JP2021175286A - Contactless charging system - Google Patents

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大輔 鈴木
Daisuke Suzuki
義信 杉山
Yoshinobu Sugiyama
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Toyota Motor Corp
Soken Inc
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Toyota Motor Corp
Soken Inc
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Abstract

To provide a contactless charging system capable of increasing charging efficiency by adjusting a position of a relay coil to suppress fluctuations in transmission coil current and relay coil current even when a battery voltage fluctuates.SOLUTION: The contactless charging system includes a relay device that relays transmission of electric power, a drive device that can move a position of a relay coil, and a battery sensor that can detect battery current and battery voltage. The drive device is configured to move the relay coil away farther from a transmission coil as a battery admittance value obtained by dividing the battery current by the battery voltage becomes smaller by receiving information on the battery current and battery voltage from the battery sensor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、非接触で電力の充電を行うことが可能な非接触充電システムに関する。 The present invention relates to a non-contact charging system capable of non-contact charging of electric power.

非接触で電力の充電を行う方式として、送電装置の共振回路と受電装置の共振回路の磁界共振を利用した磁界共振方式が知られている。磁界共振方式は、電磁誘導方式に比べて、送電装置のコイル(以下「送電コイル」とも称する。)と受電装置のコイル(以下「受電コイル」とも称する。)間の結合係数の影響が少ないため、より長い距離間で効率よく充電が可能であると注目されている。 As a method for charging electric power in a non-contact manner, a magnetic field resonance method using the magnetic field resonance of the resonance circuit of the power transmission device and the resonance circuit of the power receiving device is known. Compared to the electromagnetic induction method, the magnetic field resonance method is less affected by the coupling coefficient between the coil of the power transmission device (hereinafter, also referred to as "power transmission coil") and the coil of the power reception device (hereinafter, also referred to as "power reception coil"). , It is attracting attention that it can be charged efficiently over a longer distance.

特許文献1には、磁界共振方式による非接触充電システムにおいて、給電効率を高める技術が開示されている。この非接触充電システムでは、送電装置と受電装置の間にコイルの駆動装置を含む中継装置を備え、送電装置または受電装置の電力伝送情報に応じて、中継装置のコイル(以下「中継コイル」とも称する。)の位置を調整することで、給電効率が改善されるとしている。 Patent Document 1 discloses a technique for improving power feeding efficiency in a non-contact charging system based on a magnetic field resonance method. In this non-contact charging system, a relay device including a coil driving device is provided between the power transmission device and the power receiving device, and the coil of the relay device (hereinafter, also referred to as "relay coil") is provided according to the power transmission information of the power transmission device or the power receiving device. By adjusting the position of), the power supply efficiency is improved.

特開2011−147280号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-147280

磁界共振方式において、送電装置と受電装置の間に、送電装置と受電装置の両方と磁界共振する中継装置を備えることで、送電距離の拡大や給電効率の向上が得られることは一般的に知られている。一方で、中継コイルの位置を調整することで、給電効率を調整することができるが、バッテリの電圧値の変動に対する最適な中継コイルの位置については一般化されていなかった。 In the magnetic field resonance method, it is generally known that by providing a relay device that resonates with both the power transmission device and the power receiving device in a magnetic field between the power transmission device and the power receiving device, it is possible to increase the transmission distance and improve the power supply efficiency. Has been done. On the other hand, although the power supply efficiency can be adjusted by adjusting the position of the relay coil, the optimum position of the relay coil with respect to the fluctuation of the voltage value of the battery has not been generalized.

上記の技術では、中継コイルに駆動装置を備え、送電装置または受電装置の電力伝送情報に応じて中継コイルの位置を調整可能としている。しかし、与えられる電力伝送情報に対する最適な中継コイルの位置については示されておらず、調整されるコイルの位置は、ユーザーが与えるマップに従うか、フィードバック等により探索的に行われるに留まっている。 In the above technology, the relay coil is provided with a drive device, and the position of the relay coil can be adjusted according to the power transmission information of the power transmission device or the power receiving device. However, the optimum position of the relay coil with respect to the given power transmission information is not shown, and the position of the coil to be adjusted is only searched according to the map given by the user or by feedback or the like.

本発明は、上述の課題を鑑みてなされたもので、バッテリの電圧が変動した場合に、充電効率の悪化を抑制するように、中継コイルの位置を調整することが可能な非接触充電システムを提供することを目的とする The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and provides a non-contact charging system capable of adjusting the position of a relay coil so as to suppress deterioration of charging efficiency when the battery voltage fluctuates. Aim to provide

本発明は、非接触充電システムに関連する。
非接触充電システムは、給電される電力を送電コイルで送電する送電装置と、送電コイルにより送電される電力を中継コイルで中継する中継装置と、中継コイルにより中継される電力を受電コイルで受電しバッテリに充電する充電装置と、バッテリに流入する電流値およびバッテリの電圧値を検出するバッテリセンサと、を備えている。
The present invention relates to a non-contact charging system.
The non-contact charging system has a power transmission device that transmits the power to be supplied by the transmission coil, a relay device that relays the power transmitted by the transmission coil by the relay coil, and a power receiving coil that relays the power relayed by the relay coil. It includes a charging device that charges the battery, and a battery sensor that detects the value of the current flowing into the battery and the value of the voltage of the battery.

