JP2019161916A

JP2019161916A - 電力伝送装置

Info

Publication number: JP2019161916A
Application number: JP2018047197A
Authority: JP
Inventors: 英児野村; Hideji Nomura
Original assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Current assignee: Toyo Electric Manufacturing Ltd
Priority date: 2018-03-14
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2019-09-19

Abstract

【課題】受電側に回路を追加することなく、受電側からの情報を必要とせずに高効率な電力伝送が可能な電力伝送装置を提供する。【解決手段】電力伝送装置１は、直流電源１１の出力を変換して第１の直流電力を出力する直流電圧変換部１２と、直流電圧変換部の出力に並列に接続された第１のコンデンサ１３と、第１の直流電力を交流電力に変換するインバータ部１４と、インバータ部から交流電力が供給される第１の共振回路１５と、磁気的に結合されて第１の共振回路から交流電力を受け取る第２の共振回路１６と、第２の共振回路から供給された交流電力を第２の直流電力に変換して負荷１９に供給する整流部１７と、第１の共振回路に流れる電流およびインバータ部が出力する電圧に基づいて直流電圧変換部１２に電圧指令を出力する制御部３１と、を備え、制御部は、力率指令を所定値に設定する。【選択図】図１

Description

本発明は電力伝送装置に関する。

近年、ケーブルを用いずに電力を給電できる電力伝送装置が注目されている。

例えば磁界の共振を用いた方式（磁界共振結合方式）は、数ｍ程度の距離であれば離れたところから給電ができる。磁界共振結合方式の電力伝送装置は、例えば電気自動車の充電等に適用可能である。

磁界共振結合方式では、送電側コイルに流した電流により発生した磁界を介して、送電側コイルから受電側コイルに電力を伝送する。電力伝送装置では高効率で電力を伝送することが要求されるが、伝送効率は受電側の直流電圧および負荷の状況によって変化する。

例えば特許文献１は、受電装置で受電電力を検出して、通信によって送電装置に受電状況を送信する技術を開示する。送電装置は受電状況に応じて制御される。

また、例えば特許文献２は、受電側の共振用コンデンサにスイッチを接続したコンデンサを追加して、スイッチによって受電側の共振を制御する技術を開示する。

特開２００９−１０６１３６号公報特開２０１４−１４３７７６号公報

しかし、特許文献１の技術は、電力伝送装置以外に通信装置を必要とする。また、特許文献２の技術は、高電圧が印加される複数の共振コンデンサ、スイッチおよびスイッチ駆動用回路を必要とする。そのため、特許文献１および特許文献２の技術では、装置（特に受電装置）が大型化する。また、特許文献１および特許文献２の技術では、装置のコストが上昇する。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、受電側に回路を追加することなく、受電側からの情報を必要とせずに、高効率な電力伝送が可能な電力伝送装置を提供することにある。

前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る電力伝送装置は、直流電源の出力を変換して第１の直流電力を出力する直流電圧変換部と、前記直流電圧変換部の出力に並列に接続された第１のコンデンサと、前記第１の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、第２のコンデンサと第１のコイルとを有し、前記インバータ部から前記交流電力が供給される第１の共振回路と、第３のコンデンサと第２のコイルとを有し、前記第１の共振回路と磁気的に結合されて、前記第１の共振回路から前記交流電力を受け取る第２の共振回路と、前記第２の共振回路から供給された前記交流電力を第２の直流電力に変換して負荷に供給する整流部と、前記第１の共振回路に流れる電流を検出する電流検出器と、前記インバータ部が出力する電圧を検出する電圧検出器と、前記電流検出器が検出した電流および前記電圧検出器が検出した電圧に基づいて前記直流電圧変換部に電圧指令を出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電流検出器が検出した電流および前記電圧検出器が検出した電圧に基づいて前記インバータ部から出力される前記交流電力の力率を演算する力率演算部と、前記力率および力率指令に基づいて前記電圧指令を演算する電圧指令演算部と、を備え、前記力率指令を伝送効率の極大を与える所定値に設定する。

本発明の実施形態によれば、受電側に回路を追加することなく、受電側からの情報を必要とせずに、高効率な電力伝送が可能な電力伝送装置を提供できる。

本発明の一実施形態に係る電力伝送装置を例示するブロック図である。本発明の一実施形態に係る電力伝送装置の制御部を例示するブロック図である。電圧Ｖｄｃ１、伝送効率ｎおよび力率ＰＦの時間変化を例示する図である。本発明の一実施形態に係る電力伝送装置の制御部が実行する制御を例示する図である。

（電力伝送装置の構成）
図１は本実施形態に係る電力伝送装置１のブロック図である。

電力伝送装置１は、直流電源１１と、直流電圧変換部１２と、第１のコンデンサ１３と、インバータ部１４と、第１の共振回路１５（送電側共振回路）と、第２の共振回路１６（受電側共振回路）と、整流部１７と、負荷１９と、電流検出器２１と、電圧検出器２２と、制御部３１と、を備える。電力伝送装置１は、整流部１７からの直流電力を負荷１９に供給する。負荷１９は、例えば二次電池であるが、特に限定されるものではない。また、図１に示すように、整流部１７からの電圧を平滑して直流電圧を出力する平滑コンデンサ１８が電力伝送装置１に接続される。

