JP5696674B2 - 電動車両 - Google Patents

Description

この発明は、電動車両に関し、特に、車両外部の電源から非接触で電力を受ける電動車両に関する。

国際公開第２０１０／０３５３２１号パンフレット（特許文献１）は、車両外部の電源（以下「外部電源」とも称する。）から非接触で電力を受け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開示する。この電動車両は、外部電源から非接触で受電するためのコイルを含む受電部と蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータを備える。そして、外部電源からの受電時に、ＤＣ／ＤＣコンバータを制御して受電部とＤＣ／ＤＣコンバータとの間の電圧を所定の目標電圧に調整することにより、給電側と受電側（電動車両）とでインピーダンスマッチングがとられる。したがって、この電動車両によれば、外部電源から高効率に受電することができる（特許文献１参照）。

国際公開第２０１０／０３５３２１号パンフレット 国際公開第２０１０／１３１３４８号パンフレット 国際公開第２０１０／１３１３４９号パンフレット

上記特許文献１に開示される電動車両は、給電側と受電側（電動車両）とでインピーダンスマッチングをとることによって高効率な受電を実現できる点で有用であるが、インピーダンスマッチングをとるために受電部と蓄電装置との間にＤＣ／ＤＣコンバータを設ける必要があるので、その分コストが増加する。

それゆえに、この発明の目的は、外部電源から非接触で電力を受ける電動車両において、効率のよい受電を低コストで実現することである。

この発明によれば、電動車両は、蓄電装置と、駆動装置と、昇圧装置と、受電部とを備える。駆動装置は、蓄電装置から電力を受けて車両駆動力を発生する。昇圧装置は、蓄電装置と駆動装置との間に設けられ、駆動装置の入力電圧を蓄電装置の電圧以上に調整可能である。受電部は、外部電源から非接触で受電する。受電部は、昇圧装置と駆動装置との間に配線される電力線に電気的に接続される。

好ましくは、電動車両は、制御装置をさらに備える。制御装置は、昇圧装置を制御することによって電力線の電圧を所定の目標電圧に調整する。そして、制御装置は、受電部による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、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。

好ましくは、目標インピーダンスは、外部電源のインピーダンスに設定される。
好ましくは、昇圧装置は、リアクトルと、第１および第２のスイッチング素子と、第１および第２のダイオードとを含む。リアクトルは、蓄電装置の正極に一端が接続される。第１のスイッチング素子は、リアクトルの他端と電力線との間に接続される。第２のスイッチング素子は、リアクトルの他端と蓄電装置の負極との間に接続される。第１および第２のダイオードは、第１および第２のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される。そして、外部電源から電動車両へ送電する際のインピーダンス調整機能を外部電源が有する場合、受電部による外部電源からの受電時に第１のスイッチング素子はオン状態となる。

好ましくは、昇圧装置は、リアクトルと、第１および第２のスイッチング素子と、第１および第２のダイオードとを含む。リアクトルは、蓄電装置の正極に一端が接続される。第１のスイッチング素子は、リアクトルの他端と電力線との間に接続される。第２のスイッチング素子は、リアクトルの他端と蓄電装置の負極との間に接続される。第１および第２のダイオードは、第１および第２のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される。そして、受電部による受電電力の電圧と蓄電装置の電圧との差が所定値よりも小さい場合、受電部による外部電源からの受電時に第１のスイッチング素子はオン状態となる。

好ましくは、昇圧装置は、リアクトルと、第１および第２のスイッチング素子と、第１および第２のダイオードとを含む。リアクトルは、蓄電装置の正極に一端が接続される。第１のスイッチング素子は、リアクトルの他端と電力線との間に接続される。第２のスイッチング素子は、リアクトルの他端と蓄電装置の負極との間に接続される。第１および第２のダイオードは、第１および第２のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される。そして、蓄電装置の充電状態が満充電状態に近づいたことを示す所定量に充電状態が達すると蓄電装置の充電電力を低減させる満充電制御の実行時、第１のスイッチング素子はオン状態となる。

好ましくは、電動車両は、電力線に接続される放電抵抗をさらに備える。そして、受電部による受電状況に基づいて外部電源と電動車両との相対位置関係が推定されるとき、昇圧装置は停止する。

好ましくは、電動車両は、電力線に接続される放電抵抗と、第１および第２のリレーとをさらに備える。第１のリレーは、蓄電装置と昇圧装置との間に設けられる。第２のリレーは、電力線と受電部との間に設けられる。そして、受電部による外部電源からの受電が終了すると、第１のリレーが非導通状態となり、その後、第２のリレーが非導通状態となる。

好ましくは、外部電源は、受電部へ非接触で送電する送電部を含む。受電部の固有周波数と送電部の固有周波数との差は、受電部の固有周波数または送電部の固有周波数の±１０％以下である。

好ましくは、外部電源は、受電部へ非接触で送電する送電部を含む。受電部と送電部との結合係数は０．１以下である。

好ましくは、外部電源は、受電部へ非接触で送電する送電部を含む。受電部は、受電部と送電部との間に形成される磁界、および受電部と送電部との間に形成される電界の少なくとも一方を通じて、送電部から受電する。磁界および電界の少なくとも一方は、特定の周波数で振動する。

この発明においては、車両駆動力を発生する駆動装置の入力電圧を蓄電装置の電圧以上に調整可能な昇圧装置が設けられる。そして、外部電源から非接触で受電する受電部は、昇圧装置と駆動装置との間に配線される電力線に電気的に接続される。これにより、外部電源からの受電用に電圧コンバータを別途設けることなく、外部電源からの受電時に、受電部が接続される電力線の電圧を上記昇圧装置を用いて調整することができ、受電電力に応じて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、効率のよい受電を低コストで実現することができる。

この発明による電動車両の全体構成図である。 外部充電時における昇圧コンバータの目標電圧を示した図である。 外部充電時に正極線および負極線間の電圧を昇圧コンバータによって調整したときの効果を説明するための図である。 外部充電時における昇圧コンバータの制御に関するＥＣＵの機能ブロック図である。 電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。 送電部および受電部の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を示す図である。 電流源または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。 実施の形態２における、外部充電時の昇圧コンバータの制御に関するＥＣＵの機能ブロック図である。 外部充電時の蓄電装置の充電電力およびＳＯＣの変化の一例を示した図である。 実施の形態３における、外部充電時の昇圧コンバータの制御に関するＥＣＵの機能ブロック図である。 給電設備の送電部と電動車両の受電部との相対位置関係と、電動車両の受電電圧との関係を示した図である。 実施の形態４における、外部充電時の昇圧コンバータの制御に関するＥＣＵの機能ブロック図である。

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、この発明による電動車両の全体構成図である。図１を参照して、電動車両１００は、蓄電装置１０と、システムメインリレー（以下「ＳＭＲ（System Main Relay）」と称する。）１２と、昇圧コンバータ１４と、インバータ１６と、モータジェネレータ１８と、正極線ＰＬ１，ＰＬ２と、負極線ＮＬと、電圧センサ２０，２２と、放電抵抗２４とを備える。また、電動車両１００は、受電部３０と、受電用リレー４２と、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ（Electronic Control Unit）」と称する。）５０とをさらに備える。

蓄電装置１０は、再充電可能な直流電源であり、たとえば、ニッケル水素やリチウムイオン等の二次電池によって構成される。蓄電装置１０は、車両外部に設けられる給電設備６０から供給される電力を蓄えるほか、車両の制動時等にモータジェネレータ１８によって発電される回生電力も蓄える。なお、蓄電装置１０として、大容量のキャパシタも採用可能である。ＳＭＲ１２は、蓄電装置１０と正極線ＰＬ１，負極線ＮＬとの間に設けられる。ＳＭＲ１２は、ＥＣＵ５０からの信号ＳＥ１に基づいて、蓄電装置１０と正極線ＰＬ１，負極線ＮＬとの電気的な接続／切離を行なう。

昇圧コンバータ１４は、蓄電装置１０とインバータ１６との間に設けられ、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧ＶＨを、正極線ＰＬ１および負極線ＮＬ間の電圧（すなわち蓄電装置１０の電圧ＶＢ）以上に調整可能である。一例として、昇圧コンバータ１４は、電流可逆型の昇圧チョッパ回路によって構成される。具体的には、昇圧コンバータ１４は、リアクトルＬと、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する。）Ｓ１，Ｓ２と、ダイオードＤ１，Ｄ２とを含む。リアクトルＬの一方端は、正極線ＰＬ１に接続され、他方端は、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２との中間点、すなわち、スイッチング素子Ｓ１のエミッタとスイッチング素子Ｓ２のコレクタとの接続点に接続される。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に直列に接続される。そして、スイッチング素子Ｓ１のコレクタは正極線ＰＬ２に接続され、スイッチング素子Ｓ２のエミッタは負極線ＮＬに接続される。また、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のコレクタ−エミッタ間に、エミッタ側からコレクタ側へ電流を流すダイオードＤ１，Ｄ２がそれぞれ接続される。

なお、上記のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２として、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）や電力用ＭＯＳ（Metal Oxide Semiconductor）トランジスタ等を用いることができる。

インバータ１６は、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬに電気的に接続され、昇圧コンバータ１４を介して蓄電装置１０から供給される電力を用いてモータジェネレータ１８を駆動する。インバータ１６は、正極線ＰＬ２から供給される直流電力を交流に変換してモータジェネレータ１８へ出力する。また、インバータ１６は、車両の制動時等にモータジェネレータ１８により発電された交流電力を直流に変換して正極線ＰＬ２へ出力する。インバータ１６は、たとえば、三相ブリッジ回路によって構成される。

モータジェネレータ１８は、車両駆動力を発生する電動発電機であり、たとえば、三相交流同期電動発電機によって構成される。モータジェネレータ１８は、図示されない駆動輪に機械的に連結され、車両を駆動するためのトルクを発生する。なお、電動車両１００がエンジン（図示せず）を搭載したハイブリッド自動車の場合には、モータジェネレータ１８は、エンジンの動力を用いて発電する発電機として動作し、かつ、エンジンの始動を行なう電動機としてハイブリッド自動車に組み込まれるようにしてもよい。

電圧センサ２０は、蓄電装置１０の電圧ＶＢを検出し、その検出値をＥＣＵ５０へ出力する。電圧センサ２２は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間の電圧ＶＨを検出し、その検出値をＥＣＵ５０へ出力する。放電抵抗２４は、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間に接続され、電気システムの停止時等に残留電荷を放電するために設けられる。

受電部３０は、給電設備６０から非接触で電力を受けるための装置である。一例として、受電部３０は、コイル３２と、キャパシタ３４と、整流器３６と、フィルタ３８と、センサユニット４０とを含む。コイル３２は、キャパシタ３４とともに共振回路を形成し、給電設備６０の送電部６４から出力される電力を非接触で受電する。なお、送電部６４から受電部３０への非接触電力伝送については、後ほど詳しく説明する。

整流器３６は、コイル３２によって受電された交流電力を整流してフィルタ３８へ出力する。フィルタ３８は、整流器３６から出力される電力に含まれる高周波ノイズを除去する。センサユニット４０は、フィルタ３８から出力される電圧ＶＣ（受電電圧）および電流ＩＣ（受電電流）を検出してＥＣＵ５０へ出力する。

受電部３０は、受電用リレー４２を介して正極線ＰＬ２および負極線ＮＬに接続される。受電用リレー４２は、センサユニット４０と正極線ＰＬ２，負極線ＮＬとの間に設けられ、受電部３０と正極線ＰＬ２，負極線ＮＬとの電気的な接続／切離を行なう。具体的には、受電用リレー４２は、ＥＣＵ５０からの信号ＳＥ２に基づいて、給電設備６０からの受電時は正極線ＰＬ２および負極線ＮＬに受電部３０を電気的に接続し、給電設備６０からの非受電時は正極線ＰＬ２および負極線ＮＬから受電部３０を電気的に切離す。

なお、給電設備６０は、車両外部に設けられ、電源部６２と、送電部６４と備える。電源部６２は、交流電力を発生する。一例として、電源部６２は、系統電源から電力を受けて高周波の交流電力を発生する。送電部６４は、電動車両１００へ非接触で電力を送出するための装置である。一例として、送電部６４は、コイル６６と、キャパシタ６８とを含む。コイル６６は、キャパシタ６８とともに共振回路を形成し、電動車両１００の受電部３０へ非接触で送電する。

なお、図１に示される受電部３０および送電部６４の構成は一例であって、給電設備６０から電動車両１００への非接触電力伝送を実現するための構成は、このような構成に限定されるものではない。

たとえば、特に図示しないが、受電部３０において、コイル３２およびキャパシタ３４によって閉ループを形成し、コイル３２により受電された交流電力を電磁誘導によりコイル３２から取出して整流器３６へ出力するコイルを別途設けてもよい。同様に、送電部６４において、コイル６６およびキャパシタ６８によって閉ループを形成し、電源部６２から出力される交流電力を電磁誘導によりコイル６６へ供給するコイルを別途設けてもよい。また、受電部３０のキャパシタ３４および送電部６４のキャパシタ６８は、共振回路の固有周波数を調整するために設けられるものであり、コイル３２，６６の浮遊容量を利用して所望の固有周波数が得られる場合には、キャパシタ３４，６８を設けない構成としてもよい。

ＥＣＵ５０は、予め記憶されたプログラムをＣＰＵ（Central Processing Unit）で実行することによるソフトウェア処理および／または専用の電子回路によるハードウェア処理により、車両の走行制御や、蓄電装置１０の充電管理、受電部３０を用いた給電設備６０による蓄電装置１０の充電制御を実行する（以下では、給電設備６０による蓄電装置１０の充電を「外部充電」とも称する。）。

ＥＣＵ５０は、車両の走行時、昇圧コンバータ１４を駆動するための信号ＰＷＣ、およびインバータ１６を駆動するための信号ＰＷＩを生成し、その生成された信号ＰＷＣ，ＰＷＩをそれぞれ昇圧コンバータ１４およびインバータ１６へ出力する。また、ＥＣＵ５０は、蓄電装置１０の電圧ＶＢ、および図示されない電流センサによって検出される蓄電装置１０の入出力電流に基づいて、蓄電装置１０の充電状態（以下「ＳＯＣ（State Of Charge）」と称し、蓄電装置１０の容量に対する百分率（％）で示される。）を算出し、蓄電装置１０の充電量を管理する。なお、ＳＯＣの算出方法については、種々の公知の手法を用いることができる。

ＥＣＵ５０は、さらに、給電設備６０からの受電時、昇圧コンバータ１４を制御することによって、正極線ＰＬ２と負極線ＮＬとの間の電圧ＶＨを蓄電装置１０の電圧ＶＢ以上の所定の目標電圧に調整する。ここで、ＥＣＵ５０は、受電部３０による給電設備６０からの受電電力の大きさに基づいて、目標電圧ＶＨｒｅｆを次式により設定する。

ＶＨｒｅｆ＝√（Ｐ×Ｒ） …（１）
ここで、Ｐは、受電部３０による受電電力の目標値であり、Ｒは、目標インピーダンスである。受電部３０による受電電力が出力される正極線ＰＬ２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を給電設備６０側のインピーダンスに基づいて設定することにより、給電側の給電設備６０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、給電設備６０のインピーダンスの値は、図示されない通信装置によって給電設備６０から取得することができる。また、受電部３０による受電電力は、センサユニット４０により検出される電圧ＶＣ（受電電圧）および電流ＩＣ（受電電流）から算出することができる。

図２は、外部充電時における昇圧コンバータ１４の目標電圧ＶＨｒｅｆを示した図である。図２を参照して、横軸は、受電部３０による受電電力の目標値Ｐを示し、縦軸は、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧ＶＨの目標値である目標電圧ＶＨｒｅｆを示す。上記（１）式に基づいて目標電圧ＶＨｒｅｆを算出し、電圧ＶＨが目標電圧ＶＨｒｅｆに一致するように昇圧コンバータ１４を制御することによって、外部充電時における給電設備６０と電動車両１００とのインピーダンスマッチングをとることができる。

図３は、外部充電時に正極線ＰＬ２および負極線ＮＬ間の電圧ＶＨを昇圧コンバータ１４によって調整したときの効果を説明するための図である。図３を参照して、横軸は、受電部３０による受電電力を示し、縦軸は、受電効率（たとえば、給電設備６０からの送電電力に対する、受電部３０による受電電力または蓄電装置１０の充電電力の比）を示す。

曲線Ｃ１は、外部充電時に、昇圧コンバータ１４によって上記（１）式の目標電圧ＶＨｒｅｆに電圧ＶＨを調整したときの受電効率を示す。なお、比較例として、曲線Ｃ２は、外部充電時に昇圧コンバータ１４の上アームを常時オン状態（スイッチング素子Ｓ１を常時オン）として電圧ＶＨを調整しない場合（すなわち、受電部３０が正極線ＰＬ１および負極線ＮＬに接続される場合に相当する。）の受電効率を示す。

受電効率は、主に、給電設備６０の電源部６２（図１）の効率と、給電設備６０の送電部６４と受電部３０との間の伝送効率とによって決まる。電源部６２の効率は、電源部６２の出力電力が小さいと低下し、出力電力の増大に応じて高くなる。送電部６４と受電部３０との間の伝送効率は、インピーダンスによって変化し、最適設計された目標インピーダンスＲでピークを持つ。

外部充電時に昇圧コンバータ１４の上アームを常時オン状態として電圧ＶＨを調整しない場合、受電部３０の出力電圧（受電部３０による受電電圧）は蓄電装置１０の電圧ＶＢに固定され、受電部３０出側のインピーダンスは受電電力によって変化する（反比例）。したがって、外部充電時に昇圧コンバータ１４の上アームを常時オン状態として電圧ＶＨを調整しない場合、受電電力によってインピーダンスが変化するので、受電効率は、曲線Ｃ２に示されるように目標インピーダンスＲに対応する受電電力でピークを持つ曲線となる。すなわち、受電電力が小さいとき、あるいは逆に増大したとき、受電効率は低下する。なお、上述のように、電力の大きさによって電源部６２の効率も変化するけれども、この場合は、受電電力に応じたインピーダンスの変化による伝送効率の変化が支配的となる。

一方、外部充電時に、昇圧コンバータ１４によって上記（１）式の目標電圧ＶＨｒｅｆに電圧ＶＨを調整する場合は、受電電力に依存することなくインピーダンスを最適な目標インピーダンスＲにすることができる。これにより、送電部６４と受電部３０との間の伝送効率は、受電電力に依存することなく高効率となる。したがって、受電効率の変化は、電源部６２の効率の変化が支配的となり、受電効率は、曲線Ｃ１に示されるように電源部６２の効率変化に依存した曲線となる。このように、外部充電時に昇圧コンバータ１４によって目標電圧ＶＨｒｅｆに電圧ＶＨを調整することによって、受電効率を高めることができる。

図４は、外部充電時における昇圧コンバータ１４の制御に関するＥＣＵ５０の機能ブロック図である。図４を参照して、ＥＣＵ５０は、目標電圧設定部８０と、コンバータ制御部８２とを含む。目標電圧設定部８０は、給電設備６０（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Ｒ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。

コンバータ制御部８２は、電圧センサ２２（図１）によって検出された電圧ＶＨが目標電圧ＶＨｒｅｆに一致するように昇圧コンバータ１４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ＰＷＣとして昇圧コンバータ１４へ出力する。

次に、給電設備６０から電動車両１００への非接触電力伝送を実現する電力伝送システムについて詳細に説明する。再び図１を参照して、この電力伝送システムにおいては、給電設備６０の送電部６４の固有周波数と、電動車両１００の受電部３０の固有周波数との差は、送電部６４の固有周波数または受電部３０の固有周波数の±１０％以下である。このような範囲に送電部６４および受電部３０の固有周波数を設定することで電力伝送効率を高めることができる。一方、上記の固有周波数の差が±１０％よりも大きくなると、電力伝送効率が１０％よりも小さくなり、電力伝送時間が長くなるなどの弊害が生じる。

なお、受電部３０（送電部６４）の固有周波数とは、コイル３２およびキャパシタ３４（コイル６６およびキャパシタ６８）によって構成される電気回路（共振回路）が自由振動する場合の振動周波数を意味する。なお、受電部３０（送電部６４）の共振周波数とは、コイル３２およびキャパシタ３４（コイル６６およびキャパシタ６８）によって構成される電気回路（共振回路）において、制動力または電気抵抗を零としたときの固有周波数を意味する。

図５および図６を用いて、固有周波数の差と電力伝送効率との関係とを解析したシミュレーション結果について説明する。図５は、電力伝送システムのシミュレーションモデルを示す図である。また、図６は、送電部および受電部の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を示す図である。

図５を参照して、電力伝送システム８９は、送電部９０と、受電部９１とを備える。送電部９０は、第１コイル９２と、第２コイル９３とを含む。第２コイル９３は、共振コイル９４と、共振コイル９４に設けられたキャパシタ９５とを含む。受電部９１は、第３コイル９６と、第４コイル９７とを備える。第３コイル９６は、共振コイル９９とこの共振コイル９９に接続されたキャパシタ９８とを含む。

共振コイル９４のインダクタンスをインダクタンスＬｔとし、キャパシタ９５のキャパシタンスをキャパシタンスＣ１とする。また、共振コイル９９のインダクタンスをインダクタンスＬｒとし、キャパシタ９８のキャパシタンスをキャパシタンスＣ２とする。このように各パラメータを設定すると、第２コイル９３の固有周波数ｆ１は、下記の式（２）によって示され、第３コイル９６の固有周波数ｆ２は、下記の式（３）によって示される。

ｆ１＝１／｛２π（Ｌｔ×Ｃ１）^1/2｝・・・（２）
ｆ２＝１／｛２π（Ｌｒ×Ｃ２）^1/2｝・・・（３）
ここで、インダクタンスＬｒおよびキャパシタンスＣ１，Ｃ２を固定して、インダクタンスＬｔのみを変化させた場合において、第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数のズレと電力伝送効率との関係を図６に示す。なお、このシミュレーションにおいては、共振コイル９４および共振コイル９９の相対的な位置関係は固定とし、さらに、第２コイル９３に供給される電流の周波数は一定である。

図６に示すグラフのうち、横軸は固有周波数のズレ（％）を示し、縦軸は一定周波数での電力伝送効率（％）を示す。固有周波数のズレ（％）は、下記の式（４）によって示される。

（固有周波数のズレ）＝｛（ｆ１−ｆ２）／ｆ２｝×１００（％）・・・（４）
図６からも明らかなように、固有周波数のズレ（％）が０％の場合には、電力伝送効率は１００％近くとなる。固有周波数のズレ（％）が±５％の場合には、電力伝送効率は４０％程度となる。固有周波数のズレ（％）が±１０％の場合には、電力伝送効率は１０％程度となる。固有周波数のズレ（％）が±１５％の場合には、電力伝送効率は５％程度となる。すなわち、固有周波数のズレ（％）の絶対値（固有周波数の差）が、第３コイル９６の固有周波数の１０％以下の範囲となるように第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数を設定することで、電力伝送効率を実用的なレベルに高めることができることがわかる。さらに、固有周波数のズレ（％）の絶対値が第３コイル９６の固有周波数の５％以下となるように第２コイル９３および第３コイル９６の固有周波数を設定すると、電力伝送効率をさらに高めることができるのでより好ましい。なお、シミュレーションソフトしては、電磁界解析ソフトウェア（ＪＭＡＧ（登録商標）：株式会社ＪＳＯＬ製）を採用している。

再び図１を参照して、電動車両１００の受電部３０および給電設備６０の送電部６４は、受電部３０と送電部６４との間に形成される磁界および電界の少なくとも一方を通じて、非接触で電力を授受する。受電部３０と送電部６４との間に形成される磁界および／または電界は、特定の周波数で振動する。そして、受電部３０と送電部６４とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部６４から受電部３０へ電力が伝送される。

なお、上記では、受電部３０および送電部６４にコイル（たとえばヘリカルコイル）を採用したが、コイルに代えて、メアンダラインなどのアンテナなどを採用してもよい。メアンダラインなどのアンテナなどを採用した場合には、送電部６４に特定の周波数の電流が流れることで、特定の周波数の電界が送電部６４の周囲に形成される。そして、この電界を通して、送電部６４と受電部３０との間で電力伝送が行われる。

この電力伝送システムにおいては、電磁界の「静電磁界」が支配的な近接場（エバネッセント場）を利用することで、送電および受電効率の向上が図られている。

図７は、電流源または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７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、「輻射電磁界」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、「誘導電磁界」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、「静電磁界」と称される。なお、電磁界の波長を「λ」とすると、「輻射電磁界」と「誘導電磁界」と「静電磁界」との強さが略等しくなる距離は、λ／２πと表わすことができる。

「静電磁界」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、この実施の形態１に係る電力伝送システムでは、この「静電磁界」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、「静電磁界」が支配的な近接場において、近接する固有周波数を有する送電部６４および受電部３０（たとえば一対のコイル）を共鳴させることにより、送電部６４から他方の受電部３０へエネルギー（電力）を伝送する。この「静電磁界」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「輻射電磁界」によってエネルギー（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。

このように、この電力伝送システムにおいては、送電部６４と受電部３０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部６４と受電部３０との間で非接触で電力が伝送される。受電部３０と送電部６４との結合係数κは、たとえば、０．３以下程度であり、好ましくは、０．１以下である。当然のことながら、結合係数κが０．１〜０．３程度の範囲も採用することができる。結合係数κは、このような値に限定されるものでなく、電力伝送が良好となる種々の値をとり得る。

なお、電力伝送における、上記のような送電部６４と受電部３０との結合を、たとえば、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電磁界（電磁場）共振結合」、「電界（電場）共振結合」等という。「電磁界（電磁場）共振結合」は、「磁気共鳴結合」、「磁界（磁場）共鳴結合」、「電界（電場）共振結合」のいずれも含む結合を意味する。

送電部６４と受電部３０とが上記のようにコイルによって形成される場合には、送電部６４と受電部３０とは、主に磁界（磁場）によって結合し、「磁気共鳴結合」または「磁界（磁場）共鳴結合」が形成される。なお、上記のように、送電部６４と受電部３０とにメアンダライン等のアンテナを採用することも可能であり、この場合には、送電部６４と受電部３０とは、主に電界（電場）によって結合し、「電界（電場）共鳴結合」が形成される。

以上のように、この実施の形態１においては、電動車両１００は、インバータ１６の入力電圧を蓄電装置１０の電圧ＶＢ以上に調整可能な昇圧コンバータ１４を搭載する。給電設備６０から非接触で受電する受電部３０は、昇圧コンバータ１４とインバータ１６との間に配線される正極線ＰＬ２および負極線ＮＬに接続される。これにより、外部充電時に、昇圧コンバータ１４を用いて、受電部３０が接続される正極線ＰＬ２の電圧ＶＨを調整可能であるので、給電設備６０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設備６０のインピーダンス値に基づいて設定することにより、送電側の給電設備６０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。したがって、この実施の形態１によれば、効率のよい受電を低コストで実現することができる。

［実施の形態２］
再び図１を参照して、この実施の形態２では、外部充電が実行される場合に、受電部３０による受電電力の電圧と蓄電装置１０の電圧ＶＢとの差が所定値よりも小さいとき、昇圧コンバータ１４の上アーム（スイッチング素子Ｓ１）がオン状態となる。上記所定値は、昇圧コンバータ１４の上アームがオンされることによって受電電圧が蓄電装置１０の電圧ＶＢとなることによる受電効率の変化が大きくならない程度に適宜設定される。

この実施の形態２における電動車両の全体構成は、図１に示した電動車両１００と基本的に同じである。

図８は、実施の形態２における、外部充電時の昇圧コンバータ１４の制御に関するＥＣＵ５０Ａの機能ブロック図である。図８を参照して、ＥＣＵ５０Ａは、目標電圧設定部８０と、コンバータ制御部８２Ａとを含む。目標電圧設定部８０については、図４において説明したので、説明を繰り返さない。

コンバータ制御部８２Ａは、電圧センサ２２（図１）によって検出された電圧ＶＨが目標電圧ＶＨｒｅｆに一致するように昇圧コンバータ１４を駆動するための信号ＰＷＣを生成して昇圧コンバータ１４へ出力する。ここで、コンバータ制御部８２Ａは、受電部３０による受電電力の電圧ＶＣと蓄電装置１０の電圧ＶＢとの差が所定値よりも小さいとき、昇圧コンバータ１４の上アーム（スイッチング素子Ｓ１）をオン状態とするための信号ＰＷＣを生成して昇圧コンバータ１４へ出力する。なお、受電電力の電圧ＶＣは、センサユニット４０（図１）において図示されない電圧センサにより検出される。

なお、上記においては、電圧ＶＣと電圧ＶＢとの差が所定値よりも小さいときに昇圧コンバータ１４の上アームをオン状態とするものとしたが、上記の（１）式を用いて算出される目標電圧ＶＨｒｅｆと蓄電装置１０の電圧ＶＢとの差が所定値よりも小さいときに昇圧コンバータ１４の上アームをオン状態とするようにしてもよい。

以上のように、この実施の形態２によれば、外部充電時に昇圧コンバータ１４が不必要に動作することによる損失を抑制することができる。

［実施の形態３］
受電部３０を用いた外部充電により所定の満充電状態（たとえばＳＯＣ８０％）まで蓄電装置１０が充電される場合、この実施の形態３では、２段階に分けて充電制御が実行される。

図９は、外部充電時の蓄電装置１０の充電電力ＰｃｈｇおよびＳＯＣの変化の一例を示した図である。図９を参照して、受電部３０を用いた外部充電が開始されると、蓄電装置１０は、充電電力Ｐｃｈｇの最大値Ｐ１（たとえば蓄電装置１０の入力許容電力Ｗｉｎ）で充電される。時刻ｔ２において、蓄電装置１０のＳＯＣが満充電状態Ｓｆの直前の所定値Ｓｕに達すると、充電電力ＰｃｈｇがＰ２（＜Ｐ１）に制限される（満充電制御）。そして、時刻ｔ３においてＳＯＣが満充電状態Ｓｆに達すると、充電が終了する。

この実施の形態３では、外部充電時、蓄電装置１０のＳＯＣが所定値Ｓｕに達するまでは、受電電力の目標値を上記最大値Ｐ１として上記（１）式に基づいて目標電圧ＶＨｒｅｆが設定され、電圧ＶＨが目標電圧ＶＨｒｅｆに一致するように昇圧コンバータ１４が制御される。蓄電装置１０のＳＯＣが所定値Ｓｕに達すると、充電電力ＰｃｈｇをＰ２に制限した満充電制御が実行される。そして、満充電制御時は、昇圧コンバータ１４の上アーム（スイッチング素子Ｓ１）がオン状態に制御される。満充電制御時は、充電電力Ｐｃｈｇが小さいことにより目標電圧ＶＨｒｅｆが低くなるので、この実施の形態３では、満充電制御時は昇圧コンバータ１４の上アームをオン状態とすることとしたものである。

この実施の形態３における電動車両の全体構成は、図１に示した電動車両１００と基本的に同じである。

図１０は、実施の形態３における、外部充電時の昇圧コンバータ１４の制御に関するＥＣＵ５０Ｂの機能ブロック図である。図１０を参照して、ＥＣＵ５０Ｂは、目標電圧設定部８０と、コンバータ制御部８２Ｂと、満充電制御部８４とを含む。目標電圧設定部８０については、図４において説明したので、説明を繰り返さない。

満充電制御部８４は、外部充電時、蓄電装置１０のＳＯＣが満充電状態Ｓｆの直前の所定値Ｓｕに達したか否かを判定する。ＳＯＣは、電圧センサ２０（図１）によって検出される蓄電装置１０の電圧ＶＢ、および図示されない電流センサによって検出される蓄電装置１０の入出力電流に基づいて算出される。そして、蓄電装置１０のＳＯＣが所定値Ｓｕに達すると、満充電制御部８４は、その旨をコンバータ制御部８２Ｂへ通知する。

コンバータ制御部８２Ｂは、満充電制御部８４から上記通知を受けるまでは、すなわち、蓄電装置１０のＳＯＣが所定値Ｓｕに達するまでは、上記の（１）式に基づき算出される目標電圧ＶＨｒｅｆに電圧ＶＨが一致するように昇圧コンバータ１４を駆動するための信号ＰＷＣを生成して昇圧コンバータ１４へ出力する。なお、ＳＯＣが所定値Ｓｕに達するまでは、たとえば、定格充電電力（たとえば蓄電装置１０の入力許容電力Ｗｉｎ）で蓄電装置１０が充電され、その定格充電電力を実現する受電電力の目標値に基づいて、上記（１）式を用いて目標電圧ＶＨｒｅｆが算出される。

一方、コンバータ制御部８２Ｂが満充電制御部８４から通知を受けると、すなわち、蓄電装置１０のＳＯＣが所定値Ｓｕに達すると、コンバータ制御部８２Ｂは、昇圧コンバータ１４の上アーム（スイッチング素子Ｓ１）をオン状態とするための信号ＰＷＣを生成して昇圧コンバータ１４へ出力する。

以上のように、この実施の形態３によれば、蓄電装置１０の満充電制御時に昇圧コンバータ１４が不必要に動作することによる損失を抑制することができる。

［実施の形態４］
この実施の形態４では、給電設備６０における送電電圧を一定とし、かつ、電動車両１００のインピーダンスを一定としたときの電動車両１００の受電電圧に基づいて、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係、より詳しくは給電設備６０の送電部６４と電動車両１００の受電部３０との相対位置関係が推定される。

図１１は、給電設備６０の送電部６４と電動車両１００の受電部３０との相対位置関係と、電動車両１００の受電電圧との関係を示した図である。なお、給電設備６０における送電電圧は一定とし、かつ、電動車両１００のインピーダンスも一定であるとする。