中継装置は、中継コイルの位置を移動させる駆動装置を含んでいる。 The relay device includes a drive device that moves the position of the relay coil.

中継装置は、バッテリセンサから電流値および電圧値の情報を受けて、電流値を電圧値で除した値(以下「バッテリアドミタンス値」とも称する。)が小さくなるほど、中継コイルを送電コイルから離すように駆動装置を制御するように構成されている。 The relay device receives information on the current value and the voltage value from the battery sensor, and the smaller the value obtained by dividing the current value by the voltage value (hereinafter, also referred to as “battery admittance value”), the more the relay coil is separated from the transmission coil. It is configured to control the drive unit.

電力損失は、各装置に流れる電流に依存する。このため、各装置に流れる電流が変動すると、充電効率の悪化を引き起こす可能性がある。 The power loss depends on the current flowing through each device. Therefore, if the current flowing through each device fluctuates, the charging efficiency may deteriorate.

中継装置を備えた非接触充電システムにおいて、本発明者は、送電コイルに流れる電流(以下「送電コイル電流」とも称する。)及び中継コイルに流れる電流(以下「中継コイル電流」とも称する。)は、バッテリの電圧変動による電流値変化と、中継コイルと受電コイル間の相互インダクタンス(以下「中継受電間相互インダクタンス」とも称する。)の変動による電流値変化が、逆の関係となることを見出した。ここで逆の関係とは、バッテリの電圧が増加するに従って、送電コイル電流は減少して、中継コイル電流は増加し、中継受電間相互インダクタンスが増加するに従って、送電コイル電流は増加して、中継コイル電流は減少することである。 In a non-contact charging system provided with a relay device, the present inventor determines that the current flowing through the power transmission coil (hereinafter, also referred to as “transmission coil current”) and the current flowing through the relay coil (hereinafter, also referred to as “relay coil current”). , It was found that the current value change due to the voltage fluctuation of the battery and the current value change due to the fluctuation of the mutual inductance between the relay coil and the power receiving coil (hereinafter, also referred to as "reciprocal power receiving mutual inductance") have the opposite relationship. .. Here, the opposite relationship is that the transmission coil current decreases and the relay coil current increases as the battery voltage increases, and the transmission coil current increases and relays as the mutual inductance between relay and power increases. The coil current is to decrease.

本発明によれば、バッテリアドミタンス値が小さくなるほど、つまりバッテリ電圧が増加するほど、中継コイルを送電コイルから離すようにすることで、中継受電間相互インダクタンスを調整する。これにより、バッテリ電圧の増加に伴う送電コイル電流および中継コイル電流の変動が抑制され、充電効率の悪化を抑制することが可能となる。 According to the present invention, as the battery admittance value becomes smaller, that is, as the battery voltage increases, the relay coil is separated from the power transmission coil to adjust the mutual inductance between relays and power receivers. As a result, fluctuations in the power transmission coil current and the relay coil current due to the increase in the battery voltage can be suppressed, and deterioration of charging efficiency can be suppressed.

実施の形態に係る非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the non-contact charging system which concerns on embodiment. 駆動装置による中継コイルの位置の調整を表す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the adjustment of the position of a relay coil by a drive device. 中継コイルの移動が1軸に制限される場合の、駆動装置による中継コイルの位置の調整を表す概念図である。It is a conceptual diagram which shows the adjustment of the position of a relay coil by a drive device when the movement of a relay coil is restricted to one axis. 送電コイルと中継コイル間の距離に対する送電コイル電流及び中継コイル電流の電流値のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the current value of the transmission coil current and the relay coil current with respect to the distance between a transmission coil and a relay coil. 送電コイルと中継コイル間の距離に対するコイル間効率のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the efficiency between coils with respect to the distance between a power transmission coil and a relay coil. 中継装置が送電装置と一体となる場合の非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the non-contact charging system when the relay device is integrated with the power transmission device. 中継装置が受電装置と一体となる場合の非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the structure of the non-contact charging system when the relay device is integrated with the power receiving device.

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

1.構成例
1−1.実施の形態の構成
図1は、本発明の実施の形態に係る非接触充電システム10の構成を模式的に示す図である。非接触充電システム10は、送電装置100と、中継装置200と、受電装置300と、交流電源400と、バッテリ500と、を含んでいる。交流電源400は、送電装置100に接続され、送電装置100に電力を供給する。交流電源400は、例えば電圧100V、周波数50Hzの家庭用電源である。バッテリ500は、受電装置300に接続され、受電装置300が受電した電力を充電する。バッテリ500は、例えばリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池を含む再充電可能な直流電源である。後述するように、送電装置100、中継装置200及び受電装置300は、各装置それぞれに含まれるコイルが互いに磁界共振することにより、送電装置100から受電装置300へ非接触で電力を伝送する。
1. 1. Configuration example 1-1. Configuration of Embodiments FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a non-contact charging system 10 according to an embodiment of the present invention. The non-contact charging system 10 includes a power transmission device 100, a relay device 200, a power receiving device 300, an AC power supply 400, and a battery 500. The AC power supply 400 is connected to the power transmission device 100 and supplies electric power to the power transmission device 100. The AC power supply 400 is, for example, a household power supply having a voltage of 100 V and a frequency of 50 Hz. The battery 500 is connected to the power receiving device 300 and charges the power received by the power receiving device 300. The battery 500 is a rechargeable DC power source including a secondary battery such as a lithium ion battery or a nickel metal hydride battery. As will be described later, the power transmission device 100, the relay device 200, and the power receiving device 300 transmit power from the power transmission device 100 to the power receiving device 300 in a non-contact manner by causing the coils included in each device to resonate with each other in a magnetic field.

送電装置100は、共振回路101と、ACDCコンバータ110と、インバータ120と、フィルタ回路130と、を備えている。ACDCコンバータ110は、交流電源400から供給される電力を整流及び変圧し、インバータ120へ出力する。ACDCコンバータ110は、例えばダイオード及びコンデンサを含んだ整流回路と、半導体スイッチング素子(IGBTやMOSFET等)を含んだ昇降圧回路により構成される。インバータ120は、ACDCコンバータ110から受ける直流電力を所定周波数の交流電力に変換する。インバータ120は、例えば複数の半導体スイッチング素子と、複数の帰還ダイオードを含む単相フルブリッジ回路により構成され、パルス幅変調処理(PWM;Pulse Width Modulation)を行う。インバータ120の出力電力の周波数は、後述する共振回路301の共振周波数と一致するように、制御回路140により制御される。以下インバータ120の出力電力の周波数を「ω」とも称する。フィルタ回路130は、インバータ120から出力される電力の電磁ノイズを低減する。フィルタ回路130は、例えばコンデンサとコイルにより構成されるローパスフィルタである。 The power transmission device 100 includes a resonance circuit 101, an ADCC converter 110, an inverter 120, and a filter circuit 130. The ACDC converter 110 rectifies and transforms the power supplied from the AC power supply 400 and outputs it to the inverter 120. The ACDC converter 110 is composed of, for example, a rectifier circuit including a diode and a capacitor, and a buck-boost circuit including a semiconductor switching element (IGBT, MOSFET, etc.). The inverter 120 converts the DC power received from the ACDC converter 110 into AC power having a predetermined frequency. The inverter 120 is composed of, for example, a plurality of semiconductor switching elements and a single-phase full bridge circuit including a plurality of feedback diodes, and performs pulse width modulation processing (PWM). The frequency of the output power of the inverter 120 is controlled by the control circuit 140 so as to match the resonance frequency of the resonance circuit 301 described later. Hereinafter, the frequency of the output power of the inverter 120 is also referred to as “ω”. The filter circuit 130 reduces the electromagnetic noise of the electric power output from the inverter 120. The filter circuit 130 is, for example, a low-pass filter composed of a capacitor and a coil.

共振回路101は、送電コイルL1と送電コイルL1に直列に接続される共振コンデンサC1と、を含んでいる。共振回路101の共振周波数は、後述する共振回路301の共振周波数と一致するように構成されている。送電コイルL1は、インバータ120から共振周波数で出力される電力により、後述する中継コイルL2と磁界共振し中継装置200へ電力を送電する。 The resonance circuit 101 includes a power transmission coil L1 and a resonance capacitor C1 connected in series with the power transmission coil L1. The resonance frequency of the resonance circuit 101 is configured to match the resonance frequency of the resonance circuit 301, which will be described later. The power transmission coil L1 resonates with the relay coil L2, which will be described later, in a magnetic field by the power output from the inverter 120 at the resonance frequency, and transmits the power to the relay device 200.

送電装置100は、いくつかのセンサを含んでいる。センサ141は、電流センサで送電コイルL1に流れる電流を検出する。センサ142は、電流センサでインバータ120の出力電流を検出する。センサ143は、電流センサでACDCコンバータの出力電流を検出する。センサ144は、電圧センサでインバータ120の入力電圧を検出する。 The power transmission device 100 includes several sensors. The sensor 141 detects the current flowing through the power transmission coil L1 with the current sensor. The sensor 142 detects the output current of the inverter 120 with a current sensor. The sensor 143 detects the output current of the ACDC converter with a current sensor. The sensor 144 detects the input voltage of the inverter 120 with a voltage sensor.

中継装置200は、共振回路201と、駆動装置210と、を備えている。共振回路201は、中継コイルL2と中継コイルL2に直列に接続される共振コンデンサC2と、を含んでいる。共振回路201の共振周波数は、後述する共振回路301の共振周波数と一致するように構成されている。中継コイルL2は、送電コイルL1及び受電コイルL3と磁界共振することにより、送電装置100から送電される電力を受電し、受電した電力を受電装置300へ送電する。 The relay device 200 includes a resonance circuit 201 and a drive device 210. The resonance circuit 201 includes a relay coil L2 and a resonance capacitor C2 connected in series with the relay coil L2. The resonance frequency of the resonance circuit 201 is configured to match the resonance frequency of the resonance circuit 301, which will be described later. The relay coil L2 receives the electric power transmitted from the power transmitting device 100 by magnetically resonating with the power transmitting coil L1 and the power receiving coil L3, and transmits the received power to the power receiving device 300.