直流電源１１は直流電力を供給する。直流電源１１は例えば二次電池である。直流電源１１は例えば鉛蓄電池であってもよい。また、直流電源１１は例えばニッケルカドミウム電池のようなアルカリ二次電池であってもよい。また、直流電源１１は例えばリチウムイオン電池のようなリチウム二次電池であってもよい。また、代替例として、直流電源１１は一次電池でもよい。

直流電圧変換部１２は直流電源１１の出力（直流電源１１からの直流電力）を受け取る。そして、直流電圧変換部１２は、直流電源１１の出力を変換して、第１の直流電力を出力する。直流電圧変換部１２は、第１の直流電力の電圧Ｖｄｃ１が、制御部３１からの電圧指令Ｖｄｃ１^＊と等しくなるように変換する。直流電圧変換部１２は、例えば降圧チョッパ回路、昇圧チョッパ回路または昇降圧チョッパ回路で構成されてもよい。

第１のコンデンサ１３は直流電圧変換部１２の出力に並列に接続される。第１のコンデンサ１３の端子間電圧は電圧Ｖｄｃ１となる。上記のように、直流電圧変換部１２は、電圧Ｖｄｃ１が電圧指令Ｖｄｃ１^＊と等しくなるように変換する。以下において、電圧Ｖｄｃ１と電圧指令Ｖｄｃ１^＊とは交換可能であるとする。例えば、後述する図３および図４に示される電圧Ｖｄｃ１は、電圧指令Ｖｄｃ１^＊に置き換えることが可能である。

インバータ部１４は、直流電圧変換部１２が出力した第１の直流電力を交流電力に変換する。本実施形態において、インバータ部１４によって変換された交流電力は、矩形波の電圧形状を有する。インバータ部１４からの交流電力は、第１の共振回路１５に供給される。ここで、インバータ部１４は例えば複数のスイッチング素子で構成されたブリッジ回路で構成されてもよい。スイッチング素子は例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）であるが、特に限定されるものではない。

第１の共振回路１５は、インバータ部１４からの交流電力を伝送する。本実施形態において、第１の共振回路１５は、磁界を用いた共振現象を利用してワイヤレス伝送を行う。第１の共振回路１５は、送電側の共振回路であって、第２のコンデンサ１５１と第１のコイル１５２（送電側コイル）とを有している。第２のコンデンサ１５１と第１のコイル１５２とは直列に接続される。第１のコイル１５２と接続されていない方の第２のコンデンサ１５１の端子は、インバータ部１４に接続される。また、第２のコンデンサ１５１と接続されていない方の第１のコイル１５２の端子は、インバータ部１４に接続される。

第２の共振回路１６は、第１の共振回路１５からワイヤレス伝送された交流電力を受け取る。第２の共振回路１６は、受電側の共振回路であって、第３のコンデンサ１６１と第２のコイル１６２（受電側コイル）とを有している。第３のコンデンサ１６１と第２のコイル１６２とは直列に接続される。第２のコイル１６２と接続されていない方の第３のコンデンサ１６１の端子は、整流部１７に接続される。また、第３のコンデンサ１６１と接続されていない方の第２のコイル１６２の端子は、整流部１７に接続される。第２のコイル１６２は、第１のコイル１５２と磁気的に結合し、第１のコイル１５２から第２のコイル１６２にワイヤレス電力伝送が行われる。

整流部１７は、第２の共振回路１６から供給された交流電力を整流し、第２の直流電力に変換する。整流部１７は、第２の直流電力を負荷１９に供給する。整流部１７は、例えばダイオード整流器で構成されてもよいが、特に限定されるものではない。

電流検出器２１は、第１の共振回路１５に流れる電流Ｉｐを検出して制御部３１に出力する。電流検出器２１は例えば電流センサである。

電圧検出器２２は、インバータ部１４が出力する電圧Ｖｐを検出して制御部３１に出力する。電圧検出器２２は例えば電圧センサである。

制御部３１は、電流検出器２１が検出した電流Ｉｐおよび電圧検出器２２が検出した電圧Ｖｐに基づいて直流電圧変換部１２に電圧指令Ｖｄｃ１^＊を出力する。

図２は本実施形態に係る電力伝送装置１の制御部３１のブロック図である。

制御部３１は、力率演算部３１１と、電圧指令演算部３１２と、を備える。

力率演算部３１１は、電流検出器２１が検出した電流Ｉｐおよび電圧検出器２２が検出した電圧Ｖｐに基づいてインバータ部１４から出力される交流電力の力率ＰＦを演算する。力率演算部３１１は、演算した力率ＰＦを電圧指令演算部３１２に出力する。

