとき(送電部240と受電部310との結合係数が大きいとき)の電力フィードバック制御の応答性が改善される。
なお、上記においては、結合係数が大きいと判定される場合(負荷インピーダンスが大きいと判定される場合)に大きな制御ゲインに切替えるものとしたが、結合係数が大きくなるにつれて(負荷インピーダンスが大きくなるにつれて)制御ゲインを大きくしてもよい。
以上のように、この実施の形態においては、送電装置10の電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが大きいときの制御ゲインは、負荷インピーダンスが小さいときの制御ゲインよりも大きい。これにより、負荷インピーダンスが小さいときの制御安定性を損なうことなく、負荷インピーダンスが大きいときの制御応答性が改善される。したがって、この実施の形態によれば、電力フィードバック制御の応答性を向上させることができる。
なお、上記において、インバータ220は、この発明における「電源部」の一実施例に対応し、電源ECU250は、この発明における「制御部」の一実施例に対応する。
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、上記した実施の形態の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及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。
10 送電装置、20 受電装置、100 交流電源、210 PFC回路、220 インバータ、230,320 フィルタ回路、240 送電部、242,312 コイル、244,314 キャパシタ、250 電源ECU、260,370 通信部、270,380 電圧センサ、272,382 電流センサ、310 受電部、330 整流部、340 リレー回路、350 蓄電装置、360 充電ECU、500 受電電力制御部、502,512 演算部、504 受電側コントローラ、506 効率要素、510 送電電力制御部、514 電源側コントローラ、516 制御対象。
Claims (1)
- 受電装置へ非接触で送電するように構成された送電部と、
前記送電部へ送電電力を供給する電源部と、
前記送電電力の検出値に基づいて前記電源部を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記受電装置の受電状況に基づき生成される送電電力目標値に前記送電電力が近づくように、前記送電電力の検出値に基づくフィードバック制御を実行し、
前記電源部の出力側からみた負荷インピーダンスが大きいときの前記フィードバック制御の制御ゲインは、前記負荷インピーダンスが小さいときの前記制御ゲインよりも大きい、非接触送電装置。
Priority Applications (1)
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