JP6252433B2 - 非接触送受電システム - Google Patents

Description

本発明は、非接触送受電システムに関し、詳しくは、送電コイルを有する送電装置と 受電コイルを有する受電装置およびバッテリを搭載する車両とを備える非接触送受電システムに関する。

従来、この種の非接触送受電システムとしては、上面プレートに載置された電池内蔵機器の上面プレートにおける載置位置を複数の位置検出コイルを用いて検出する充電台を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この充電台では、電池内蔵機器内の誘導コイルに電力を誘導する電源コイルと、この電源コイルを移動させる移動機構とを備えている。そして、電池内蔵機器が面プレートに載置されると、複数の位置検出コイルによって電池内蔵機器の載置位置を検出し、検出した載置位置に電源コイルを移動させて電池内蔵機器内の電池を充電する。

特開２００９−２４７１９４号公報

しかしながら、上述の非接触送受電システムでは、電池内蔵機器の載置位置を正確に検出するためには充電台に複数の位置検出コイルを組み込む必要がある。このため、充電台を構成する部品点数が多くなり、装置が複雑なものになってしまう。また、電源コイルを移動させる移動機構も必要となり、更に装置が複雑になると共に大型化してしまう。

本発明の非接触送受電システムは、部品点数の増加を抑制しつつ送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとのコイル間距離をより適正に求めることを主目的とする。

本発明の非接触送受電システムは、上述の主目的を達成するために以下の手段を採った。

本発明の非接触送受電システムは、
送電コイルを有する送電装置と、
バッテリと、受電コイルを用いて前記送電装置から非接触で受電して前記バッテリを充電可能な受電装置と、を有する車両と、
を備える非接触送受電システムであって、
車高を検出する車高センサと、
前記送電装置から前記受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に、前記出力インピーダンスと前記車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、該コイル間距離を送電の制御に用いる制御手段と、
を備えることを特徴とする。

本発明の非接触送受電システムでは、送電装置から受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に、出力インピーダンスと車高とに基づいて送電コイルと受電コイルのコイル間距離を算出する。出力インピーダンスは近似的に結合係数の関数として表わすことができるから、出力インピーダンスから結合係数を求め、結合係数から送電コイルと受電コイルの水平方向の距離を求めることができる。したがって、車高により推定される送電コイルと受電コイルの垂直方向の距離と出力インピーダンスから推定される送電コイルと受電コイルの水平方向の距離とによりコイル間距離を求めることができる。車高を検出する車高センサを有するようにするだけで、送電装置における部品点数の増加なしに送電コイルと受電コイルのコイル間距離をより適正に求めることができる。ここで、制御手段は、送電装置が備えるものとしてもよいし、受電装置が備えるものとしてもよい。制御手段を受電装置が備える場合、コイル間距離やコイル間距離に基づく制御信号を送電装置に送信することにより、コイル間距離を用いて送電を制御することができる。そして、こうして求めたコイル間距離は送電の制御に用いられる。この場合、コイル間距離が小さいほど送電可能電力が大きくなる傾向に受電装置への送電を制御するものとすることもできる。これにより、効率よく送受電することができる。

本発明は、送電コイルを有し、車両に搭載された受電装置が有する受電コイルを介して非接触で前記受電装置に送電する送電装置であって、前記送電装置から前記受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に、前記出力インピーダンスと車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、該コイル間距離を用いて送電を制御する、ことを特徴とする送電装置の態様とすることもできる。

また、本発明は、送電装置から送電コイルを介して送電された電力を非接触で受電コイルを介して受電する車載用の受電装置であって、前記送電装置からの電力を受電する際、前記送電装置の出力インピーダンスを計算すると共に、前記出力インピーダンスと車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、該コイル間距離を用いて前記送電装置からの送電を制御する、ことを特徴とする受電装置の態様とすることもできる。

本発明の一実施例としての非接触送受電システム１０の構成の概略を示す構成図である。 本発明の一実施例としての非接触送受電システム１０の構成の概略を示す構成図である。 送電開始時に送電ＥＣＵ１７０により実行される送電開始時処理の一例を示すフローチャートである。 送電用コイル１３４と受電用コイル３４との距離Ｌを求める手法を模式的に示す説明図である。 送電可能電力マップの一例を示す説明図である。

次に、本発明を実施するための形態を実施例を用いて説明する。

図１や図２は、本発明の一実施例としての非接触送受電システム１０の構成の概略を示す構成図である。実施例の非接触送受電システム１０は、図１や図２に示すように、駐車場などに設置された送電装置１３０と、バッテリ２６と送電装置１３０から非接触で受電してバッテリ２６を充電可能な受電装置３０とを搭載する自動車２０と、を備える。

送電装置１３０は、家庭用電源（例えば２００Ｖ，５０Ｈｚなど）などの交流電源１９０に接続される送電ユニット１３１と、送電ユニット１３１を制御する送電用電子制御ユニット（以下、「送電ＥＣＵ」という）１７０と、送電ＥＣＵ１７０と通信すると共に自動車２０の通信ユニット８０（後述）と無線通信を行なう通信ユニット１８０と、を備える。

送電ユニット１３１は、送電用共振回路１３２と、交流電源１９０と送電用共振回路１３２との間に設けられた高周波電源回路１４０と、を備える。ここで、送電用共振回路１３２は、駐車場の床面などに設置された送電用コイル１３４と、送電用コイル１３４に直列に接続されたコンデンサ１３６と、を有する。この送電用共振回路１３２は、共振周波数が所定周波数Ｆｓｅｔ（数十〜数百ｋＨｚ程度）となるように設計されている。高周波電源回路１４０は、交流電源１９０からの電力を所定周波数Ｆｓｅｔの電力に変換して送電用共振回路１３２に出力する回路として構成されており、フィルタや周波数変換回路，漏電ブレーカなどを有する。

送電ＥＣＵ１７０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポート，通信ポートを備える。送電ＥＣＵ１７０には、送電用共振回路１３２に流れる交流電流を検出する電流センサ１５０からの送電用共振回路１３２の電流Ｉｔｒ，送電用共振回路１３２の端子間の交流電圧を直流電圧に変換して検出する電圧検出ユニット１５２からの送電用共振回路１３２の端子間電圧（送電電圧）Ｖｔｒなどが入力ポートを介して入力されている。なお、電圧検出ユニット１５２は、整流回路と電圧センサとを有する。送電ＥＣＵ１７０からは、高周波電源回路１４０への制御信号などが出力ポートを介して出力されている。

自動車２０は、電気自動車として構成されており、走行用のモータ２２と、モータ２２を駆動するためのインバータ２４と、インバータ２４を介してモータ２２と電力をやりとりするバッテリ２６と、インバータ２４とバッテリ２６との間に設けられたシステムメインリレー２８と、バッテリ２６に接続される受電ユニット３１と、車両全体を制御する車両用電子制御ユニット（以下、「車両ＥＣＵ」という）７０と、車両ＥＣＵ７０と通信すると共に送電装置１３０の通信ユニット１８０と無線通信を行なう通信ユニット８０と、を備える。

受電ユニット３１は、受電用共振回路３２と、受電用共振回路３２とバッテリ２６との間に設けられた充電回路４０と、受電用共振回路３２と充電回路４０との間に設けられた充電用リレー４２と、受電用共振回路３２と充電用リレー４２との間で且つ受電用共振回路と並列で且つ互いに直列に接続されたリレー４４および抵抗４６と、を備える。ここで、受電用共振回路３２は、車体底面（フロアパネル）などに設置された受電用コイル３４と、受電用コイル３４に直列に接続されたコンデンサ３６と、を有する。この受電用共振回路３２は、共振周波数が上述の所定周波数Ｆｓｅｔ（送電用共振回路１３２の共振周波数）付近の周波数（理想的には所定周波数Ｆｓｅｔ）となるように設計されている。充電回路４０は、受電用共振回路３２により受電した交流電力を直流電力に変換してバッテリ２６に供給可能な回路として構成されており、整流回路や平滑回路などを有する。充電用リレー４２は、受電用共振回路３２側と充電回路４２側との接続および接続の解除を行なう。リレー４４は、受電用共振回路３２と充電用リレー４２との間の正極側ラインと、受電用共振回路３２と充電用リレー４２との間の負極側ラインに一方の端子が接続された抵抗の他方の端子と、の接続および接続の解除を行なう。