電圧指令演算部３１２は、力率ＰＦが力率指令ＰＦ^＊と一致するように、電圧指令Ｖｄｃ１^＊を演算する。電圧指令演算部３１２は、演算した電圧指令Ｖｄｃ１^＊を直流電圧変換部１２に出力する。電圧指令演算部３１２は、例えばＰＩ制御等を実行して、力率ＰＦと力率指令ＰＦ^＊とを一致させる。

ここで、電力伝送装置１を含むシステムにおいて、平滑コンデンサ１８の出力電圧が電圧Ｖｄｃ２であるとする。電圧Ｖｄｃ２を一定の値として電圧Ｖｄｃ１を変動させた場合に、伝送効率ｎは以下の式（１）で示される。

ｎ＝（整流部１７の入力有効電力）／（インバータ部１４の出力有効電力） … （１）

図３は、電圧Ｖｄｃ１、伝送効率ｎおよび力率ＰＦの時間変化を例示する図である。図３の例では、電圧Ｖｄｃ２は一定の値であるＫ１、または、Ｋ１より大きい値のＫ２である。電圧Ｖｄｃ１を上昇させると、伝送効率ｎはある時刻で極大点を有する。図３の例では、電圧Ｖｄｃ２がＫ１である場合に、時刻ｔ１で伝送効率ｎは極大となる。また、図３の例では、電圧Ｖｄｃ２がＫ２である場合に、時刻ｔ２で伝送効率ｎは極大となる。電力伝送装置１は、伝送効率ｎが極大である場合に、高効率な電力伝送が可能である。

ここで、図３に示すように、電圧Ｖｄｃ２がＫ１である場合に、力率ＰＦは時刻ｔ１で“１”になる。また、図３に示すように、電圧Ｖｄｃ２がＫ２である場合に、力率ＰＦは時刻ｔ２で“１”になる。つまり、力率演算部３１１によって演算される力率ＰＦが“１”になるタイミングで、伝送効率ｎが極大点をとる。制御部３１は、力率指令ＰＦ^＊を“１”に設定することによって、力率ＰＦが“１”になるように制御を行い、その結果として伝送効率ｎが極大をとるように制御できる。つまり、制御部３１は、力率指令ＰＦ^＊を伝送効率ｎの極大を与える所定値（“１”）に設定することによって、電力伝送装置１の高効率な電力伝送を実現する。このとき、制御部３１は、送電側の情報（インバータ部１４が出力する電圧Ｖｐおよび第１の共振回路１５に流れる電流Ｉｐ）だけを必要とする。つまり、制御部３１は、受電側からの情報を必要としない。したがって、受電側に情報を送信するための回路を追加する必要はない。

図４は、電力伝送装置１の制御部３１が実行する制御のシミュレーション結果を示す図である。制御部３１は、力率指令ＰＦ^＊を“１”に設定する。そして、制御部３１は、力率ＰＦが力率指令ＰＦ^＊（“１”）と一致するように電圧指令Ｖｄｃ１^＊を演算する。図４の例では、力率ＰＦが“１”になるように電圧指令Ｖｄｃ１^＊（電圧Ｖｄｃ１）が上昇するとともに、伝送効率ｎも上昇している。つまり、高効率な電力伝送が実行されている。

以上のように、本実施形態に係る電力伝送装置１は、受電側に回路を追加することなく、受電側からの情報を必要とせずに、高効率な電力伝送が可能である。

本発明を諸図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１電力伝送装置
１１直流電源
１２直流電圧変換部
１３第１のコンデンサ
１４インバータ部
１５第１の共振回路
１６第２の共振回路
１７整流部
１８平滑コンデンサ
１９負荷
２１電流検出器
２２電圧検出器
３１制御部
１５１第２のコンデンサ
１５２第１のコイル
１６１第３のコンデンサ
１６２第２のコイル
３１１力率演算部
３１２電圧指令演算部

Claims

直流電源の出力を変換して第１の直流電力を出力する直流電圧変換部と、
前記直流電圧変換部の出力に並列に接続された第１のコンデンサと、
前記第１の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
第２のコンデンサと第１のコイルとを有し、前記インバータ部から前記交流電力が供給される第１の共振回路と、
第３のコンデンサと第２のコイルとを有し、前記第１の共振回路と磁気的に結合されて、前記第１の共振回路から前記交流電力を受け取る第２の共振回路と、
前記第２の共振回路から供給された前記交流電力を第２の直流電力に変換して負荷に供給する整流部と、
前記第１の共振回路に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記インバータ部が出力する電圧を検出する電圧検出器と、
前記電流検出器が検出した電流および前記電圧検出器が検出した電圧に基づいて前記直流電圧変換部に電圧指令を出力する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記電流検出器が検出した電流および前記電圧検出器が検出した電圧に基づいて前記インバータ部から出力される前記交流電力の力率を演算する力率演算部と、
前記力率および力率指令に基づいて前記電圧指令を演算する電圧指令演算部と、を備え、
前記力率指令を伝送効率の極大を与える所定値に設定する、電力伝送装置。