図１１を参照して、横軸は、送電部６４と受電部３０との相対位置関係を表す、送電部６４と受電部３０との間の距離Ｌを示す。縦軸は、電動車両１００において受電部３０により受電される電圧を示す。給電設備６０における送電電圧が一定であり、かつ、電動車両１００のインピーダンスが一定のとき、送電部６４と受電部３０との間の距離Ｌに応じて受電部３０の受電電圧が変化する。

そこで、この実施の形態４では、図１１に示される関係を予め測定する等してマップ等を作成しておき、給電設備６０における送電電圧を一定としたときの受電部３０の受電電圧に基づいて、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係が推定される。ここで、電動車両１００のインピーダンスを一定にする必要があるところ、この実施の形態４では、受電部３０が接続される正極線ＰＬ２および負極線ＮＬの間に接続される放電抵抗２４が用いられる。すなわち、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係の推定が行なわれるときは、昇圧コンバータ１４が停止され、正極線ＰＬ２および負極線ＮＬの間に接続される放電抵抗２４によって一定のインピーダンスが実現される。

この実施の形態４における電動車両の全体構成は、図１に示した電動車両１００と基本的に同じである。

図１２は、実施の形態４における、外部充電時の昇圧コンバータ１４の制御に関するＥＣＵ５０Ｃの機能ブロック図である。図１２を参照して、ＥＣＵ５０Ｃは、目標電圧設定部８０と、コンバータ制御部８２Ｃと、相対位置関係推定部８６とを含む。目標電圧設定部８０については、図４において説明したので、説明を繰り返さない。

相対位置関係推定部８６は、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係、詳しくは給電設備６０の送電部６４と電動車両１００の受電部３０との相対位置関係を推定する。具体的には、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係の推定するために給電設備６０における送電電圧が一定のとき、相対位置関係推定部８６は、昇圧コンバータ１４の停止を指示する停止通知をコンバータ制御部８２Ｃへ出力する。

なお、送電部６４と受電部３０との相対位置関係は、送電部６４と受電部３０との位置関係を一次元、二次元または三次元のいずれかで把握できる位置関係を含む。また、相対位置関係推定部８６による送電部６４と受電部３０との相対位置関係の推定は、たとえば、給電設備６０から電動車両１００への給電開始を利用者が指示するための給電開始スイッチがオン操作されたとき等に実施される。

そして、相対位置関係推定部８６は、図１１に示される関係を示すものとして予め作成されたマップ等を用いて、センサユニット４０により受電部３０の受電電圧として検出される電圧ＶＣに基づいて、送電部６４と受電部３０との相対位置関係を推定する。なお、推定された相対位置関係は、たとえば、図示されない表示装置によって利用者に提供される。

コンバータ制御部８２Ｃは、昇圧コンバータ１４の停止通知を相対位置関係推定部８６から受けていないときは、上記（１）式に基づき算出される目標電圧ＶＨｒｅｆに電圧ＶＨが一致するように昇圧コンバータ１４を駆動するための信号ＰＷＣを生成して昇圧コンバータ１４へ出力する。

一方、コンバータ制御部８２Ｂは、昇圧コンバータ１４の停止通知を相対位置関係推定部８６から受けると、昇圧コンバータ１４の停止を指示する指令を昇圧コンバータ１４へ出力する。これにより、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係の推定時に、昇圧コンバータ１４が停止され、受電部３０が接続される正極線ＰＬ２および負極線ＮＬに接続される放電抵抗２４によって電動車両１００のインピーダンスが一定にされる。

以上のように、この実施の形態４においては、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係の推定用に、電動車両１００のインピーダンスを一定にするための抵抗を別途設ける必要がない。したがって、この実施の形態４によれば、給電設備６０と電動車両１００との相対位置関係の推定機能を低コストで実現することができる。

なお、特に図示しないが、インピーダンスを調整するためのインピーダンス整合器が給電設備６０に設けられている場合や、電源部６２がインピーダンス調整機能を有する場合には、外部充電時に昇圧コンバータ１４の上アーム（スイッチング素子Ｓ１）を常時オン状態としてもよい。

すなわち、上記の各実施の形態においては、外部充電時に、上記（１）式に基づいて設定される目標電圧ＶＨｒｅｆに電圧ＶＨが一致するように昇圧コンバータ１４を制御することによってインピーダンスマッチングをとるものとした。しかしながら、インピーダンス調整機能を給電設備６０側が有している場合には、電動車両１００側でインピーダンスを調整しなくてもよい。そこで、インピーダンス調整機能を給電設備６０側が有している場合には、外部充電時に昇圧コンバータ１４が不必要に動作することによる損失を抑制するために、昇圧コンバータ１４の上アームを常時オン状態とするのが好ましい。

また、外部充電が終了し、ＳＭＲ１２および受電用リレー４２を非導通状態とする場合、まず、ＳＭＲ１２を非導通状態とし、その後、受電用リレー４２を非導通状態とするのが好ましい。これにより、受電部３０が接続される正極線ＰＬ２および負極線ＮＬの間に接続される放電抵抗２４を用いて、受電部３０の残留電荷（たとえば、フィルタ３８の残留電荷）を確実に放電させることができる。

すなわち、ＳＭＲ１２が導通状態の間は、受電部３０が接続される正極線ＰＬ２に蓄電装置１０の電圧ＶＢがかかるので、正極線ＰＬ２に接続される放電抵抗２４を用いて受電部３０の残留電荷を十分に放電することができない。そこで、外部充電が終了すると、まず、ＳＭＲ１２を非導通状態にして正極線ＰＬ１から蓄電装置１０を電気的に切離し、受電部３０の残留電荷を放電抵抗２４によって放電させてから受電用リレー４２を非導通状態にするのが好ましい。

なお、上記の各実施の形態は、互いに組合わせることができる。また、上記の各実施の形態に記載の発明については、車両以外の受電設備にも適用可能である。たとえば、情報携帯端末や家電製品等にも適用可能である。

また、上記においては、給電設備６０の送電部６４と電動車両１００の受電部３０とを電磁界によって共振（共鳴）させることで、送電部６４から受電部３０へ非接触で電力が伝送されるものとしたが、電磁誘導により送電部６４から受電部３０へ非接触で電力を伝送してもよい。

なお、上記において、インバータ１６およびモータジェネレータ１８は、この発明における「駆動装置」の一実施例を形成し、昇圧コンバータ１４は、この発明における「昇圧装置」の一実施例に対応する。また、ＥＣＵ５０，５０Ａ〜５０Ｃは、この発明における「制御装置」の一実施例に対応する。さらに、ＳＭＲ１２は、この発明における「第１のリレー」の一実施例に対応し、受電用リレー４２は、この発明における「第２のリレー」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。

１０ 蓄電装置、１２ ＳＭＲ、１４ 昇圧コンバータ、１６ インバータ、１８ モータジェネレータ、２０，２２ 電圧センサ、２４ 放電抵抗、３０ 受電部、３２，６６ コイル、３４，６８ キャパシタ、３６ 整流器、３８ フィルタ、４０ センサユニット、４２ 受電用リレー、５０，５０Ａ〜５０Ｃ ＥＣＵ、６０ 給電設備、６２ 電源部、６４ 送電部、８０ 目標電圧設定部、８２，８２Ａ〜８２Ｃ コンバータ制御部、８４ 満充電制御部、８６ 相対位置関係推定部、１００ 電動車両、ＰＬ１，ＰＬ２ 正極線、ＮＬ 負極線、Ｌ リアクトル、Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２ ダイオード。

Claims (9)

1. 電動車両であって、
   蓄電装置と、
   前記蓄電装置から電力を受けて車両駆動力を発生する駆動装置と、
   前記蓄電装置と前記駆動装置との間に設けられ、前記駆動装置の入力電圧を前記蓄電装置の電圧以上に調整可能な昇圧装置と、
   車両外部の電源から非接触で受電する受電部とを備え、
   前記受電部は、前記昇圧装置と前記駆動装置との間に配線される電力線に電気的に接続され、
   前記昇圧装置は、
   前記蓄電装置の正極に一端が接続されるリアクトルと、
   前記リアクトルの他端と前記電力線との間に接続される第１のスイッチング素子と、
   前記リアクトルの他端と前記蓄電装置の負極との間に接続される第２のスイッチング素子と、
   前記第１および第２のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１および第２のダイオードとを含み、
   前記電源から前記電動車両へ送電する際のインピーダンス調整機能を前記電源が有する場合、前記受電部による前記電源からの受電時に前記第１のスイッチング素子はオン状態となる、電動車両。
2. 蓄電装置と、
   前記蓄電装置から電力を受けて車両駆動力を発生する駆動装置と、
   前記蓄電装置と前記駆動装置との間に設けられ、前記駆動装置の入力電圧を前記蓄電装置の電圧以上に調整可能な昇圧装置と、
   車両外部の電源から非接触で受電する受電部とを備え、
   前記受電部は、前記昇圧装置と前記駆動装置との間に配線される電力線に電気的に接続され、
   前記昇圧装置は、
   前記蓄電装置の正極に一端が接続されるリアクトルと、
   前記リアクトルの他端と前記電力線との間に接続される第１のスイッチング素子と、
   前記リアクトルの他端と前記蓄電装置の負極との間に接続される第２のスイッチング素子と、
   前記第１および第２のスイッチング素子にそれぞれ逆並列に接続される第１および第２のダイオードとを含み、
   前記蓄電装置の充電状態が満充電状態に近づいたことを示す所定量に前記充電状態が達すると前記蓄電装置の充電電力を低減させる満充電制御の実行時、前記第１のスイッチング素子はオン状態となる、電動車両。
3. 蓄電装置と、
   前記蓄電装置から電力を受けて車両駆動力を発生する駆動装置と、
   前記蓄電装置と前記駆動装置との間に設けられ、前記駆動装置の入力電圧を前記蓄電装置の電圧以上に調整可能な昇圧装置と、
   車両外部の電源から非接触で受電する受電部とを備え、
   前記受電部は、前記昇圧装置と前記駆動装置との間に配線される電力線に電気的に接続され、
   前記電力線に接続される放電抵抗と、
   前記蓄電装置と前記昇圧装置との間に設けられる第１のリレーと、
   前記電力線と前記受電部との間に設けられる第２のリレーとをさらに備え、
   前記受電部による前記電源からの受電が終了すると、前記第１のリレーが非導通状態となり、その後、前記第２のリレーが非導通状態となる、電動車両。
4. 前記昇圧装置を制御することによって前記電力線の電圧を所定の目標電圧に調整する制御装置をさらに備え、
   前記制御装置は、前記受電部による受電電力の大きさに基づいて前記目標電圧を設定する、請求項３に記載の電動車両。
5. 前記制御装置は、前記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４に記載の電動車両。
6. 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５に記載の電動車両。
7. 前記電源は、前記受電部へ非接触で送電する送電部を含み、
   前記受電部の固有周波数と前記送電部の固有周波数との差は、前記受電部の固有周波数または前記送電部の固有周波数の±１０％以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動車両。
8. 前記電源は、前記受電部へ非接触で送電する送電部を含み、
   前記受電部と前記送電部との結合係数は０．１以下である、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動車両。
9. 前記電源は、前記受電部へ非接触で送電する送電部を含み、
   前記受電部は、前記受電部と前記送電部との間に形成される磁界、および前記受電部と前記送電部との間に形成される電界の少なくとも一方を通じて、前記送電部から受電し、
   前記磁界および前記電界の前記少なくとも一方は、特定の周波数で振動する、請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電動車両。

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