JP6355502B2

JP6355502B2 - 受電制御装置

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Publication number: JP6355502B2
Application number: JP2014199620A
Authority: JP
Inventors: 広行鈴木
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2018-07-11
Anticipated expiration: 2034-09-30
Also published as: JP2016073080A

Description

本発明は、電動車両の二次電池を給電装置から充電するために、電動車両に搭載される受電制御装置に関する。

電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッド自動車（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）等の電動車両には、駆動源として電動モータと、電動モータに電力を供給するための二次電池つまりバッテリが搭載されている。二次電池に対して車外から電力を供給するために、充電装置が開発されている。充電装置は、パーキングメータや駐車場等のように、電動車両が停車したり駐車したりする充電場所に設置される給電装置と、車両に搭載される受電装置とを有している。電動車両の二次電池は、一般的に、給電装置の充電用ケーブルを車体の充電口に接続することにより、車外から供給される電力により充電される。

充電用ケーブルを電動車両の充電口に接続することなく、車外から非接触給電により二次電池を充電するようにした充電装置が開発されている。非接触給電方式においては、給電装置には給電コイルを備えた受電部が設けられ、電動車両に搭載された受電部の受電コイルに対して、空間を介して電磁的に通電させて給電コイルから受電コイルに給電電力を伝送する。非接触給電方式は、機械的な接点が不要となるので、給電の安全性と、長寿命でメンテナンスフリーというメリットがある。

このような非接触給電方式としては、特許文献１に記載されるように電磁誘導方式、および特許文献２に記載されるように磁界共鳴方式等がある。

特開２０１１−１２０３８６号公報特開２０１０−２５２４９７号公報

電磁誘導方式においては、充電側の一次コイルに交流電流を流すと、一次コイルの周囲に磁界が発生し、車両側の二次コイルと一次コイルとを共通に鎖交する磁束により二次コイルに誘導起電力を発生させて電力伝送を行う。一方、磁界共鳴方式は、共振状態のコイルを用いて電磁界の結合によって一次コイルから二側コイルに電力伝送を行い、電磁波を放射しない非放射型の電力伝送方式であり、電磁共鳴方式とも言われる。

このような非接触給電方式により二次電池を充電するには、従来の技術では、受電場所に設けられた給電装置と車両側の受電装置とで相互通信し、車両に応じて充電量を調整するようにしている。つまり、給電装置を、充電容量が大きい大型車両の二次電池に対して給電する電力を発生できるようにすると、充電容量の小さい小型車両の二次電池を充電するには、給電電力を下げる必要がある。このため、給電装置は車両からの送信信号に基づいて、車両に応じて充電量を調整しなければならず、給電装置の制御や仕様が複雑になっている。また、受電装置の受電部が給電装置の給電部に対して所定の充電位置からずれると、充電効率が低下して、充電時間が長くなるという問題点がある。

本発明の目的は、車両の二次電池の充電容量に応じて、効率的に二次電池を充電できるようにすることにある。

本発明の受電制御装置は、充電場所に設置された給電部に空間を介して電磁気的に通電され前記給電部から電力が伝送される受電部が電動車両に設けられ、二次電池を充電する受電制御装置であって、前記電動車両に設けられ、前記電動車両に装着されたホルダを水平方向に駆動する水平駆動アクチュエータと、前記ホルダに設けられ、前記受電部を前記給電部に対して上下方向に接近離反移動する受電部上下動アクチュエータと、前記ホルダに設けられ、前記受電部の上側を覆う遮蔽カバーを上下動するカバー上下動アクチュエータと、前記受電部からの電力信号に基づいて、前記給電部から出力される給電電力を検出する給電電力検出手段と、前記水平駆動アクチュエータ、前記受電部上下動アクチュエータ、および前記カバー上下動アクチュエータを、給電電力に基づいて制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記電動車両が前記充電場所に停車されたときに、前記受電部が前記給電部に対して水平方向にずれている場合には、前記水平駆動アクチュエータを駆動して、前記電動車両が停止された状態で前記受電部を前記給電部に対して水平移動させ、前記水平移動させた前記受電部に出力される前記給電電力が前記二次電池の受電容量を超えているときには、前記受電部上下動アクチュエータにより前記受電部を上昇移動させ、前記水平移動させた前記受電部が受電可能範囲内となっていないときには、前記受電部上下動アクチュエータにより前記受電部を下降移動させ、前記受電部が下降限位置となっている状態のもとで、前記下降移動させた前記受電部が前記受電可能範囲内となっていないときに、前記カバー上下動アクチュエータによって前記遮蔽カバーを下降移動させて、前記受電部を前記受電可能範囲に設定する。

