JP4868077B2 - 給電システムおよび電動車両 - Google Patents

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Description

この発明は、給電システムおよび電動車両に関し、特に、車両外部の電源から車両へ非接触で電力を供給する技術に関する。
環境に配慮した車両として、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両が大きく注目されている。これらの車両は、走行駆動力を発生する電動機と、その電動機に供給される電力を蓄える再充電可能な蓄電装置とを搭載する。なお、ハイブリッド車は、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載した車両や、車両駆動用の直流電源として蓄電装置とともに燃料電池をさらに搭載した車両である。
ハイブリッド車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能な車両が知られている。たとえば、家屋に設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより、一般家庭の電源から蓄電装置を充電可能ないわゆる「プラグイン・ハイブリッド車」が知られている。
一方、送電方法として、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス送電が近年注目されている。このワイヤレス送電技術としては、有力なものとして、電磁誘導を用いた送電、電磁波を用いた送電、および共鳴法による送電の3つの技術が知られている。
このうち、共鳴法は、一対の共鳴器(たとえば一対の自己共振コイル)を電磁場(近接場)において共鳴させ、電磁場を介して送電する非接触の送電技術であり、数kWの大電力を比較的長距離(たとえば数m)送電することも可能である(非特許文献1参照)。
特開2008−174676号公報 特開平9−102329号公報 国際公開第2007/008646号パンフレット Andre Kurs et al., "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances"、[online]、2007年7月6日、Science、第317巻、p.83−86、[2007年9月12日検索]、インターネット<URL:http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/317/5834/83.pdf>
上記の「Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances」に開示されるワイヤレス送電技術を車両への給電システムに適用する場合には、給電の効率を高める電力制御が課題である。しかしながら、上記文献には、効率よく給電するための具体的な電力制御技術については特に開示されていない。
それゆえに、この発明の目的は、共鳴法を用いて給電を行なう非接触の給電システムにおいて、効率のよい給電を実現する電力制御手法を提供することである。
また、この発明の別の目的は、共鳴法を用いて車両外部の給電装置から受電する電動車両において、効率のよい受電を実現する電力制御手法を提供することである。
この発明によれば、給電システムは、送電用共鳴器と、受電用共鳴器と、整流器と、電圧変換器と、電圧制御装置とを備える。送電用共鳴器は、電源から電力を受けて電磁場を発生する。受電用共鳴器は、電磁場を介して送電用共鳴器と共鳴することにより送電用共鳴器から受電する。整流器は、受電用共鳴器によって受電された電力を整流する。電圧変換器は、整流器によって整流された電力を電圧変換して負荷へ供給する。電圧制御装置は、整流器と電圧変換器との間の電圧を所定の目標電圧に制御する。
好ましくは、電圧制御装置は、受電電力の大きさに基づいて目標電圧を設定する。
好ましくは、電圧制御装置は、受電電力の目標値に目標インピーダンスを乗算した値の平方根から成る値に目標電圧を設定する。
さらに好ましくは、目標インピーダンスは、電源のインピーダンスに設定される。
好ましくは、給電システムは、検知装置をさらに備える。検知装置は、電源から送電用共鳴器へ供給される電力の反射電力を検知する。電圧制御装置は、反射電力が減少するように目標電圧を変更する。
さらに好ましくは、電圧制御装置は、反射電力が規定値以上のとき、規定値以下の反射電力目標値と検知装置によって検知された反射電力との差に基づいて目標電圧の変更量を算出する。
好ましくは、検知装置は、電源から送電用共鳴器へ供給される電力の電圧、電流、および電圧と電流との位相差に基づいて反射電力を算出する。
好ましくは、電圧変換器は、その入力電圧を調整可能に構成される。電圧制御装置は、電圧変換器を制御することによって、整流器と電圧変換器との間の電圧を目標電圧に制御する。
また、好ましくは、電圧変換器は、その入力電力を調整可能に構成される。電圧制御装置は、電源を制御することによって、整流器と電圧変換器との間の電圧を目標電圧に制御する。
好ましくは、送電用共鳴器は、一次コイルと、一次自己共振コイルとを含む。一次コイルは、電源から電力を受ける。一次自己共振コイルは、一次コイルから電磁誘導により給電され、電磁場を発生する。受電用共鳴器は、二次自己共振コイルと、二次コイルとを含む。二次自己共振コイルは、電磁場を介して一次自己共振コイルと共鳴することにより一次自己共振コイルから受電する。二次コイルは、二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出し、整流器へ出力する。
また、好ましくは、送電用共鳴器および受電用共鳴器の各々は、高誘電体ディスクを含む。
好ましくは、負荷は、再充電可能な蓄電装置を含む。
また、好ましくは、負荷は、車両に搭載されて車両駆動力を発生する電気駆動装置を含む。電気駆動装置は、電圧変換器から出力される電力を受けて車両駆動力を発生する。
また、この発明によれば、電動車両は、受電用共鳴器と、整流器と、電圧変換器と、電気駆動装置と、電圧制御装置とを備える。受電用共鳴器は、車両外部に設けられる給電装置に含まれる送電用共鳴器と電磁場を介して共鳴することにより送電用共鳴器から受電する。整流器は、受電用共鳴器によって受電された電力を整流する。電圧変換器は、整流器によって整流された電力を電圧変換する。電気駆動装置は、電圧変換器から出力される電力を用いて車両駆動力を発生する。電圧制御装置は、整流器と電圧変換器との間の電圧を所定の目標電圧に制御する。
好ましくは、電圧制御装置は、受電電力の大きさに基づいて目標電圧を設定する。
好ましくは、電圧制御装置は、受電電力の目標値に目標インピーダンスを乗算した値の平方根から成る値に目標電圧を設定する。
さらに好ましくは、目標インピーダンスは、給電装置のインピーダンスに設定される。
好ましくは、電動車両は、給電装置と通信するための通信装置をさらに備える。給電装置において電源から送電用共鳴器へ供給される電力の反射電力が検知される。電圧制御装置は、給電装置において検知された反射電力を通信装置によって受信し、反射電力が減少するように目標電圧を変更する。
さらに好ましくは、電圧制御装置は、反射電力が規定値以上のとき、規定値以下の反射電力目標値と通信装置によって受信された反射電力との差に基づいて目標電圧の変更量を算出する。
好ましくは、反射電力は、電源から送電用共鳴器へ供給される電力の電圧、電流、および電圧と電流との位相差に基づいて算出される。
好ましくは、電圧変換器は、その入力電圧を調整可能に構成される。電圧制御装置は、電圧変換器を制御することによって、整流器と電圧変換器との間の電圧を目標電圧に制御する。
また、好ましくは、電動車両は、給電装置と通信するための通信装置をさらに備える。電圧変換器は、その入力電力を調整可能に構成される。電圧制御装置は、通信装置を介して電源を制御することによって、整流器と電圧変換器との間の電圧を目標電圧に制御する。
好ましくは、送電用共鳴器は、一次コイルと、一次自己共振コイルとを含む。一次コイルは、電源から電力を受ける。一次自己共振コイルは、一次コイルから電磁誘導により給電され、電磁場を発生する。受電用共鳴器は、二次自己共振コイルと、二次コイルとを含む。二次自己共振コイルは、電磁場を介して一次自己共振コイルと共鳴することにより一次自己共振コイルから受電する。二次コイルは、二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出し、整流器へ出力する。
また、好ましくは、送電用共鳴器および受電用共鳴器の各々は、高誘電体ディスクを含む。
好ましくは、電動車両は、電圧変換器から出力される電力を蓄える蓄電装置をさらに備える。
この発明においては、電磁場において共鳴する送電用共鳴器および受電用共鳴器により、送電用共鳴器から受電用共鳴器へ電磁場を介して非接触に送電される。受電用共鳴器により受電された電力は、整流器により整流され、電圧変換器により電圧変換されて負荷へ供給される。ここで、この発明においては、整流器と電圧変換器との間の電圧を所定の目標電圧に制御可能であるので、受電電力に応じて送電側と受電側とでインピーダンスマッチングをとることが可能である。したがって、この発明によれば、共鳴法を用いた高効率な非接触給電を実現することが可能となる。
この発明の実施の形態1による給電システムの全体構成図である。 共鳴法による送電の原理を説明するための図である。 電流源(磁流源)からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。 図1に示す電動車両の全体構成を示す機能ブロック図である。 図4に示すDC/DCコンバータの回路図である。 図4に示す車両ECUによるDC/DCコンバータの制御に関する機能ブロック図である。 自己共振コイルの他の構成を示した図である。 自己共振コイルのさらに他の構成を示した図である。 自己共振コイルのさらに他の構成を示した図である。 変形例における車両ECUによるDC/DCコンバータの制御に関する機能ブロック図である。 システムのパラメータ変動に対する効率および反射電力の変化を示した図である。 実施の形態2における給電装置の機能ブロック図である。 実施の形態2における車両ECUによるDC/DCコンバータの制御に関する機能ブロック図である。 図13に示す補正制御部の処理を説明するためのフローチャートである。 実施の形態3による給電システムの全体構成図である。 実施の形態3の変形例による給電システムの全体構成図である。 共鳴体として高誘電体ディスクを用いた給電システムの全体ブロック図である。
符号の説明
100,100A〜100C 電動車両、110,340 二次自己共振コイル、120,350 二次コイル、130 整流器、140 DC/DCコンバータ、142 直交変換部、144 トランス部、146 整流部、150 蓄電装置、160 PCU、162 昇圧コンバータ、164,166 インバータ、170 モータ、172,174 モータジェネレータ、176 エンジン、177 動力分割装置、178 駆動輪、180,180A,180B 車両ECU、181 目標電圧設定部、182,182A DC/DCコンバータ制御部、183 制御指令生成部、184 減算部、185 PI制御部、186 補正制御部、187 加算部、190,250 通信装置、192 電圧センサ、194 電流センサ、196 表示灯、200,200A,200B 給電装置、210 交流電源、220 高周波電力ドライバ、230,320 一次コイル、240,330 一次自己共振コイル、260,260A ECU、262 ゼロクロス検出部、264 位相差算出部、266 反射電力算出部、270 反射電力検知装置、310 高周波電源、360 負荷、380 コンデンサ、410 一次高誘電体フィルタ、420 二次高誘電体フィルタ、SMR1,SMR2 システムメインリレー。
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、図中同一また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。
[実施の形態1]
図1は、この発明の実施の形態1による給電システムの全体構成図である。図1を参照して、この給電システムは、電動車両100と、給電装置200とを備える。電動車両100は、二次自己共振コイル110と、二次コイル120と、整流器130と、DC/DCコンバータ140と、蓄電装置150とを含む。また、電動車両100は、パワーコントロールユニット(以下「PCU(Power Control Unit)」とも称する。)160と、モータ170と、車両ECU(Electronic Control Unit)180と、通信装置190とをさらに含む。
二次自己共振コイル110は、車体下部に配設されるが、給電装置200が車両上方に配設されていれば、車体上部に配設されてもよい。二次自己共振コイル110は、両端がオープン(非接続)のLC共振コイルであり、給電装置200の一次自己共振コイル240(後述)と電磁場を介して共鳴することにより給電装置200から電力を受電する。なお、二次自己共振コイル110の容量成分は、コイルの浮遊容量とするが、コイルの両端に接続されるコンデンサを設けてもよい。
二次自己共振コイル110は、給電装置200の一次自己共振コイル240との距離や、一次自己共振コイル240および二次自己共振コイル110の共鳴周波数等に基づいて、一次自己共振コイル240と二次自己共振コイル110との共鳴強度を示すQ値(たとえば、Q>100)およびその結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。
二次コイル120は、二次自己共振コイル110と同軸上に配設され、電磁誘導により二次自己共振コイル110と磁気的に結合可能である。この二次コイル120は、二次自己共振コイル110により受電された電力を電磁誘導により取出して整流器130へ出力する。整流器130は、二次コイル120によって取出された交流電力を整流する。
DC/DCコンバータ140は、車両ECU180からの制御信号に基づいて、整流器130によって整流された電力を蓄電装置150の電圧レベルに変換して蓄電装置150へ出力する。なお、車両の走行中に給電装置200から受電する場合には(その場合には、給電装置200はたとえば車両上方または側方に配設されてもよい。)、DC/DCコンバータ140は、整流器130によって整流された電力をシステム電圧に変換してPCU160へ直接供給してもよい。
蓄電装置150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やニッケル水素などの二次電池から成る。蓄電装置150は、DC/DCコンバータ140から供給される電力を蓄えるほか、モータ170によって発電される回生電力も蓄える。そして、蓄電装置150は、その蓄えた電力をPCU160へ供給する。なお、蓄電装置150として大容量のキャパシタも採用可能であり、給電装置200から供給される電力やモータ170からの回生電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力をPCU160へ供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。
PCU160は、蓄電装置150から出力される電力あるいはDC/DCコンバータ140から直接供給される電力によってモータ170を駆動する。また、PCU160は、モータ170により発電された回生電力を整流して蓄電装置150へ出力し、蓄電装置150を充電する。モータ170は、PCU160によって駆動され、車両駆動力を発生して駆動輪へ出力する。また、モータ170は、駆動輪や図示されないエンジンから受ける運動エネルギーによって発電し、その発電した回生電力をPCU160へ出力する。
車両ECU180は、給電装置200から電動車両100への給電時、DC/DCコンバータ140を制御することによって、整流器130とDC/DCコンバータ140との間の電圧を所定の目標電圧に制御する。ここで、車両ECU180は、給電装置200から受電する電力の大きさに基づいて、目標電圧を次式により設定する。
VHref=√(P×R) …(1)
ここで、Pは、給電装置200から受電する電力の目標値であり、Rは、目標インピーダンスである。整流器130とDC/DCコンバータ140との間の電圧を上記の目標電圧VHrefに制御することにより、受電電力に依存することなくインピーダンスを目標インピーダンスRに設定することができる。そして、たとえば目標インピーダンスRを給電装置200のインピーダンス値に基づいて設定することにより、給電側の給電装置200と受電側の電動車両100とのインピーダンスマッチングをとることができる。
なお、給電装置200のインピーダンス値は、通信装置190によって給電装置200から取得することができる。また、車両ECU180は、電動車両100における受電電力を検出し、その検出値を通信装置190によって給電装置200へ送信する。
また、車両ECU180は、車両の走行時、車両の走行状況や蓄電装置150の充電状態(以下「SOC(State Of Charge)」とも称する。)に基づいてPCU160を制御する。通信装置190は、車両外部の給電装置200と無線通信を行なうための通信インターフェースである。
一方、給電装置200は、交流電源210と、高周波電力ドライバ220と、一次コイル230と、一次自己共振コイル240と、通信装置250と、ECU260とを含む。
交流電源210は、車両外部の電源であり、たとえば系統電源である。高周波電力ドライバ220は、交流電源210から受ける電力を高周波の電力に変換し、その変換した高周波電力を一次コイル230へ供給する。なお、高周波電力ドライバ220が生成する高周波電力の周波数は、たとえば1M〜10数MHzである。
一次コイル230は、一次自己共振コイル240と同軸上に配設され、電磁誘導により一次自己共振コイル240と磁気的に結合可能である。そして、一次コイル230は、高周波電力ドライバ220から供給される高周波電力を電磁誘導により一次自己共振コイル240へ給電する。
一次自己共振コイル240は、地面近傍に配設されるが、車両上方から電動車両100へ給電する場合には車両上方に配設されてもよい。一次自己共振コイル240も、両端がオープン(非接続)のLC共振コイルであり、電動車両100の二次自己共振コイル110と電磁場を介して共鳴することにより電動車両100へ電力を送電する。なお、一次自己共振コイル240の容量成分も、コイルの浮遊容量とするが、コイルの両端に接続されるコンデンサを設けてもよい。
この一次自己共振コイル240も、電動車両100の二次自己共振コイル110との距離や、一次自己共振コイル240および二次自己共振コイル110の共鳴周波数等に基づいて、Q値(たとえば、Q>100)および結合度κ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。
通信装置250は、給電先の電動車両100と無線通信を行なうための通信インターフェースである。ECU260は、電動車両100の受電電力が目標値となるように高周波電力ドライバ220を制御する。具体的には、ECU260は、電動車両100の受電電力およびその目標値を通信装置250によって電動車両100から取得し、電動車両100の受電電力が目標値に一致するように高周波電力ドライバ220の出力を制御する。また、ECU260は、給電装置200のインピーダンス値を電動車両100へ送信することができる。
図2は、共鳴法による送電の原理を説明するための図である。図2を参照して、この共鳴法では、2つの音叉が共鳴するのと同様に、同じ固有振動数を有する2つのLC共振コイルが電磁場(近接場)において共鳴することによって、一方のコイルから他方のコイルへ電磁場を介して電力が伝送される。
具体的には、高周波電源310に一次コイル320を接続し、電磁誘導により一次コイル320と磁気的に結合される一次自己共振コイル330へ1M〜10数MHzの高周波電力を給電する。一次自己共振コイル330は、コイル自身のインダクタンスと浮遊容量とによるLC共振器であり、一次自己共振コイル330と同じ共振周波数を有する二次自己共振コイル340と電磁場(近接場)を介して共鳴する。そうすると、一次自己共振コイル330から二次自己共振コイル340へ電磁場を介してエネルギー(電力)が移動する。二次自己共振コイル340へ移動したエネルギー(電力)は、電磁誘導により二次自己共振コイル340と磁気的に結合される二次コイル350によって取出され、負荷360へ供給される。なお、共鳴法による送電は、一次自己共振コイル330と二次自己共振コイル340との共鳴強度を示すQ値がたとえば100よりも大きいときに実現される。
なお、図1との対応関係について説明すると、図1の交流電源210および高周波電力ドライバ220は、図2の高周波電源310に相当する。また、図1の一次コイル230および一次自己共振コイル240は、それぞれ図2の一次コイル320および一次自己共振コイル330に相当し、図1の二次自己共振コイル110および二次コイル120は、それぞれ図2の二次自己共振コイル340および二次コイル350に相当する。そして、図1の整流器130以降が負荷360として総括的に示されている。
図3は、電流源(磁流源)からの距離と電磁界の強度との関係を示した図である。図3を参照して、電磁界は3つの成分から成る。曲線k1は、波源からの距離に反比例した成分であり、「輻射電界」と称される。曲線k2は、波源からの距離の2乗に反比例した成分であり、「誘導電界」と称される。また、曲線k3は、波源からの距離の3乗に反比例した成分であり、「静電界」と称される。
「静電界」は、波源からの距離とともに急激に電磁波の強度が減少する領域であり、共鳴法では、この「静電界」が支配的な近接場(エバネッセント場)を利用してエネルギー(電力)の伝送が行なわれる。すなわち、「静電界」が支配的な近接場において、同じ固有振動数を有する一対の共鳴器(たとえば一対のLC共振コイル)を共鳴させることにより、一方の共鳴器(一次自己共振コイル)から他方の共鳴器(二次自己共振コイル)へエネルギー(電力)を伝送する。この「静電界」は遠方にエネルギーを伝播しないので、遠方までエネルギーを伝播する「輻射電界」によりエネルギー(電力)を伝送する電磁波に比べて、共鳴法は、より少ないエネルギー損失で送電することができる。
図4は、図1に示した電動車両100のパワートレーン構成を示すブロック図である。図4を参照して、電動車両100は、蓄電装置150と、システムメインリレーSMR1と、昇圧コンバータ162と、インバータ164,166と、モータジェネレータ172,174と、エンジン176と、動力分割装置177と、駆動輪178とを含む。また、電動車両100は、二次自己共振コイル110と、二次コイル120と、整流器130と、DC/DCコンバータ140と、システムメインリレーSMR2と、車両ECU180と、通信装置190と、電圧センサ192と、電流センサ194とをさらに含む。
この電動車両100は、エンジン176およびモータジェネレータ174を動力源として搭載する。エンジン176およびモータジェネレータ172,174は、動力分割装置177に連結される。そして、電動車両100は、エンジン176およびモータジェネレータ174の少なくとも一方が発生する駆動力によって走行する。エンジン176が発生する動力は、動力分割装置177によって2経路に分割される。すなわち、一方は駆動輪178へ伝達される経路であり、もう一方はモータジェネレータ172へ伝達される経路である。
モータジェネレータ172は、交流回転電機であり、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ172は、動力分割装置177によって分割されたエンジン176の運動エネルギーを用いて発電する。たとえば、蓄電装置150のSOCが予め定められた値よりも低くなると、エンジン176が始動してモータジェネレータ172により発電が行なわれ、蓄電装置150が充電される。
モータジェネレータ174も、交流回転電機であり、モータジェネレータ172と同様に、たとえばロータに永久磁石が埋設された三相交流同期電動機から成る。モータジェネレータ174は、蓄電装置150に蓄えられた電力およびモータジェネレータ172により発電された電力の少なくとも一方を用いて駆動力を発生する。そして、モータジェネレータ174の駆動力は、駆動輪178に伝達される。
また、車両の制動時や下り斜面での加速度低減時には、運動エネルギーや位置エネルギーとして車両に蓄えられた力学的エネルギーが駆動輪178を介してモータジェネレータ174の回転駆動に用いられ、モータジェネレータ174が発電機として作動する。これにより、モータジェネレータ174は、走行エネルギーを電力に変換して制動力を発生する回生ブレーキとして作動する。そして、モータジェネレータ174により発電された電力は、蓄電装置150に蓄えられる。なお、モータジェネレータ174は、図1におけるモータ170に相当する。
動力分割装置177は、サンギヤと、ピニオンギヤと、キャリアと、リングギヤとを含む遊星歯車から成る。ピニオンギヤは、サンギヤおよびリングギヤと係合する。キャリアは、ピニオンギヤを自転可能に支持するとともに、エンジン176のクランクシャフトに連結される。サンギヤは、モータジェネレータ172の回転軸に連結される。リングギヤはモータジェネレータ174の回転軸および駆動輪178に連結される。
システムメインリレーSMR1は、蓄電装置150と昇圧コンバータ162との間に配設される。システムメインリレーSMR1は、車両ECU180からの信号SE1が活性化されると、蓄電装置150を昇圧コンバータ162と電気的に接続し、信号SE1が非活性化されると、蓄電装置150と昇圧コンバータ162との間の電路を遮断する。
昇圧コンバータ162は、車両ECU180からの信号PWCに基づいて、蓄電装置150から出力される電圧を昇圧して正極線PL2へ出力する。なお、この昇圧コンバータ162は、たとえば直流チョッパ回路から成る。
インバータ164,166は、それぞれモータジェネレータ172,174に対応して設けられる。インバータ164は、車両ECU180からの信号PWI1に基づいてモータジェネレータ172を駆動し、インバータ166は、車両ECU180からの信号PWI2に基づいてモータジェネレータ174を駆動する。なお、インバータ164,166は、たとえば三相ブリッジ回路から成る。
なお、昇圧コンバータ162およびインバータ164,166は、図1におけるPCU160に相当する。
二次自己共振コイル110、二次コイル120、整流器130およびDC/DCコンバータ140は、図1で説明したとおりである。システムメインリレーSMR2は、DC/DCコンバータ140と蓄電装置150との間に配設される。システムメインリレーSMR2は、車両ECU180からの信号SE2が活性化されると、蓄電装置150をDC/DCコンバータ140と電気的に接続し、信号SE2が非活性化されると、蓄電装置150とDC/DCコンバータ140との間の電路を遮断する。
電圧センサ192は、整流器130とDC/DCコンバータ140との間の電圧VHを検出し、その検出値を車両ECU180へ出力する。電流センサ194は、整流器130から出力される電流I1を検出し、その検出値を車両ECU180へ出力する。
車両ECU180は、アクセル開度や車両速度、その他各センサからの信号に基づいて、昇圧コンバータ162およびモータジェネレータ172,174をそれぞれ駆動するための信号PWC,PWI1,PWI2を生成し、その生成した信号PWC,PWI1,PWI2をそれぞれ昇圧コンバータ162およびインバータ164,166へ出力する。
また、車両ECU180は、車両の走行時、信号SE1を活性化してシステムメインリレーSMR1をオンさせるとともに、信号SE2を非活性化してシステムメインリレーSMR2をオフさせる。なお、車両の走行中に給電装置から受電可能な場合には、車両ECU180は、信号SE1,SE2を活性化してシステムメインリレーSMR1,SMR2をともにオンさせてもよい。
一方、車両外部の給電装置200からの受電時、車両ECU180は、信号SE1を非活性化してシステムメインリレーSMR1をオフさせるとともに、信号SE2を活性化してシステムメインリレーSMR2をオンさせる。
また、車両ECU180は、電圧VHの目標値を示す目標電圧VHrefを上記の(1)式に基づいて算出する。なお、車両ECU180は、給電装置200のインピーダンス値を通信装置190によって給電装置200から取得し、その取得したインピーダンス値を用いて(1)式に基づいて目標電圧VHrefを算出してもよい。そして、車両ECU180は、電圧VHが目標電圧VHrefに一致するようにDC/DCコンバータ140を制御するための信号PWDを生成し、その生成した信号PWDをDC/DCコンバータ140へ出力する。
また、車両ECU180は、電圧センサ192からの電圧VHおよび電流センサ194からの電流I1に基づいて給電装置200からの受電電力を算出し、その算出値を受電電力の目標値とともに通信装置190によって給電装置200へ送信する。
図5は、図4に示したDC/DCコンバータ140の回路図である。図5を参照して、DC/DCコンバータ140は、直交変換部142と、トランス部144と、整流部146とを含む。直交変換部142は、車両ECU180からの信号PWDに基づいてオンオフ駆動されるスイッチング素子を含み、整流器130(図示せず)から供給される直流電力を交流電力に変換してトランス部144へ出力する。
トランス部144は、直交変換部142と整流部146とを絶縁するとともに、コイル巻数比に応じた電圧変換を行なう。整流部146は、トランス部144から出力される交流電力を直流電力に整流して蓄電装置150(図示せず)へ出力する。
このDC/DCコンバータ140においては、車両ECU180からの信号PWDに基づいて直交変換部142の変調率を制御することにより、直交変換部142の入力電圧すなわち電圧VHを制御することができる。
図6は、図4に示した車両ECU180によるDC/DCコンバータ140の制御に関する機能ブロック図である。図6を参照して、車両ECU180は、目標電圧設定部181と、DC/DCコンバータ制御部182とを含む。目標電圧設定部181は、給電装置200(図1)から受電する電力の目標値Pと目標インピーダンスとに基づいて、上記の(1)式に従って目標電圧VHrefを算出する。
DC/DCコンバータ制御部182は、電圧センサ192(図4)によって検出された電圧VHが目標電圧VHrefに一致するようにDC/DCコンバータ140を駆動するためのPWM(Pulse Width Modulation)信号を生成し、その生成したPWM信号を信号PWDとしてDC/DCコンバータ140へ出力する。
再び図1を参照して、この給電システムにおいては、給電装置200の一次自己共振コイル240および電動車両100の二次自己共振コイル110を電磁場(近接場)を介して共鳴させることによって、給電装置200から電動車両100への給電が行なわれる。給電装置200においては、電動車両100から送信される受電電力およびその目標値に基づいて電力制御が行なわれ、電動車両100においては、DC/DCコンバータ140を制御することによって整流器130とDC/DCコンバータ140との間の電圧VHを目標電圧VHrefに制御する電圧制御が行なわれる。目標電圧VHrefは、上記の(1)式に基づいて設定される。(1)式において目標インピーダンスRを給電装置200のインピーダンス値に基づいて設定すれば、送電側の給電装置200と受電側の電動車両100との各々においてインピーダンスマッチングをとることができる。
なお、上記においては、二次自己共振コイル110および一次自己共振コイル240の各々の容量成分は、各共振コイルの浮遊容量としたが、図7に示すように、二次自己共振コイル110および一次自己共振コイル240の各々において、コイル端部間にコンデンサ380を接続して容量成分を構成してもよい。
また、上記においては、二次コイル120を用いて電磁誘導により二次自己共振コイル110から電力を取出し、一次コイル230を用いて電磁誘導により一次自己共振コイル240への給電を行なうものとしたが、図8に示すように、二次コイル120を設けることなく二次自己共振コイル110から整流器130へ電力を直接取出し、高周波電力ドライバ220から一次自己共振コイル240へ直接給電してもよい。
さらに、図9に示すように、図8の構成において、コイルに並列にコンデンサ380を接続して容量成分を設けてもよい。
以上のように、この実施の形態1においては、電動車両100において、整流器130とDC/DCコンバータ140との間の電圧VHを目標電圧VHrefに制御可能であるので、給電装置200からの受電電力に依存することなくインピーダンスを設定可能である。そして、このインピーダンスを給電装置200のインピーダンス値に基づいて設定することにより、送電側の給電装置200と受電側の電動車両100との各々でインピーダンスマッチングをとることができる。したがって、この実施の形態1によれば、共鳴法を用いた高効率な非接触給電を実現することができる。
[変形例]
上記の実施の形態1では、給電装置200において電力制御が行なわれ、電動車両100において電圧VHの電圧制御が行なわれるものとしたが、電動車両100において電力制御を行ない、給電装置200において電圧制御を行なってもよい。
図10は、この変形例における車両ECU180AによるDC/DCコンバータ140の制御に関する機能ブロック図である。図10を参照して、この車両ECU180Aは、目標電圧設定部181と、DC/DCコンバータ制御部182Aと、制御指令生成部183とを含む。
目標電圧設定部181は、上述のように、給電装置200から受電する電力の目標値Pと目標インピーダンスとに基づいて、上記の(1)式によって目標電圧VHrefを算出する。制御指令生成部183は、電圧センサ192(図4)によって検出された電圧VHが目標電圧VHrefに一致するように給電装置200の高周波電力ドライバ220(図1)を駆動するための制御信号CNTLを生成し、その生成した制御信号CNTLを通信装置190(図1)によって給電装置200へ送信する。そして、給電装置200において、制御信号CNTLに基づいて高周波電力ドライバ220が制御され、電圧VHが目標電圧VHrefに制御される。
一方、DC/DCコンバータ制御部182Aは、電圧VHと電流センサ194(図4)によって検出された電流I1とに基づいて受電電力を算出する。そして、DC/DCコンバータ制御部182Aは、その算出された受電電力が目標値Pに一致するようにDC/DCコンバータ140を駆動するための信号PWDを生成し、その生成された信号PWDをDC/DCコンバータ140へ出力する。
このように、この変形例では、電動車両100において、受電電力を目標値に制御するための電力制御が行なわれ、電動車両100における電圧VHを目標電圧VHrefに制御するための電圧制御は、給電装置200の高周波電力ドライバ220を制御することによって行なわれる。
[実施の形態2]
給電装置や共鳴ユニット(一次自己共振コイル240および二次自己共振コイル110)の温度変化等によりシステムのパラメータが変動すると、最適な給電効率を実現する動作点が変化する。
図11は、システムのパラメータ変動に対する効率および反射電力の変化を示した図である。図11を参照して、曲線k11は、電動車両によって受電された電力の電圧を示す電圧VHと効率との関係を示し、曲線k21は、曲線k11と同条件下での電圧VHと反射電力との関係を示す。反射電力が最小のとき効率は最大となり、この条件下では、電圧VHがV1のとき効率が最大となる。
給電装置や共鳴ユニットの温度変化等によりシステムのパラメータが変動すると、電圧VHと効率との関係は曲線k11から曲線k12へ変化し、電圧VHと反射電力との関係は曲線k21からk22へ変化する。そして、効率が最大となる電圧VHはV1からV2となる。
そこで、この実施の形態2では、システムのパラメータ変動に対して電圧VHを変化させ、パラメータ変動に対するインピーダンスマッチングが行なわれる。具体的には、給電装置において反射電力が検知され、反射電力が減少するように電圧VHを変化させる。
実施の形態2による給電システムの全体構成は、図1に示した構成と基本的に同じである。
図12は、実施の形態2における給電装置200Aの機能ブロック図である。図12を参照して、この給電装置200Aは、実施の形態1における給電装置200の構成において、反射電力検知装置270をさらに含み、ECU260に代えてECU260Aを含む。反射電力検知装置270は、高周波電力ドライバ220の出力線に配設され、反射電力PRを検知してECU260Aへ出力する。なお、この反射電力検知装置270には、公知の反射電力検知装置を用いることができる。
そして、ECU260Aは、反射電力検知装置270から反射電力PRの検知値を受け、その受けた検知値を通信装置250によって電動車両へ送信する。なお、ECU260Aのその他の機能は、実施の形態1におけるECU260と同じである。
図13は、実施の形態2における車両ECU180BによるDC/DCコンバータ140の制御に関する機能ブロック図である。図13を参照して、この車両ECU180Bは、減算部184と、比例積分(PI)制御部185と、補正制御部186と、加算部187と、DC/DCコンバータ制御部182とを含む。
減算部184は、通信装置190によって受信された反射電力PRの検知値を予め定められた反射電力の目標値PRrefから減算し、その演算結果をPI制御部185へ出力する。PI制御部185は、反射電力の目標値PRrefと反射電力PRとの差を入力値として比例積分演算を行ない、その演算結果を制御出力αとして補正制御部186へ出力する。
補正制御部186は、後述の方法により、PI制御部185からの制御出力αおよび反射電力PRに基づいて電圧VHの補正値を算出する。加算部187は、補正制御部186からの出力を目標電圧VHrefに加算してDC/DCコンバータ制御部182へ出力する。DC/DCコンバータ制御部182は、加算部187から出力される修正後の目標電圧に電圧VHが一致するように、DC/DCコンバータ140を制御するための信号PWDを生成し、その生成した信号PWDをDC/DCコンバータ140へ出力する。
図14は、図13に示した補正制御部186の処理を説明するためのフローチャートである。なお、なお、このフローチャートの処理は、一定時間毎または所定の条件が成立する毎にメインルーチンから呼び出されて実行される。
図14を参照して、補正制御部186は、反射電力PRが予め定められた規定値よりも大きいか否かを判定する(ステップS10)。なお、この規定値には、たとえば反射電力PRの目標値PRrefが設定される。反射電力PRが規定値以下であると判定されると(ステップS10においてNO)、補正制御部186は、目標電圧VHrefの補正を行なわない(ステップS20)。すなわち、補正制御部186は、加算部187への出力を零とする。
ステップS10において反射電力PRが規定値よりも大きいと判定されると(ステップS10においてYES)、補正制御部186は、PI制御部185からの制御出力αだけ目標電圧VHrefを補正する(ステップS30)。そして、補正制御部186は、ステップS30における目標電圧VHrefの補正によって反射電力PRが減少したか否かを判定する(ステップS40)。
ステップS40において反射電力PRが減少したと判定されると(ステップS40においてYES)、補正制御部186は、PI制御部185からの制御出力αに基づいて目標電圧VHrefを補正する(ステップS50)。一方、ステップS40において反射電力PRが増加したと判定されると(ステップS40においてNO)、補正制御部186は、制御出力αの符号を反転した値(−α)に基づいて目標電圧VHrefを補正する(ステップS60)。
以上のように、この実施の形態2においては、給電装置や共鳴ユニットの温度変化等によるシステムのパラメータ変動に対して、反射電力が減少するように電圧VHが制御される。したがって、この実施の形態2によれば、常に最適な給電効率を達成することができる。
[実施の形態3]
この実施の形態3では、電動車両が給電装置から受電しているときに受電中であることを示す表示手段が設けられる。
図15は、実施の形態3による給電システムの全体構成図である。図15を参照して、実施の形態3による給電システムは、図1に示した実施の形態1による給電システムの構成において、電動車両100に代えて電動車両100Aを備える。電動車両100Aは、図1に示した電動車両100の構成において、表示灯196をさらに含む。
表示灯196は、整流器130とDC/DCコンバータ140との間の電力線に接続され、整流器130から出力される電力を用いて発光する。すなわち、表示灯196は、給電装置200からの受電電力を用いて発光する。したがって、表示灯196は、給電装置200からの受電に応じて自動的に発光し、非受電時は自動的に消灯する。
この実施の形態3によれば、電動車両において給電装置200からの受電中であることを示す表示手段を簡易かつ安価に実現することができる。また、給電装置200からの受電に応じて自動的に点灯/非点灯となるので、点灯/非点灯を制御するための手段を別途備える必要がなく、この受電表示システムはシステムフェールに強い。
[変形例]
図16は、実施の形態3の変形例による給電システムの全体構成図である。図16を参照して、この変形例における電動車両100Bも、表示灯196を含む。表示灯196は、二次コイル120と整流器130との間の電力線に接続され、二次コイル120から出力される電力を用いて発光する。すなわち、この変形例においても、表示灯196は、給電装置200からの受電電力を用いて発光する。したがって、表示灯196は、給電装置200からの受電に応じて自動的に発光し、非受電時は自動的に消灯する。
この変形例によっても、上記の実施の形態3と同様の効果が得られる。
なお、上記の各実施の形態においては、一対の自己共振コイルを共鳴させて送電するものとしたが、共鳴体として自己共振コイルに代えて高誘電体ディスクを用いてもよい。
図17は、共鳴体として高誘電体ディスクを用いた給電システムの全体ブロック図である。図17を参照して、給電装置200Bは、図1に示した給電装置200の構成において、一次自己共振コイル240および一次コイル230に代えて一次高誘電体ディスク410を含み、電動車両100Cは、図1に示した電動車両100の構成において、二次自己共振コイル110および二次コイル120に代えて二次高誘電体ディスク420を含む。一次高誘電体ディスク410および二次高誘電体ディスク420の各々は、高誘電率材から成り、たとえばTiO2やBaTi49、LiTaO3等から成る。そして、一次高誘電体ディスク410および二次高誘電体ディスク420を電場(近接場)を介して共鳴させることにより給電装置200Bから電動車両100Cへ送電することができる。
なお、上記の各実施の形態においては、電動車両として、動力分割装置177によりエンジン176の動力を分割して駆動輪178とモータジェネレータ172とに伝達可能なシリーズ/パラレル型のハイブリッド車について説明したが、この発明は、その他の形式のハイブリッド車にも適用可能である。すなわち、たとえば、モータジェネレータ172を駆動するためにのみエンジン176を用い、モータジェネレータ174でのみ車両の駆動力を発生する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド車や、エンジン176が生成した運動エネルギーのうち回生エネルギーのみが電気エネルギーとして回収されるハイブリッド車、エンジンを主動力として必要に応じてモータがアシストするモータアシスト型のハイブリッド車などにもこの発明は適用可能である。
また、この発明は、エンジン176を備えずに電力のみで走行する電気自動車や、直流電源として蓄電装置150に加えて燃料電池をさらに備える燃料電池車にも適用可能である。また、この発明は、昇圧コンバータ162を備えない電動車両にも適用可能である。
なお、上記において、DC/DCコンバータ140は、この発明における「電圧変換器」の一実施例に対応し、車両ECU180,180A,180Bは、この発明における「電圧制御装置」の一実施例に対応する。また、反射電力検知装置270は、この発明における「検知装置」の一実施例を形成し、PCU160およびモータ170(昇圧コンバータ162、インバータ164,166およびモータジェネレータ174)は、この発明における「電気駆動装置」の一実施例を形成する。
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請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味およ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。

Claims (23)

  1. 電源から電力を受けて電磁場を発生する送電用共鳴器から前記電磁場を介して共鳴することにより電力を受電する受電用共鳴器と
    前記受電用共鳴器によって受電された電力を整流する整流器と
    前記整流器によって整流された電力を電圧変換して負荷へ供給する電圧変換器と
    前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を所定の目標電圧に制御するための電圧制御装置とを備え
    前記電圧制御装置は、受電電力の大きさに基づいて前記目標電圧を設定する、給電システム。
  2. 前記電圧制御装置は、受電電力の目標値に目標インピーダンスを乗算した値の平方根から成る値に前記目標電圧を設定する、請求項1に記載の給電システム。
  3. 前記目標インピーダンスは、前記電源のインピーダンスに設定される、請求項2に記載の給電システム。
  4. 電源から電力を受けて電磁場を発生する送電用共鳴器から前記電磁場を介して共鳴することにより電力を受電する受電用共鳴器と、
    前記受電用共鳴器によって受電された電力を整流する整流器と、