駆動装置210は、共振回路201に接続されており、中継コイルL2の位置を上下方向又は前後左右方向に移動させることができるように構成されている。中継コイルL2の位置の調整は、後述する制御回路240により制御される。駆動装置210は、例えばモータやポジショナで構成されている。 The drive device 210 is connected to the resonance circuit 201 and is configured so that the position of the relay coil L2 can be moved in the vertical direction or the front-back and left-right directions. The adjustment of the position of the relay coil L2 is controlled by the control circuit 240 described later. The drive device 210 is composed of, for example, a motor or a positioner.

中継装置200は、センサ241を含んでいる。センサ241は、電流センサで中継コイルL2に流れる電流を検出する。 The relay device 200 includes a sensor 241. The sensor 241 detects the current flowing through the relay coil L2 with a current sensor.

受電装置300は、共振回路301と、整流回路310と、フィルタ回路330と、を備えている。共振回路301は、受電コイルL3と受電コイルL3に直列に接続される共振コンデンサC3と、を含んでいる。共振回路301の共振周波数は、前述のように、インバータ120の出力電力の周波数と一致するように構成されている。受電コイルL3は、中継コイルL2と磁界共振し、中継装置200から電力を受電する。 The power receiving device 300 includes a resonance circuit 301, a rectifier circuit 310, and a filter circuit 330. The resonance circuit 301 includes a power receiving coil L3 and a resonance capacitor C3 connected in series with the power receiving coil L3. As described above, the resonance frequency of the resonance circuit 301 is configured to match the frequency of the output power of the inverter 120. The power receiving coil L3 resonates with the relay coil L2 in a magnetic field and receives electric power from the relay device 200.

整流回路310は、例えば複数のダイオードによる単相全波整流回路と、単相全波整流回路の後段に並列に接続されるコンデンサと、を含む倍電圧整流回路により構成される。整流回路310は、更に平滑化コンデンサを含み、入力される交流電力を平滑化された直流電力に変換して出力する。 The rectifier circuit 310 is composed of a voltage doubler rectifier circuit including, for example, a single-phase full-wave rectifier circuit using a plurality of diodes and a capacitor connected in parallel after the single-phase full-wave rectifier circuit. The rectifier circuit 310 further includes a smoothing capacitor, converts the input AC power into smoothed DC power, and outputs the power.

受電装置300は、バッテリセンサ343及び344を含んでいる。バッテリセンサ343は、電流センサでバッテリ500に流れる電流(以下「バッテリ電流」とも称する。)を検出する。バッテリセンサ344は、電圧センサでバッテリ500の電圧(以下「バッテリ電圧」とも称する。)を検出する。受電装置300は、更にいくつかのセンサを含んでいる。センサ341は、電流センサで受電コイルL3に流れる電流を検出する。センサ342は、電流センサでフィルタ回路330の出力電流を検出する。 The power receiving device 300 includes battery sensors 343 and 344. The battery sensor 343 detects the current flowing through the battery 500 (hereinafter, also referred to as “battery current”) with the current sensor. The battery sensor 344 detects the voltage of the battery 500 (hereinafter, also referred to as “battery voltage”) with the voltage sensor. The power receiving device 300 further includes some sensors. The sensor 341 detects the current flowing through the power receiving coil L3 with a current sensor. The sensor 342 detects the output current of the filter circuit 330 with a current sensor.

電力を効率よく伝送するためには、共振回路101、共振回路201及び共振回路301のQ値は100以上であることが望ましい。 In order to efficiently transmit electric power, it is desirable that the Q value of the resonance circuit 101, the resonance circuit 201, and the resonance circuit 301 is 100 or more.

送電装置100は、更に制御回路140と、通信回路150と、を備えている。制御回路140は、ACDCコンバータ110の半導体スイッチング素子及びインバータ120の半導体スイッチング素子を制御し、共振回路101に入力される電力を調整する。ここで共振回路101に入力される電力は、周波数が共振回路101及び共振回路301の共振周波数と一致するように調整される。制御回路140は、少なくとも入出力インターフェースと、少なくとも1つのメモリと、少なくとも1つのプロセッサと、を備えている。入出力インターフェースは、送電装置100に含まれる各センサの検出値と、後述する通信回路150から取り込む通信情報と、を入力とし、ACDCコンバータ110及びインバータ120への制御信号と、通信回路150に対する通信情報と、を出力とする。メモリは、データを一時的に記録するRAM(Random Access Memory)と、制御プログラム等を保存するROM(Read Only Memory)と、を含んでいる。プロセッサは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだ入力値に基づいて制御信号を生成する。 The power transmission device 100 further includes a control circuit 140 and a communication circuit 150. The control circuit 140 controls the semiconductor switching element of the ADCC converter 110 and the semiconductor switching element of the inverter 120, and adjusts the electric power input to the resonance circuit 101. Here, the power input to the resonance circuit 101 is adjusted so that the frequency matches the resonance frequencies of the resonance circuit 101 and the resonance circuit 301. The control circuit 140 includes at least an input / output interface, at least one memory, and at least one processor. The input / output interface receives the detection value of each sensor included in the power transmission device 100 and the communication information taken from the communication circuit 150 described later as inputs, and controls the control signal to the ADCC converter 110 and the inverter 120, and communicates with the communication circuit 150. Information and output. The memory includes a RAM (Random Access Memory) for temporarily recording data and a ROM (Read Only Memory) for storing control programs and the like. The processor reads a control program or the like from the memory and executes it, and generates a control signal based on the captured input value.

通信回路150は、後述する中継装置200に備える通信回路250及び受電装置300に備える通信回路350と無線又は電気的に繋がっており、情報を互いに通信することが可能なように構成されている。通信回路150は、制御回路140から取り込む情報を、通信回路250及び通信回路350へ出力し、通信回路250及び通信回路350から取り込む通信情報を、制御回路140へ出力する。通信回路150が制御回路140から取り込む情報は、送電装置100の各センサの検出値を含んでいる。 The communication circuit 150 is wirelessly or electrically connected to the communication circuit 250 provided in the relay device 200 and the communication circuit 350 provided in the power receiving device 300, which will be described later, and is configured to be able to communicate information with each other. The communication circuit 150 outputs the information taken from the control circuit 140 to the communication circuit 250 and the communication circuit 350, and outputs the communication information taken from the communication circuit 250 and the communication circuit 350 to the control circuit 140. The information captured by the communication circuit 150 from the control circuit 140 includes the detection value of each sensor of the power transmission device 100.

中継装置200は、更に制御回路240と、通信回路250と、を備えている。制御回路240は、中継コイルL2を所定位置に調整するように駆動装置210を制御する。制御回路140は、少なくとも入出力インターフェースと、少なくとも1つのメモリと、少なくとも1つのプロセッサと、を備えている。入出力インターフェースは、センサ241の検出値と、後述する通信回路250から取り込む通信情報と、を入力とし、駆動装置210への制御信号と、通信回路250に対する通信情報と、を出力とする。メモリは、データを一時的に記録するRAMと、制御プログラム等を保存するROMと、を含んでいる。プロセッサは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだ入力値に基づいて制御信号を生成する。 The relay device 200 further includes a control circuit 240 and a communication circuit 250. The control circuit 240 controls the drive device 210 so as to adjust the relay coil L2 to a predetermined position. The control circuit 140 includes at least an input / output interface, at least one memory, and at least one processor. The input / output interface inputs the detection value of the sensor 241 and the communication information taken from the communication circuit 250 described later, and outputs the control signal to the drive device 210 and the communication information to the communication circuit 250. The memory includes a RAM for temporarily recording data and a ROM for storing a control program and the like. The processor reads a control program or the like from the memory and executes it, and generates a control signal based on the captured input value.

通信回路250は、前述のように、通信回路150及び通信回路350と無線又は電気的に繋がっており、情報を互いに通信することが可能なように構成されている。通信回路250は、制御回路240から取り込む情報を、通信回路150及び通信回路350へ出力し、通信回路150及び通信回路350から取り込む通信情報を、制御回路240へ出力する。通信回路250が制御回路240から取り込む情報は、中継装置200のセンサ241の検出値を含んでいる。 As described above, the communication circuit 250 is wirelessly or electrically connected to the communication circuit 150 and the communication circuit 350, and is configured to be able to communicate information with each other. The communication circuit 250 outputs the information taken from the control circuit 240 to the communication circuit 150 and the communication circuit 350, and outputs the communication information taken from the communication circuit 150 and the communication circuit 350 to the control circuit 240. The information captured by the communication circuit 250 from the control circuit 240 includes the detection value of the sensor 241 of the relay device 200.

受電装置300は、更に制御回路340と、通信回路350と、を備えている。制御回路340は、少なくとも入出力インターフェースと、少なくとも1つのメモリと、少なくとも1つのプロセッサと、を備えている。入出力インターフェースは、受電装置300に含まれる各センサの検出値と、後述する通信回路350から取り込む通信情報と、を入力とし、通信回路350に対する通信情報を出力とする。メモリは、データを一時的に記録するRAMと、制御プログラム等を保存するROMと、を含んでいる。プロセッサは、制御プログラム等をメモリから読み出して実行し、取り込んだ入力値に基づいて制御信号を生成する。 The power receiving device 300 further includes a control circuit 340 and a communication circuit 350. The control circuit 340 includes at least an input / output interface, at least one memory, and at least one processor. The input / output interface inputs the detection value of each sensor included in the power receiving device 300 and the communication information taken from the communication circuit 350 described later, and outputs the communication information to the communication circuit 350. The memory includes a RAM for temporarily recording data and a ROM for storing a control program and the like. The processor reads a control program or the like from the memory and executes it, and generates a control signal based on the captured input value.

通信回路350は、前述のように、通信回路150及び通信回路250と無線または電気的に繋がっており、情報を互いに通信することが可能なように構成されている。通信回路350は、制御回路340から取り込む情報を、通信回路150及び通信回路250へ出力し、通信回路150及び通信回路250から取り込む通信情報を、制御回路340へ出力する。通信回路350が制御回路340から取り込む情報は、受電装置300の各センサの検出値を含んでいる。 As described above, the communication circuit 350 is wirelessly or electrically connected to the communication circuit 150 and the communication circuit 250, and is configured to be able to communicate information with each other. The communication circuit 350 outputs the information taken from the control circuit 340 to the communication circuit 150 and the communication circuit 250, and outputs the communication information taken from the communication circuit 150 and the communication circuit 250 to the control circuit 340. The information captured by the communication circuit 350 from the control circuit 340 includes the detection value of each sensor of the power receiving device 300.

通信回路150と通信回路250と通信回路350の間で通信され、制御回路140及び制御回路240及び制御回路340で共有される情報は、送電装置100の各センサの検出値と、中継装置200のセンサ241の検出値と、受電装置300の各検出値と、その他の非接触充電システム10の情報と、を含んでいる。ここでその他の非接触充電システム10の情報とは、各装置の制御回路のROMにあらかじめ記憶された非接触充電システム10の情報(非接触充電システム10に含まれる各素子のパラメータや、非接触充電システム10が搭載される装置の情報等)や、故障により充電が継続できないことを通知するエラー情報や、各装置の通信回路が図示されていない情報伝達路を通して取り込んだ非接触充電システム10の情報等である。 The information communicated between the communication circuit 150, the communication circuit 250, and the communication circuit 350 and shared by the control circuit 140, the control circuit 240, and the control circuit 340 is the detection value of each sensor of the power transmission device 100 and the information of the relay device 200. It includes the detected value of the sensor 241 and each detected value of the power receiving device 300, and information of the other non-contact charging system 10. Here, the other non-contact charging system 10 information includes information on the non-contact charging system 10 stored in advance in the ROM of the control circuit of each device (parameters of each element included in the non-contact charging system 10 and non-contact). Information on the device on which the charging system 10 is mounted), error information notifying that charging cannot be continued due to a failure, and contactless charging system 10 in which the communication circuit of each device is captured through an information transmission path (not shown). Information etc.

1−2.システムの特性
本発明の実施の形態に係る非接触充電システム10のいくつかの特性について説明する。
1-2. Characteristics of the system Some characteristics of the non-contact charging system 10 according to the embodiment of the present invention will be described.

送電コイルL1と中継コイルL2の間の相互インダクタンスを「M12」で表し、中継コイルL2と受電コイルL3の間の相互インダクタンスを「M23」で表すと、送電コイル電流I及び中継コイル電流I及び受電コイル電流Iは、それぞれ式(1)乃至式(3)の比例関係により表すことができる。 When the mutual inductance between the transmission coil L1 and the relay coil L2 is represented by "M 12 " and the mutual inductance between the relay coil L2 and the power receiving coil L3 is represented by "M 23 ", the transmission coil current I 1 and the relay coil current are represented by "M 23". The power receiving coil current I 2 and the power receiving coil current I 3 can be represented by the proportional relationship of the equations (1) to (3), respectively.

Figure 2021175286
Figure 2021175286

Figure 2021175286
Figure 2021175286

Figure 2021175286
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ここで、「Vbatt」及び「Pbatt」はそれぞれバッテリ電圧およびバッテリ500への入力電力を表している。相互インダクタンスM12及びM23は、それぞれ送電コイルL1と中継コイルL2間の結合係数及び中継コイルL2と受電コイルL3間の結合係数に依存している。コイル間の距離が大きくなると、結合係数は低下し、相互インダクタンスは減少する。逆に、コイル間の距離が小さくなると、結合係数は増加し、相互インダクタンスは増加する。 Here, "V bat " and "P bat " represent the battery voltage and the input power to the battery 500, respectively. The mutual inductances M 12 and M 23 depend on the coupling coefficient between the transmission coil L1 and the relay coil L2 and the coupling coefficient between the relay coil L2 and the power receiving coil L3, respectively. As the distance between the coils increases, the coupling coefficient decreases and the mutual inductance decreases. Conversely, as the distance between the coils decreases, the coupling coefficient increases and the mutual inductance increases.

式(1)及び式(2)より、バッテリ電圧Vbattが増加するとき、送電コイル電流Iは減少し、中継コイル電流Iは増加する。一方で、相互インダクタンスM23が増加するとき、送電コイル電流Iは増加し、中継コイル電流Iは減少する。つまり、バッテリ電圧Vbattに対する送電コイル電流I及び中継コイル電流Iの変動と、相互インダクタンスM23に対する送電コイル電流I及び中継コイル電流Iの変動は逆の関係となる。 From the equations (1) and (2), when the battery voltage V batt increases, the transmission coil current I 1 decreases and the relay coil current I 2 increases. On the other hand, when the mutual inductance M 23 increases, the transmission coil current I 1 increases and the relay coil current I 2 decreases. That is, the fluctuations of the transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 with respect to the battery voltage V butt and the fluctuations of the transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 with respect to the mutual inductance M 23 have the opposite relationship.

コイル間効率ηは、式(4)で表すことができる。ここで「r」、「r」、「r」は、それぞれ送電装置100、中継装置200、受電装置300の抵抗成分を表し、「R」はバッテリ500の負荷抵抗を表す。 The inter-coil efficiency η can be expressed by the equation (4). Here, "r 1 ", "r 2 ", and "r 3 " represent the resistance components of the power transmission device 100, the relay device 200, and the power receiving device 300, respectively, and " RL " represents the load resistance of the battery 500.

Figure 2021175286
Figure 2021175286

コイル間効率ηは、式(4)に示すように、各装置に流れる電流値に依存して変化する。 As shown in the equation (4), the inter-coil efficiency η changes depending on the value of the current flowing through each device.