給電部から出力される給電電力は受電部に供給される受電電力により検出され、受電電力に応じて、受電部の給電部に対する位置が調整される。給電電力が二次電池の受電容量を超えているときには、受電部は給電部から離れるように駆動されるので、受電部には過度の電力が供給されることなく、効率的に二次電池を充電することができる。このように、給電部の給電電力に応じて、受電部の位置を変化させるようにしたので、給電装置と受電装置との間で相互通信を行うことなく、給電部から常に一定の給電電力を出力させることができ、給電装置の制御を簡単に行うことができる。

受電装置を備えた電動車両の二次電池に給電している状態を示す概略図である。受電部と遮蔽カバーを上下方向および水平方向に駆動するための駆動機構を示す概略図である。受電制御回路を示すブロック図である。（Ａ）は充電容量が小さい車両に対して大電力が供給されている状態を示す概略図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示した車両に適度な給電電力が供給される状態を示す概略図である。（Ａ）は小電力を出力する給電装置により受電装置に電力を供給している状態を示す概略図であり、(Ｂ)は（Ａ）に示した給電装置により急速充電している状態を示す概略図である。受電装置の給電部を給電装置の給電部に対して水平方向にずらした状態を示す概略図である。受電制御装置に対する充電制御のアルゴリズムを示すフローチャートである。図７に示された水平方向位置調整制御のサブルーチンを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。図１は、電動車両１０の一例としてのハイブリッド自動車を示す。この電動車両１０は、駆動源として図示しないエンジンと駆動モータとを有している。ハイブリッド自動車には、バッテリつまり二次電池１１が搭載されており、二次電池１１はインバータを介して駆動モータに電気的に接続されている。インバータおよび駆動モータはそれぞれ図示省略されている。

図１に示すように、駐車場等の充電場所には給電装置２０が設置される。給電装置２０は、電動車両１０が駐停車する給電スペースに配置される給電部２１を有し、給電部２１は一次側コイルつまり給電コイルを有している。充電場所に配置される給電装置本体２２には、給電部２１に対して一定の電力を供給するための電力供給部２３が設けられており、電力供給部２３は給電部２１に電気的に接続されている。電力供給部２３は給電装置本体２２内に設けられた給電制御部２４により、給電部２１に対する給電の開始および停止等が制御される。給電装置本体２２には給電開始の指示等を行うための操作部２５が設けられている。

電動車両１０の床面側には受電装置３０の受電部３１が装着されている。受電部３１は、二次側コイルつまり受電コイルを有しており、受電部３１は給電部２１に対して空間を介して電磁気的に通電されて給電部２１から電力が伝送される。受電部３１は給電部２１から出力される給電電力により二次電池１１を充電する。給電装置２０と受電装置３０とにより充電装置が構成される。給電装置２０の給電部２１は高周波電力を出力し、給電部２１と受電部３１との間のコイル間で電磁誘導により、非接触で受電部３１に電力が伝送される。このように、図１においては、電磁誘導方式の非接触給電方式である充電装置を示す。

受電部３１は電動車両１０に上下方向および水平方向に移動自在に装着されている。図１に示すように、受電部３１の上側には受電部３１の上側を覆う遮蔽カバー３２が配置されており、この遮蔽カバー３２も上下方向および水平方向に移動自在となっている。遮蔽カバー３２は、給電部２１により受電部３１に発生される誘起起電力のうち受電部３１の外部に漏れる量を低減するために設けられている。遮蔽カバー３２を受電部３１に接近させると、受電部３１の外部に洩れる電力量を低減することができる。

図２は、受電部３１と遮蔽カバー３２とを上下方向および水平方向に駆動するための駆動機構を示す概略図である。図２に示されるように、受電部３１は、受電部上下動アクチュエータ３３の上下動ロッド３４に取り付けられ、遮蔽カバー３２は、カバー上下動アクチュエータ３５の上下動ロッド３６に取り付けられている。それぞれのアクチュエータ３３，３５はホルダ３７に取り付けられており、ホルダ３７は水平支持台３８に水平方向に移動自在に装着されている。ホルダ３７は水平支持台３８に対して、電動車両１０の前後方向と左右方向とに移動自在に装着されている。ホルダ３７は水平支持台３８に設けられた前後方向アクチュエータ４１の前後動ロッド４２に取り付けられ、さらにホルダ３７は水平支持台３８に設けられた左右方向アクチュエータ４３の左右動ロッド４４に取り付けられている。このように、ホルダ３７を前後方向および左右方向に駆動すると、受電部３１と遮蔽カバー３２は前後方向および左右方向に駆動される。前後方向アクチュエータ４１と左右方向アクチュエータ４３は、水平駆動アクチュエータを構成している。それぞれのアクチュエータは電動モータにより形成されており、モータシャフトの回転がナット等によりそれぞれのロッドの軸方向運動に変換される。それぞれのアクチュエータは、受電部３１を給電部２１に対して接近離反移動する受電部駆動手段を構成している。

図３は受電部３１を制御するための受電制御回路を示すブロック図である。電動車両１０には二次電池１１に対する充電を指令するための操作パネル５１が設けられており、操作パネル５１に設けられた操作スイッチのオンオフ信号が制御部５０に送られる。制御部５０からは、操作パネル５１に設けられた表示部に、充電状態を示す信号が送られる。さらに、制御部５０から、受電部上下動アクチュエータ３３、カバー上下動アクチュエータ３５，前後方向アクチュエータ４１、および左右方向アクチュエータ４３に駆動信号が送られる。制御部５０には、受電部３１から電力信号が送られるとともに、受電部３１に対して充電開始信号が送られる。制御部５０は、受電部３１からの信号に基づいて、給電部２１から出力される給電電力を検出する給電電力検出手段を構成し、さらに、二次電池１１からの信号に基づいて、充電完了したか否かを判定する。制御部５０は、制御信号等を演算するマイクロプロセッサ、制御プログラム、演算式およびマップデータ等を格納するメモリを有しており、上述したアクチュエータの駆動を制御するための制御手段を構成している。

給電装置２０は、給電部２１に対して常に一定の給電電力を出力する。図１においては、受電部３１が基準位置つまり初期位置となっている状態を示しており、この初期位置のもとでは、例えば、受電部３１の底面が電動車両１０のフロアパネル１３の底面とほぼ同一面となっている。なお、受電部３１の初期位置としては、図１に示される位置に限られることなく、受電部３１の底面がフロアパネル１３の底面から上下方向にずれた位置であっても良い。受電装置３０は給電部２１からの給電電力を検出し、電動車両１０に搭載されている二次電池１１の充電容量と給電電力とを比較する。比較の結果、給電電力が二次電池１１の受電可能範囲つまり受電最適値の範囲であれば、受電部３１を初期位置のままで給電部２１から給電電力を出力し、二次電池１１の充電を行う。

これに対し、図４（Ａ）に示すように、給電電力が二次電池１１の受電容量を超えているとき、つまり給電電力が受電部３１の受電電力の上限値以上となっているときには、給電部２１に電力供給部２３から供給される電力を低減させることなく、受電部３１を上昇させて受電可能範囲つまり受電最適値の範囲に受電部３１を位置決めする。これにより、過度の給電電力が受電部３１に給電されることが防止される。受電部３１の上昇移動は、図２に示した受電部上下動アクチュエータ３３を駆動することにより行われる。

給電電力が受電部３１の受電電力の上限値以上となっているときにおける受電部３１に対する電力調整方式としては、上述のように、受電部３１を上昇移動させる形態と、受電部３１を水平移動させる形態とがある。

図４に示すように、図１に示した電動車両１０よりも小型の電動車両１０においては、受電部３１の受電電力が大型の電動車両１０よりも小さくなっており、受電部３１の受電コイルや受電コイルと二次電池１１とを電気的に接続するための給電ケーブルも大型の電動車両よりも細い給電ケーブルが使用されている。このため、図４（Ａ）に示されるように、受電部３１を初期位置のままとして給電部２１から受電部３１に電力を供給すると、受電部３１の受電コイル等が過加熱されるおそれがあるが、図４（Ｂ）に示すように、受電部３１を給電部２１から離す方向に上昇移動させることにより、受電部３１に対する給電電力を最適な受電可能範囲に位置させて、受電コイル等に過加熱を発生させることなく、効率的に二次電池１１を充電することができる。

充電場所に設置される給電装置２０によっては、給電部２１からの給電電力が相違している場合がある。このため、小型の電動車両であっても、大型の電動車両であっても、受電部３１を初期位置とした状態では、受電部３１が給電部２１に対して受電可能範囲の位置となっていない場合がある。その場合には、図５（Ａ）に示すように、受電部３１を給電部２１に向けて下降移動させる。これにより、給電部２１の給電電力が大電力を出力する場合であっても、これよりも小電力を出力する場合であっても、給電装置２０と電動車両１０との間で通信を行って給電部２１の出力電圧を制御することなく、それぞれの給電部２１に最大の給電電力を出力させて、種々の電動車両の二次電池１１を効率的に充電することができる。したがって、給電装置２０と電動車両１０の受電装置３０との間で相互通信を行う必要がなく、給電装置２０の制御や仕様を簡単な構造として、低コストの給電装置２０とすることができる。受電部３１の下降移動は、受電部上下動アクチュエータ３３により行われる。

受電装置３０は遮蔽カバー３２を備えており、遮蔽カバー３２と受電部３１との距離を調整することによって受電部３１から漏出する給電電力を変化させることができる。これにより、給電部２１から受電部３１に供給される電力を、給電部２１からの出力電力を変化させることなく、遮蔽カバー３２の上下動により変化させることができる。したがって、受電部３１と遮蔽カバー３２とが初期位置の状態のもとでは、給電部２１からの出力電力が受電部３１の受電可能範囲に到達していないときには、遮蔽カバー３２を初期位置よりも受電部３１に接近させるように下降移動する。これにより、受電部３１を受電可能範囲に位置決めさせることができる。

給電部２１から伝送される受電部３１の受電電力が受電可能範囲となっていない場合には、受電部３１の下降移動を優先し、それでも受電可能範囲となっていないときに、遮蔽カバー３２を下降移動させるようにすると、より効率的に二次電池１１に対して充電を行うことができる。

図５（Ｂ）は、受電部３１を最下降位置まで下降移動させるとともに、遮蔽カバー３２を受電部３１に最接近させた状態を示す。このように、受電部３１と遮蔽カバー３２とを下降移動させると、給電装置２０の給電部２１からの給電電力が比較的小さい場合であっても、二次電池１１を充電することができる。さらに、レーシング車両やレース場で急速充電を行う必要がある場合には、受電部３１と遮蔽カバー３２とを最下降限位置まで下降移動させることにより、二次電池１１に対して急速に充電を行うことができる。遮蔽カバー３２の下降移動は、カバー上下動アクチュエータ３５により行われる。このように、給電部２１の給電電力を検出することによって、受電部３１と遮蔽カバー３２の位置を変化させることにより、給電部２１の給電電力を制御することなく、給電部２１から一定の給電電力を出力させることよって、効率的に二次電池１１を充電することができる。

図６は、給電部２１に対して電動車両１０の受電部３１が初期位置よりもずれた状態となって、電動車両１０が充電場所に停車した場合を示す。図６において破線は受電部３１と遮蔽カバー３２の初期位置を示す。このように、受電部３１が給電部２１に対して所定の充電位置から水平方向にずれていると、効率的に二次電池１１を充電することができない。そのときには、図６において矢印で示すように、受電部３１を水平方向に移動して、受電部３１を給電部２１に沿う方向に水平移動する。水平移動の方向は、電動車両１０の前後方向と左右方向の両方向とすることができ、いずれの方向に移動する際にも、受電部３１と遮蔽カバー３２とを移動させることになる。それぞれの前後方向移動は、前後方向アクチュエータ４１により行われ、左右方向移動は、左右方向アクチュエータ４３により行われる。

このように、給電部２１に対して受電部３１を水平方向に移動することにより、受電部３１を給電部２１に対して接近離反移動させることができる。したがって、給電電力が受電部３１の受電電力の上限値以上となっているときには、上述のように、受電部３１を上昇移動させることなく、受電部３１を水平移動させることにより、受電部３１を水平移動させて受電可能範囲つまり受電最適値の範囲に受電部３１を位置決めすることができる。これにより、過度の給電電力が受電部３１に給電されることが防止される。

図７は、受電制御装置に対する充電制御のアルゴリズムを示すフローチャートである。図８は、図７に示された水平方向位置調整制御のサブルーチンを示すフローチャートである。

電動車両１０が充電場所に駐車された状態のもとで、給電装置２０の操作部２５が操作されて受電開始がステップＳ１において判定されると、ステップＳ２の水平方向位置調整ステップが実行される。このステップＳ２において、受電部３１の水平方向位置が調整されると、充電開始が操作パネル５１に設けられた表示部に表示される。給電部２１から給電電力が受電部３１に出力されると、受電部３１に出力された給電電力が二次電池１１の充電容量を超えているか否か、つまり受電部３１の受電電力の上限値以上となっているか否かが、ステップＳ４において判定される。

上限値以上となっていると判定された場合は、図４（Ｂ）に示されるように、受電部３１が上昇移動される。上昇移動ストロークは一定値に設定されており、ステップＳ５において一定値上昇移動させても、受電可能電力範囲となっていないと判断されたときには、再度一定値だけ受電部３１は上昇移動される。ステップＳ６において、受電部３１が受電可能電力範囲つまり受電可能範囲となっていると判定されたときには、給電部２１からの給電電力により二次電池１１は充電され、充電が完了すると、受電部３１は初期位置に戻される（ステップＳ７〜Ｓ９）。

ステップＳ４において、受電部３１の位置が受電電力の上限値以上となっていないと判定されたときには、ステップＳ１０において受電部３１が受電可能範囲となっているか否かが判定される。受電可能範囲となっていると判定されたときには、ステップＳ７が実行されて二次電池１１は充電される。

一方、ステップＳ１０において受電可能範囲となっていないと判定されたときには、受電部３１が最下降限となっているか否か、つまり下限位置となっているか否かがステップＳ１１において判定される。受電部３１が下限位置となっていると判定されたときには、遮蔽カバー３２が下降移動される。下降移動のストロークは一定値に設定されており、ステップＳ１２において一定値下降移動させても、受電可能電力範囲となっていないと判断されたときには、再度一定値だけ受電部３１は下降移動される。ステップＳ１３において、受電部３１が受電可能範囲となっていると判定されたときには、ステップＳ７が実行されて二次電池１１は充電される。

ステップＳ１１において受電部３１が下限位置となっていないと判定されたときには、ステップＳ１４において受電部３１は下降移動される。この下降移動のストロークは一定値に設定されており、ステップＳ１４において一定値下降移動させても、ステップＳ１４において受電可能範囲となっていないと判定されたときには、再度一定値だけ受電部３１は下降移動される。ステップＳ１５において受電部３１が受電可能範囲となっていると判定されたときには、二次電池１１は充電される。

ステップＳ１において受電開始が判定されると、図８に示すように、受電部３１の水平方向位置調整が実行される。ステップＳ２１においては、受電部３１が給電部２１に対して所定の位置となっているか否かが判定される。この判定は、例えば、受電部３１の受電電力が受電可能範囲内となっているか否かによって判定することができる。受電部３１が給電部２１に対して所定の位置となっていないと判定されたときには、ステップＳ２２において受電部３１が左右方向に所定の距離だけ駆動される。ステップＳ２３においてＮＯと判定されたときには、再度所定距離だけ受電部３１は左右方向に駆動される。一定回数の左右方向移動が行われたら、ステップＳ２５が実行されて前後方向に所定の距離だけ受電部３１が駆動され、受電部３１が所定の位置となっているか否かが判定される（ステップＳ２６）。ステップＳ２７によりