JP2017041985A - 非接触送電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】回路を別途追加することなく低コストで平滑コンデンサの残留電荷の放電を実現し、かつ、残留電荷の放電に伴ない発生する電磁界の強度を規定レベル以下に抑制する。
【解決手段】電源ＥＣＵ２５０は、受電部３１０と送電部２４０との位置合わせの実行時に、位置合わせの終了後に送電部２４０から受電部３１０へ供給される電力よりも小さい微弱電力が送電部２４０から出力されるようにインバータ２２０を制御する。電源ＥＣＵ２５０は、位置合わせの実行前に、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータ２２０を駆動することによって、平滑コンデンサ２１４の残留電荷をフィルタ回路２３０及び送電部２４０の送電コイルで消費させる。
【選択図】図１

Description

この発明は、非接触送電装置に関し、特に、車両に搭載された受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置に関する。

送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する非接触電力伝送システムが知られている（たとえば特許文献１〜６参照）。このような非接触電力伝送システムについて、特開２０１５−１０４１６１号公報（特許文献１）は、車両に搭載された受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置を開示する。この非接触送電装置においては、送電コイルと受電装置の受電コイルとの位置合わせの実行時に、送電コイルから所定の微弱電力（位置合わせの実行後に送電コイルから受電コイルへ出力される電力よりも小さい電力）が出力され、受電装置の受電レベルに応じて位置合わせが実行される。そして、送電コイルと受電コイルとの位置合わせが終了すると、上記微弱電力よりも大きい電力が送電コイルから受電コイルへ送電される（特許文献１参照）。

特開２０１５−１０４１６１号公報 特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報

送電装置の送電コイルに送電電力（交流）を供給するインバータの入力側には、電圧変動を平滑化するための平滑コンデンサが一般的に設けられている。この平滑コンデンサに多量の電荷が残留していると、送電コイルと受電コイルとの位置合わせの実行時に残留電荷が放出されることにより微弱電力を超える大きな電力が送電コイルから出力されるので、位置合わせを実行することができない。

そこで、平滑コンデンサの残留電荷の放電を、回路を別途追加することなく低コストで実現することが課題である。また、残留電荷の放電に伴ない発生する電磁界の強度を規定レベル以下に抑えることも課題である。このような課題及びその解決手段について、特許文献１では特に検討されていない。

この発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、回路を別途追加することなく低コストで平滑コンデンサの残留電荷の放電を実現し、かつ、残留電荷の放電に伴ない発生する電磁界の強度を規定レベル以下に抑制可能な非接触送電装置を提供することである。

この発明によれば、非接触送電装置は、送電コイルと、インバータと、平滑コンデンサと、フィルタ回路と、制御装置とを備える。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ように構成される。インバータは、直流電力線から受ける直流電力を交流電力に変換して送電コイルへ供給する。平滑コンデンサは、上記直流電力線に設けられる。フィルタ回路は、送電コイルとインバータとの間の電力線に設けられる。制御装置は、受電コイルと送電コイルとの位置合わせの実行時に、位置合わせの終了後に送電コイルから受電コイルへ供給される第１の電力よりも小さい第２の電力（微弱電力）が送電コイルから出力されるようにインバータを制御する。そして、制御装置は、位置合わせの実行前に、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータを駆動することによって、平滑コンデンサの残留電荷をフィルタ回路及び送電コイルで消費させる。

この発明においては、位置合わせの実行前にインバータが駆動され、平滑コンデンサの残留電荷がフィルタ回路及び送電コイルで消費されるので、回路を別途追加することなく低コストで平滑コンデンサの残留電荷の放電を実現することができる。さらに、この発明においては、位置合わせの実行前にインバータが駆動される際に、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータが駆動される。電磁界の周波数が低いほど、電磁界強度の許容レベルは高いので（たとえば、ＩＣＮＩＲＰガイドライン（２０１０）参考レベル）、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータを駆動することによって、残留電荷の放電に伴ない送電コイルの周囲に発生する電磁界強度を規定レベル以下に抑えることができる。

この発明によれば、回路を別途追加することなく低コストで平滑コンデンサの残留電荷の放電を実現し、かつ、残留電荷の放電に伴ない発生する電磁界の強度を規定レベル以下に抑制可能な非接触送電装置を提供することができる。