    前記整流器によって整流された電力を電圧変換して負荷へ供給する電圧変換器と、
    前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を所定の目標電圧に制御するための電圧制御装置と、
    前記電源から前記送電用共鳴器へ供給される電力の反射電力を検知する検知装置とを備え、
    前記電圧制御装置は、前記反射電力が減少するように前記目標電圧を変更する、給電システム。
  5. 前記電圧制御装置は、前記反射電力が規定値以上のとき、前記規定値以下の反射電力目標値と前記検知装置によって検知された反射電力との差に基づいて前記目標電圧の変更量を算出する、請求項4に記載の給電システム。
  6. 前記検知装置は、前記電源から前記送電用共鳴器へ供給される電力の電圧、電流、および前記電圧と前記電流との位相差に基づいて前記反射電力を算出する、請求項4に記載の給電システム。
  7. 前記電圧変換器は、その入力電圧を調整可能に構成され、
    前記電圧制御装置は、前記電圧変換器を制御することによって、前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を前記目標電圧に制御する、請求項1に記載の給電システム。
  8. 前記電圧変換器は、その入力電力を調整可能に構成され、
    前記電圧制御装置は、前記電源を制御することによって、前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を前記目標電圧に制御する、請求項1に記載の給電システム。
  9. 前記送電用共鳴器は、
    前記電源から電力を受ける一次コイルと
    前記一次コイルから電磁誘導により給電され、前記電磁場を発生する一次自己共振コイルとを含み、
    前記受電用共鳴器は、
    前記電磁場を介して前記一次自己共振コイルと共鳴することにより前記一次自己共振コイルから受電する二次自己共振コイルと
    前記二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出し、前記整流器へ出力する二次コイルとを含む、請求項1に記載の給電システム。
  10. 前記送電用共鳴器および前記受電用共鳴器の各々は、高誘電体ディスクを含む、請求項1に記載の給電システム。
  11. 前記負荷は、再充電可能な蓄電装置を含む、請求項1に記載の給電システム。
  12. 前記負荷は、車両に搭載されて車両駆動力を発生する電気駆動装置を含み、
    前記電気駆動装置は、前記電圧変換器から出力される電力を受けて前記車両駆動力を発生する、請求項1に記載の給電システム。
  13. 車両外部に設けられる給電装置に含まれる送電用共鳴器と電磁場を介して共鳴することにより前記送電用共鳴器から受電する受電用共鳴器と
    前記受電用共鳴器によって受電された電力を整流する整流器と
    前記整流器によって整流された電力を電圧変換する電圧変換器と
    前記電圧変換器から出力される電力を用いて車両駆動力を発生する電気駆動装置と
    前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を所定の目標電圧に制御する電圧制御装置とを備え
    前記電圧制御装置は、受電電力の大きさに基づいて前記目標電圧を設定する、電動車両。
  14. 前記電圧制御装置は、受電電力の目標値に目標インピーダンスを乗算した値の平方根から成る値に前記目標電圧を設定する、請求項13に記載の電動車両。
  15. 前記目標インピーダンスは、前記給電装置のインピーダンスに設定される、請求項14に記載の電動車両。
  16. 車両外部に設けられる給電装置に含まれる送電用共鳴器と電磁場を介して共鳴することにより前記送電用共鳴器から受電する受電用共鳴器と、
    前記受電用共鳴器によって受電された電力を整流する整流器と、
    前記整流器によって整流された電力を電圧変換する電圧変換器と、
    前記電圧変換器から出力される電力を用いて車両駆動力を発生する電気駆動装置と、
    前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を所定の目標電圧に制御する電圧制御装置と、
    前記給電装置と通信するための通信装置とを備え、
    前記給電装置において電源から前記送電用共鳴器へ供給される電力の反射電力が検知され、
    前記電圧制御装置は、前記給電装置において検知された前記反射電力を前記通信装置によって受信し、前記反射電力が減少するように前記目標電圧を変更する、電動車両。
  17. 前記電圧制御装置は、前記反射電力が規定値以上のとき、前記規定値以下の反射電力目標値と前記通信装置によって受信された前記反射電力との差に基づいて前記目標電圧の変更量を算出する、請求項16に記載の電動車両。
  18. 前記反射電力は、前記電源から前記送電用共鳴器へ供給される電力の電圧、電流、および前記電圧と前記電流との位相差に基づいて算出される、請求項16に記載の電動車両。
  19. 前記電圧変換器は、その入力電圧を調整可能に構成され、
    前記電圧制御装置は、前記電圧変換器を制御することによって、前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を前記目標電圧に制御する、請求項13に記載の電動車両。
  20. 前記給電装置と通信するための通信装置をさらに備え、
    前記電圧変換器は、その入力電力を調整可能に構成され、
    前記電圧制御装置は、前記通信装置を介して電源を制御することによって、前記整流器と前記電圧変換器との間の電圧を前記目標電圧に制御する、請求項13に記載の電動車両。
  21. 前記送電用共鳴器は、
    電源から電力を受ける一次コイルと
    前記一次コイルから電磁誘導により給電され、前記電磁場を発生する一次自己共振コイルとを含み、
    前記受電用共鳴器は、
    前記電磁場を介して前記一次自己共振コイルと共鳴することにより前記一次自己共振コイルから受電する二次自己共振コイルと
    前記二次自己共振コイルによって受電された電力を電磁誘導により取出し、前記整流器へ出力する二次コイルとを含む、請求項13に記載の電動車両。
  22. 前記送電用共鳴器および前記受電用共鳴器の各々は、高誘電体ディスクを含む、請求項13に記載の電動車両。
  23. 前記電圧変換器から出力される電力を蓄える蓄電装置をさらに備える、請求項13に記載の電動車両。
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