2.中継コイルの位置の調整
以下、制御回路240及び駆動装置210による中継コイルL2の位置の調整について説明する。
2. Adjustment of Relay Coil Position The adjustment of the position of the relay coil L2 by the control circuit 240 and the drive device 210 will be described below.

式(4)より、コイル間効率ηが最も大きくなる送電コイル電流I及び中継コイル電流Iが与えられる。あるバッテリ電圧Vbattに対して、中継コイルL2の位置を調整し、相互インダクタンスM12及びM23を調整することで、コイル間効率ηが最も大きくなる送電コイル電流I及び中継コイル電流Iで非接触充電システム10を駆動できる。充電が継続し、バッテリ電圧Vbattが増加すると、前述のように、送電コイル電流I及び中継コイル電流Iが変動する。これにより、コイル間効率ηが変化し、充電効率が悪化する。 From the equation (4), the power transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 that maximize the inter-coil efficiency η are given. By adjusting the position of the relay coil L2 and adjusting the mutual inductances M 12 and M 23 with respect to a certain battery voltage V batt , the transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 that maximize the inter-coil efficiency η are obtained. Can drive the non-contact charging system 10. When charging continues and the battery voltage V batt increases, the power transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 fluctuate as described above. As a result, the inter-coil efficiency η changes, and the charging efficiency deteriorates.

そこで、この実施の形態に係る中継装置200の制御回路240は、バッテリ電圧Vbattが増加し、バッテリアドミタンス値が小さくなるにしたがって、中継コイルL2の位置を送電コイルL1から離すように駆動装置210を制御する。 Therefore, in the control circuit 240 of the relay device 200 according to this embodiment, as the battery voltage V batt increases and the battery admittance value decreases, the position of the relay coil L2 is separated from the power transmission coil L1. To control.

中継コイルL2の位置を、送電コイルL1から離すようにすると、相互インダクタンスM23が増加し、M12が減少する。これにより、式(1)及び式(2)に示すように、バッテリ電圧Vbattの変動を相殺するように、送電コイル電流I及び中継コイル電流Iを調整することができる。つまり、電流値の変動を抑制することにより、充電効率の悪化を抑制することができる。 When the position of the relay coil L2 is separated from the power transmission coil L1, the mutual inductance M 23 increases and M 12 decreases. Thereby, as shown in the equations (1) and (2) , the transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 can be adjusted so as to cancel the fluctuation of the battery voltage V batt. That is, by suppressing the fluctuation of the current value, it is possible to suppress the deterioration of the charging efficiency.

2−1.制御回路240及び駆動装置210の動作
制御回路240は、バッテリセンサ343及び344から、バッテリ電流Ibatt及びバッテリ電圧Vbattを取得する。制御回路240は、バッテリ電流Ibattをバッテリ電圧Vbattで除したバッテリアドミタンス値を算出する。制御回路240は、算出したバッテリアドミタンス値が小さくなるほど、中継コイルL2の位置を送電コイルL1から離すように駆動装置210に対して制御信号を送信する。駆動装置210は、受け取った制御信号に基づいて、中継コイルL2の位置を調整する。
2-1. Operation of Control Circuit 240 and Drive Device 210 The control circuit 240 acquires the battery current I batt and the battery voltage V batt from the battery sensors 343 and 344. The control circuit 240 calculates the battery admittance value obtained by dividing the battery current I batt by the battery voltage V batt. The control circuit 240 transmits a control signal to the drive device 210 so that the position of the relay coil L2 is separated from the power transmission coil L1 as the calculated battery admittance value becomes smaller. The drive device 210 adjusts the position of the relay coil L2 based on the received control signal.

図2は、中継コイルL2の位置の調整を表す概念図である。位置Aは、あるバッテリ電圧値における中継コイルL2の位置である。充電が継続し、バッテリ電圧Vbattが増加するとき、制御回路240は、電流値の変動を抑制するように、駆動装置210に対して、中継コイルL2の位置の調整を要請する制御信号を送信する。駆動装置210は、制御信号に基づいて、中継コイルL2を位置Bに移動させる。ここで、中継コイルL2の位置調整は、1軸に制限されていても良い。図3は、中継コイルL2の位置調整が上下方向のみに制限されている場合を表す概念図である。 FIG. 2 is a conceptual diagram showing adjustment of the position of the relay coil L2. The position A is the position of the relay coil L2 at a certain battery voltage value. When charging continues and the battery voltage V batt increases, the control circuit 240 transmits a control signal requesting the drive device 210 to adjust the position of the relay coil L2 so as to suppress fluctuations in the current value. do. The drive device 210 moves the relay coil L2 to the position B based on the control signal. Here, the position adjustment of the relay coil L2 may be limited to one axis. FIG. 3 is a conceptual diagram showing a case where the position adjustment of the relay coil L2 is limited only in the vertical direction.

図4は、送電コイルL1と中継コイルL2間の距離(送電/中継コイル間距離)に対する送電コイル電流I及び中継コイル電流Iの電流値のシミュレーション結果を示す図である。バッテリ電圧の増加に対して、中継コイルL2の位置を調整することで、送電コイル電流I及び中継コイル電流Iの変動を抑制することができることがわかる。また電流値の最大値を低減することも可能であり、回路の素子数低減やコイル径の縮小にも繋げることができる。 FIG. 4 is a diagram showing simulation results of the current values of the power transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 with respect to the distance between the power transmission coil L1 and the relay coil L2 (the distance between the power transmission / relay coil). It can be seen that the fluctuations of the power transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 can be suppressed by adjusting the position of the relay coil L2 with respect to the increase in the battery voltage. It is also possible to reduce the maximum value of the current value, which can lead to a reduction in the number of elements in the circuit and a reduction in the coil diameter.

図5は、送電コイルL1と中継コイルL2間の距離(送電/中継コイル間距離)に対するコイル間効率ηのシミュレーション結果を示す図である。バッテリ電圧Vbattの増加に対して、中継コイルL2の位置を調整することで、コイル間効率ηの悪化を抑制することができることがわかる。 FIG. 5 is a diagram showing a simulation result of the inter-coil efficiency η with respect to the distance between the power transmission coil L1 and the relay coil L2 (distance between the power transmission / relay coil). It can be seen that the deterioration of the inter-coil efficiency η can be suppressed by adjusting the position of the relay coil L2 with respect to the increase in the battery voltage V batt.

このように、本実施の形態の非接触充電システム10によれば、バッテリ電圧Vbattの変動に対して、送電コイル電流I及び中継コイル電流Iの変動を抑制するように、中継コイルL2の位置を調整することで、充電効率の悪化を抑制することができる。 As described above, according to the non-contact charging system 10 of the present embodiment, the relay coil L2 suppresses the fluctuations of the power transmission coil current I 1 and the relay coil current I 2 with respect to the fluctuation of the battery voltage V batt. By adjusting the position of, the deterioration of charging efficiency can be suppressed.

3.実施の形態の非接触充電システムの変形例
実施の形態の非接触充電システム10は、以下のように変形した態様を採用しても良い。
3. 3. Modification example of the non-contact charging system of the embodiment The non-contact charging system 10 of the embodiment may adopt a modified mode as follows.

3−1.変形例1
中継装置200は、送電装置100と一体となるように構成されていても良い。図6は、中継装置200が送電装置100と一体となる場合の構成を模式的に示す図である。このとき、図1に示される中継装置200の制御回路240及び通信回路250の機能は、送電装置100の制御回路140及び通信回路150に一体化されている。
3-1. Modification 1
The relay device 200 may be configured to be integrated with the power transmission device 100. FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration when the relay device 200 is integrated with the power transmission device 100. At this time, the functions of the control circuit 240 and the communication circuit 250 of the relay device 200 shown in FIG. 1 are integrated into the control circuit 140 and the communication circuit 150 of the power transmission device 100.

3−2.変形例2
中継装置200は、受電装置300と一体となるように構成されていても良い。図7は、中継装置200が受電装置300と一体となる場合の構成を模式的に示す図である。このとき、図1に示される中継装置200の制御回路240及び通信回路250の機能は、受電装置300の制御回路340及び通信回路350に一体化されている。
3-2. Modification 2
The relay device 200 may be configured to be integrated with the power receiving device 300. FIG. 7 is a diagram schematically showing a configuration when the relay device 200 is integrated with the power receiving device 300. At this time, the functions of the control circuit 240 and the communication circuit 250 of the relay device 200 shown in FIG. 1 are integrated into the control circuit 340 and the communication circuit 350 of the power receiving device 300.

10 非接触充電システム、 100 送電装置、 200 中継装置、 210 駆動装置、 240 制御回路、 300 受電装置、 343 バッテリセンサ、 344 バッテリセンサ、 400 交流電源、 500 バッテリ 10 Non-contact charging system, 100 power transmission device, 200 relay device, 210 drive device, 240 control circuit, 300 power receiving device, 343 battery sensor, 344 battery sensor, 400 AC power supply, 500 battery

Claims (1)

電力を非接触で充電する非接触充電システムであって、
給電される電力を送電コイルで送電する送電装置と、
前記送電コイルにより送電される電力を中継コイルで中継する中継装置と、
前記中継コイルにより中継される電力を受電コイルで受電しバッテリに充電する受電装置と、
前記バッテリに流入する電流値および前記バッテリの電圧値を検出するバッテリセンサと、
を備え、
前記中継装置は、
前記中継コイルの位置を移動させる駆動装置を含み、
前記バッテリセンサから前記電流値および前記電圧値の情報を受けて前記電流値を前記電圧値で除した値が小さくなるほど前記中継コイルを前記送電コイルから離すように前記駆動装置を制御するように構成されていることを特徴とする非接触充電システム。
It is a non-contact charging system that charges electric power in a non-contact manner.
A power transmission device that transmits the power to be supplied by a power transmission coil,
A relay device that relays the electric power transmitted by the power transmission coil with the relay coil,
A power receiving device that receives power relayed by the relay coil by the power receiving coil and charges the battery.
A battery sensor that detects the current value flowing into the battery and the voltage value of the battery,
With
The relay device is
A drive device for moving the position of the relay coil is included.
The drive device is configured to receive information on the current value and the voltage value from the battery sensor and control the drive device so that the relay coil is separated from the power transmission coil as the value obtained by dividing the current value by the voltage value becomes smaller. A non-contact charging system characterized by being.
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