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に示す送電部及び受電部の回路構成の一例を示した図である。 図１に示すフィルタ回路の回路構成の一例を示した図である。 電界の周波数と電界強度の許容レベルとの関係を示した図である。 磁界の周波数と磁界強度の許容レベルとの関係を示した図である。 図１に示す送電装置の電源ＥＣＵにより実行される位置合わせ処理の手順を説明するフローチャートである。

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。

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、送電装置１０から供給され蓄えられた電力を用いて走行可能な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、直流電力線２１２と、平滑コンデンサ２１４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及び昇圧して直流電力線２１２へ出力するとともに、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、直流電力線２１２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、たとえば電圧形インバータであり、インバータ２２０を構成する各スイッチング素子に逆並列に還流ダイオードが接続される。インバータ２２０は、たとえば単相フルブリッジ回路によって構成される。

平滑コンデンサ２１４は、直流電力線２１２に設けられ、直流電力線２１２に生じる電圧変動を平滑化する。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。

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、直流電力線２１２の電圧Ｖｃ、すなわち平滑コンデンサ２１４の端子間電圧を検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。

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、インバータ２２０が送電電力（交流）を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、送電部２４０に含まれる送電コイル（後述）と受電装置２０の受電部３１０に含まれる受電コイル（後述）との位置合わせの実行時に、所定の微弱電力が送電コイルから出力されるようにインバータ２２０を制御する。

さらに、電源ＥＣＵ２５０は、受電コイルと送電コイルとの位置合わせの実行前に、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータ２２０を駆動することによって、平滑コンデンサ２１４の残留電荷をフィルタ回路２３０及び送電部２４０で消費させる。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、送電の開始／停止や、受電コイルと送電コイルとの位置合わせの実行ステータス（位置合わせ実施／スタンバイ等）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、距離検出部３３５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。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を含んで構成される。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。

距離検出部３３５は、整流部３３０とリレー回路３４０との間に設けられ、送電部２４０の送電コイルと受電部３１０の受電コイルとの位置合わせの実行時に、コイル間の距離を検出するための受電装置２０の受電レベルを検知する。一例として、距離検出部３３５は、位置合わせの実行中に電力線対間に電気的に接続される抵抗と、その抵抗に生じる電圧を検出する電圧センサと含む。位置合わせ実行中の電圧センサの検出値によってコイル間の距離を検出することができる。リレー回路３４０は、距離検出部３３５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。

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、距離検出部３３５の出力に基づいて、送電部２４０の送電コイルと受電部３１０の受電コイルとの位置合わせを実行する。一例として、充電ＥＣＵ３６０は、位置合わせの実行中に距離検出部３３５によって検知される受電レベルを監視し、受電レベルが最大となったときに位置合わせを終了する。

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、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、位置合わせの実行／停止に関する情報等を送電装置１０から受信したりする。

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、送電コイル２４２と、キャパシタ２４４，２４６とを含む。キャパシタ２４４，２４６は、送電電力の力率を補償するために設けられ、送電コイル２４２に直列に接続される。受電部３１０は、受電コイル３１２と、キャパシタ３１４，３１６とを含む。キャパシタ３１４，３１６は、受電電力の力率を補償するために設けられ、受電コイル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、受電コイル３１２にキャパシタが並列接続される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、送電コイル２４２にキャパシタが並列接続されるＰＰ方式（一次並列二次並列方式）等も採用され得る。

図３は、図１に示したフィルタ回路２３０の回路構成の一例を示した図である。図３を参照して、フィルタ回路２３０は、コイル２３２，２３４と、キャパシタ２３６とを含み、Ｒ−Ｃ−Ｒ型の３次ＬＣフィルタによって構成される。

後述のように、このフィルタ回路２３０のコイル２３２，２３４及び送電部２４０の送電コイル２４２は、位置合わせの実行前にインバータ２２０が駆動されると、平滑コンデンサ２１４（図１）の残留電荷を消費する抵抗として機能する。

なお、フィルタ回路２３０の構成は、このような構成に限定されるものではなく、４次ＬＣフィルタやより高次のＬＣフィルタによって構成してもよい。また、特に図示しないが、受電装置２０のフィルタ回路３２０（図１）も、フィルタ回路２３０と同様の回路構成を有する。

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へ送電電力（交流）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（送電コイル２４２）と受電部３１０（受電コイル３１２）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。

また、この電力伝送システムにおいては、送電部２４０（送電コイル２４２）と受電部３１０（受電コイル３１２）との位置合わせが行なわれる。位置合わせの実行時には、送電部２４０から受電部３１０へ所定の微弱電力が出力されるように、送電装置１０においてインバータ２２０が制御される。

なお、微弱電力とは、位置合わせの終了後に送電部２４０から受電部３１０へ伝送される電力（蓄電装置３５０を充電するための電力）よりも十分に小さい一定電力であり、送電部２４０から一定の微弱電力が出力されているときの受電装置２０の受電レベルに応じて位置合わせが実施される。

ここで、送電装置１０のインバータ２２０の入力側（直流電力線２１２）には、上述のように平滑コンデンサ２１４が設けられている。この平滑コンデンサ２１４に多量の電荷が残留していると、位置合わせの実行時に残留電荷が放出されることにより微弱電力を超える大きな電力が送電部２４０から一時的に出力されるので、位置合わせを実行することができない。

そこで、この実施の形態１に従う送電装置１０では、位置合わせの実行前にインバータ２２０を駆動し、平滑コンデンサ２１４の残留電荷をフィルタ回路２３０及び送電コイル２４２で消費させる。これにより、回路を別途追加することなく低コストで平滑コンデンサ２１４の残留電荷の放電を実現することができる。

さらに、この実施の形態１に従う送電装置１０では、位置合わせの実行前にインバータ２２０が駆動される際に、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータ２２０が駆動される。この点について以下に説明する。

図４は、電界の周波数と電界強度の許容レベルとの関係を示した図である。図４を参照して、この電界の周波数と電界強度の許容レベルとの関係は、ＩＣＮＩＲＰ（International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection、国際非電離放射線防護委員会）ガイドライン（２０１０）の参考レベルとして示されているものである。図示されるように、電界の周波数が低いほど、電界強度は高い領域まで許容される。

図５は、磁界の周波数と磁界強度の許容レベルとの関係を示した図である。図５を参照して、この磁界の周波数と磁界強度の許容レベルとの関係も、ＩＣＮＩＲＰガイドライン（２０１０）の参考レベルとして示されているものである。図示されるように、磁界についても、磁界の周波数が低いほど、磁界強度は高い領域まで許容される。

このように、電界の周波数が低いほど電界強度の許容レベルは高く、また磁界の周波数が低いほど磁界強度の許容レベルは高い。そこで、この実施の形態１に従う送電装置１０では、位置合わせの実行前にインバータ２２０が駆動される際に、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータ２２０を駆動することとしたものである。これにより、平滑コンデンサ２１４の残留電荷の放電に伴ない送電部２４０（送電コイル２４２）の周囲に発生する電磁界強度を規定レベル以下に抑えることができる。

図６は、図１に示した送電装置１０の電源ＥＣＵ２５０により実行される位置合わせ処理の手順を説明する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６を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、送電部２４０（送電コイル２４２）と受電部３１０（受電コイル３１２）との位置合わせが実際に実行される前に、インバータ２２０の入力電圧を示す電圧Ｖｃを取得する（ステップＳ１０）。そして、電源ＥＣＵ２５０は、取得された電圧Ｖｃが規定値よりも高いか否かを判定する（ステップＳ２０）。この規定値は、位置合わせの実行時に送電部２４０から微弱電力が出力されるときの電圧Ｖｃに基づいて設定され、たとえば１２Ｖの低電圧に設定される。なお、位置合わせ終了後の送電装置１０から受電装置２０への送電時（通常充電時）には、電圧Ｖｃは数百Ｖに制御される。すなわち、平滑コンデンサ２１４の残留電荷による電圧Ｖｃは数百Ｖになり得る。

ステップＳ２０において電圧Ｖｃは規定値以下であると判定されると（ステップＳ２０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、ステップＳ６０へ処理を移行する。ステップＳ６０については後述する。