車両ＥＣＵ７０は、図示しないが、ＣＰＵを中心とするマイクロプロセッサとして構成されており、ＣＰＵの他に、処理プログラムを記憶するＲＯＭやデータを一時的に記憶するＲＡＭ，入出力ポート，通信ポートを備える。車両ＥＣＵ７０には、モータ２２の回転子の回転位置を検出する回転位置検出センサからのモータ２２の回転子の回転位置θｍや、モータ２２の三相コイルの各相に流れる相電流を検出する電流センサからの相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ，バッテリ２６の端子間に設置された電圧センサ２７ａからの電池電圧Ｖｂ，バッテリ２６の正極側端子に取り付けられた電流センサ２７ｂからの電池電流Ｉｂ，バッテリ２６の温度を検出する温度センサからの電池温度Ｔｂが入力ポートを介して入力されている。また、車両ＥＣＵ７０には、イグニッションスイッチ（スタートスイッチ）からのイグニッション信号，シフトレバーの操作位置を検出するシフトポジションセンサからのシフトポジションＳＰ，アクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセルペダルポジションセンサからのアクセル開度Ａｃｃ，ブレーキペダルの踏み込み量を検出するブレーキペダルポジションセンサからのブレーキペダルポジションＢＰ，車速センサからの車速Ｖ，車高センサ７４からの車高Ｈｖが入力ポートを介して入力されている。さらに、車両ＥＣＵ７０には、受電用共振回路３２に流れる交流電流を検出する電流センサ５０からの受電用共振回路３２の電流Ｉｒｅ，電圧検出ユニット５２からの受電用共振回路３２の端子間電圧（受電電圧）Ｖｒｅ１，電圧検出ユニット５４からの充電回路４０の入力側の端子間電圧Ｖｒｅ２，電圧検出ユニット５６からの抵抗４６の端子間電圧Ｖｒｅ３，受電用共振回路３２が取り付けられた基板などに取り付けられた温度センサからの受電用共振回路３２の温度Ｔｒｅが入力ポートを介して入力されている。電圧検出ユニット５２は、受電用共振回路３２の端子間の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、変換後の直流電圧を検出する電圧センサと、を有する。電圧検出ユニット５４は、充電回路４０と充電用リレー４２との間に設けられると共に正極側ライン−負極側ライン間の交流電圧（充電回路４０の入力側の端子間電圧）を直流電圧に変換する整流回路と、変換後の直流電圧を検出する電圧センサと、を有する。電圧検出ユニット５６は、抵抗４６の端子間の交流電圧を直流電圧に変換する整流回路と、変換後の直流電圧を検出する電圧センサと、を有する。車両ＥＣＵ７０からは、インバータ２４の図示しないスイッチング素子へのスイッチング制御信号，システムメインリレー２８へのオンオフ信号，充電用リレー４２へのオンオフ信号，リレー４４へのオンオフ信号，情報を表示出力するディスプレイ７２（例えばナビゲーション装置のディスプレイ）への表示制御信号などが出力ポートを介して出力されている。車両ＥＣＵ７０は、電流センサ２７ｂにより検出されたバッテリ２６の電池電流Ｉｂの積算値に基づいてバッテリ２６の蓄電割合ＳＯＣを演算している。

ここで、実施例では、受電装置３０としては、主として、受電ユニット３１と車両ＥＣＵ７０と通信ユニット８０とが該当する。

こうして構成される実施例の非接触送受電システム１０では、送電用共振回路１３２の送電用コイル１３４と受電用共振回路３２の受電用コイル３４とが接近しており且つ充電用リレー４２またはリレー４４がオンとなっているときに、交流電源１９０から高周波電源回路１４０を介して送電用共振回路１３２に所定周波数Ｆｓｅｔの電力が供給されると、送電用コイル１３４と受電用コイル３４とが電磁場を介して共鳴して、送電用コイル１３４から受電用コイル３４にエネルギ（電力）が伝送される。なお、この共鳴によるエネルギの伝送は、送電用コイル１３４と受電用コイル３４との共鳴強度を示すＱ値が所定値Ｑｒｅｆ（例えば１００など）以上のときに行なわれる。

次に、こうした送電が行なわれる際の動作について説明する。図３は、送電開始時に送電ＥＣＵ１７０により実行される送電開始時処理の一例を示すフローチャートである。送電開始時処理が実行されると、送電ＥＣＵ１７０は、まず、車高Ｈｖを入力し（ステップＳ１００）、入力した車高Ｈｖから送電用コイル１３４と受信用コイル３４との車高方向の距離Ｌｖを推定する（ステップＳ１１０）。ここで、車高Ｈｖは、実施例では、自動車２０に取り付けられた車高センサ７４により検出されて車両ＥＣＵ７０を介して送信されたものを受信することにより入力するものとした。車高方向の距離Ｌｖは、車高Ｈｖをそのまま用いるものとしたり、車高センサ７４の取り付け高さと受電用コイル３４の中心位置の高さの差分を予め所定値として定めておいて、車高Ｈｖから所定値を減じたものを用いるものとしたりすることができる。

続いて、電圧検出ユニット１５２により検出される電圧Ｖｓと電流センサ１５０により検出される電流Ｉｓに基づいて高周波電源回路１４０の出力インピーダンスＺｓを計算する（ステップＳ１２０）。そして、出力インピーダンスＺｓに基づいて結合係数ｋを求める（ステップＳ１３０）。出力インピーダンスＺｓは次式（１）に示すように、結合係数ｋの関数として表わすことができる。式（１）中、「ω」は角周波数、「Ｌ１」は送電用コイル１３４の自己インダクタンス、「Ｌ２」は受電用コイル３４の自己インダクタンス、「ＲＬ」は受電ユニット３１より充電回路４０側の負荷抵抗である。

そして、結合係数ｋに基づいて送電用コイル１３４と受電用コイル３４との巻回平面の平面方向の距離Ｌｈを推定する（ステップＳ１４０）。平面方向の距離Ｌｈは、実施例では、結合係数ｋと送電用コイル１３４と受電用コイル３４との平面方向の距離Ｌｈとの関係を予め実験などにより求めて平面方向距離設定用マップとして定めて記憶しておき、結合係数ｋが与えられるとマップから対応する平面方向の距離Ｌｈを導出することにより推定するものとした。

こうして送電用コイル１３４と受電用コイル３４と車高方向の距離Ｌｖと平面方向の距離Ｌｈとを求めると、これらから送電用コイル１３４と受電用コイル３４との距離（以下、コイル間距離という）Ｌを算出する（ステップＳ１５０）。図４にコイル間距離Ｌを求める際の実施例の手法を模式的に示す。そして、コイル間距離Ｌに基づいて送電可能電力マップを選択し（ステップＳ１６０）、選択したマップと送電用コイル１３４と受電用コイル３４との平面方向の距離Ｌｈから送電可能電力を設定する（ステップＳ１７０）。図５に送電可能電力マップの一例を示す。図５（ａ）はコイル間距離Ｌが比較的小さいときの送電可能電力マップであり、図５（ｂ）はコイル間距離Ｌが比較的大きいときの送電可能電力マップである。図５（ａ）（ｂ）のマップは、図示するように、送電用コイル１３４の中心位置に対する受電用コイル３４の中心位置と送電可能電力との関係として示される。送電可能電力は、コイル間距離Ｌが大きいほど且つ送電用コイル１３４の中心から受電用コイル３４の中心が平面方向に離れるほど小さくなる傾向に設定されている。これは、非接触送受電を効率よく行なうためである。なお、図５中の送電可能電力は例示であり、この数値に限定されるものではない。送電可能電力マップの選択は、実施例では、コイル間距離Ｌを予め定めた所定値Ｌｒｅｆと比較し、コイル間距離Ｌが所定値Ｌ未満のときに図５（ａ）のマップを選択し、コイル間距離Ｌが所定値Ｌｒｅｆ以上のときに図５（ｂ）のマップを選択するものとした。

こうして送電可能電力を設定すると、設定した送電可能電力とバッテリ２６の蓄電割合ＳＯＣとに基づいて充電時間を算出し（ステップＳ１８０）、本ルーチンを終了する。なお、バッテリ２６の蓄電割合ＳＯＣは、電流センサ２７ｂにより検出されるバッテリ２６の充放電電流Ｉｂの積算値に基づいて演算されたものを車両ＥＣＵ７０から受信したものを用いるものとした。なお、送電可能電力は、送電装置１３０の高周波電源回路から送電ユニット１３１を介して受電用コイル３４に送電する際の制御に用いられ、充電時間は、車両ＥＣＵ７０に送信されてディスプレイ７２などに表示出力される。

以上説明した実施例の非接触送受電システム１０によれば、送電用コイル１３４と受電用コイル３４のコイル間距離Ｌを、車高センサ７４からの車高Ｈｖから推定される車高方向の距離Ｌｖと、高周波電源回路１４０の出力インピーダンスＺｓに基づいて得られる結合係数ｋから推定される平面方向の距離Ｌｈと、に基づいて計算することができる。車高センサ７４を取り付けるだけで、その他の部品点数を増やすことなく、送電用コイル１３４と受電用コイル３４のコイル間距離Ｌをより正確に得ることができる。また、コイル間距離Ｌが大きいほど且つ送電用コイル１３４の中心から受電用コイル３４の中心が平面方向に離れるほど小さくなる傾向に送電可能電力を設定し、設定した送電可能電力に基づいて充電時間を算出するから、充電時間をより正確に算出することができる。

実施例の非接触送受電システム１０では、送電装置１３０の送電ＥＣＵ１７０が図３に例示する送電開始処理を実行するものとしたが、受電装置３０の車両ＥＣＵ７０が送電開始処理を実行するものとしてもよい。この場合、電圧検出ユニット１５２により検出される電圧Ｖｓと電流センサ１５０により検出される電流Ｉｓとを送電ＥＣＵ１７０から通信により受信したり、送電ＥＣＵ１７０により演算された出力インピーダンスＺｓを送電ＥＣＵ１７０から通信により受信したり、あるいは、送電ＥＣＵ１７０により求められた結合係数ｋを送電ＥＣＵ１７０から通信により受信したりしてもよい。

実施例の非接触送受電システム１０では、自動車２０が車高センサ７４を備えるものとしたが、送電装置１３０が車高センサ７４を備えるものとしても構わない。

以上、本発明を実施するための形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる形態で実施し得ることは勿論である。

本発明は、自動車の製造産業などに利用可能である。

１０ 非接触送受電システム、２０ 自動車、２２ モータ、２４ インバータ、２６ バッテリ、２７ａ 電圧センサ、２７ｂ 電流センサ、２８ システムメインリレー、３０ 受電装置、３１ 受電ユニット、３２ 受電用共振回路、３４ 受電用コイル、３６ コンデンサ、４０ 充電回路、４２ 充電用リレー、４４ リレー、４６ 抵抗、５０ 電流センサ、５２，５４，５６ 電圧検出ユニット、７０ 車両用電子制御ユニット（車両ＥＣＵ）、７２ ディスプレイ、７４ 車高センサ、８０ 通信ユニット、１３０ 送電装置、１３１ 送電ユニット、１３２ 送電用共振回路、１３４ 送電用コイル、１３６ コンデンサ、１４０ 高周波電源回路、１５０ 電流センサ、１５２ 電圧検出ユニット、１７０ 送電用電子制御ユニット（送電ＥＣＵ）、１８０ 通信ユニット、１９０ 交流電源。

Claims (1)

1. 送電コイルを有する送電装置と、
   バッテリと、受電コイルを用いて前記送電装置から非接触で受電して前記バッテリを充電可能な受電装置と、を有する車両と、
   を備える非接触送受電システムであって、
   車高を検出する車高センサと、
   前記送電装置から前記受電装置への送電の際、出力インピーダンスを計算すると共に前記出力インピーダンスに基づいて結合係数を求め、前記結合係数に基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間の平面距離を推定すると共に前記平面距離と前記車高とに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルのコイル間距離を算出し、前記コイル間距離が大きいほど且つ前記平面距離が大きいほど小さくなる傾向に送電可能電力を設定し、前記送電可能電力を送電の制御に用いる制御手段と、
   を備えることを特徴とする非接触送受電システム。
   

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