ステップＳ２０において電圧Ｖｃが規定よりも高いと判定されると（ステップＳ２０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、位置合わせが行なわれる車両へステータス「スタンバイ」を送信する（ステップＳ３０）。なお、ステータス「スタンバイ」を受信した車両は、位置合わせの実行指示を待つ待機状態となる。

そして、電源ＥＣＵ２５０は、位置合わせ実行時の駆動周波数ｆ１（たとえば数十ｋＨｚ）よりも低い周波数ｆ２（たとえば１０Ｈｚ未満）でインバータ２２０を駆動する（ステップＳ４０）。これにより、平滑コンデンサ２１４の残留電荷がインバータ２２０を通じてフィルタ回路２３０及び送電部２４０へ出力され、フィルタ回路２３０のコイル２３２，２３４や送電部２４０の送電コイル２４２等によって残留電荷が消費される。

次いで、電源ＥＣＵ２５０は、電圧Ｖｃが上記の規定値以下であるか否かを判定する（ステップＳ５０）。電圧Ｖｃがまだ規定値よりも高いと判定されると（ステップＳ５０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、ステップＳ３０へ処理を戻す。これにより、ステップＳ４０においてインバータ２２０の低周波数での駆動が継続される。

ステップＳ５０において電圧Ｖｃが規定値以下であると判定されると（ステップＳ５０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、車両へステータス「位置合わせ実施」を送信する（ステップＳ６０）。なお、ステータス「位置合わせ実施」を受信した車両は、位置合わせの実行を開始する。

そして、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０を周波数ｆ１（たとえば数十ｋＨｚ）で駆動し、送電部２４０から微弱電力を発生させる。これにより、受電装置２０を搭載した車両において、コイル間の位置合わせが実行される（ステップＳ７０）。

以上のように、この実施の形態においては、位置合わせの実行前にインバータ２２０が駆動され、平滑コンデンサ２１４の残留電荷がフィルタ回路２３０及び送電コイル２４２で消費される。これにより、回路を別途追加することなく低コストで平滑コンデンサ２１４の残留電荷の放電を実現することができる。さらに、この実施の形態においては、位置合わせの実行前にインバータ２２０が駆動される際に、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータ２２０が駆動される。電磁界の周波数が低いほど、電磁界強度の許容レベルが高いので（図３，４）、位置合わせの実行時よりも低い周波数でインバータ２２０を駆動することによって、平滑コンデンサ２１４の残留電荷の放電に伴ない送電コイル２４２の周囲に発生する電磁界強度を規定レベル以下に抑えることができる。

なお、上記の実施の形態では、送電装置１０はフィルタ回路２３０を含み、平滑コンデンサ２１４の残留電荷は、フィルタ回路２３０及び送電コイル２４２で消費されるものとしたが、この発明は、フィルタ回路２３０を備えない送電装置にも適用可能である。この場合、平滑コンデンサの残留電荷は送電コイルで消費される。

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、２１２ 直流電力線、２１４ 平滑コンデンサ、２２０ インバータ、２３０，３２０ フィルタ回路、２３２，２３４ コイル、２３６，２４４，２４６，３１４，３１６ キャパシタ、２４０ 送電部、２４２ 送電コイル、２５０ 電源ＥＣＵ、２６０，３７０ 通信部、２７０ 電圧センサ、３１０ 受電部、３１２ 受電コイル、３３０ 整流部、３３５ 距離検出部、３４０ リレー回路、３５０ 蓄電装置、３６０ 充電ＥＣＵ。

Claims (1)

1. 車両に搭載された受電コイルへ非接触で送電するように構成された送電コイルと、
   直流電力線から受ける直流電力を交流電力に変換して前記送電コイルへ供給するインバータと、
   前記直流電力線に設けられる平滑コンデンサと、
   前記送電コイルと前記インバータとの間の電力線に設けられるフィルタ回路と、
   前記受電コイルと前記送電コイルとの位置合わせの実行時に、前記位置合わせの終了後に前記送電コイルから前記受電コイルへ供給される第１の電力よりも小さい第２の電力が前記送電コイルから出力されるように前記インバータを制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、前記位置合わせの実行前に、前記位置合わせの実行時よりも低い周波数で前記インバータを駆動することによって、前記平滑コンデンサの残留電荷を前記フィルタ回路及び前記送電コイルで消費させる、非接触送電装置。

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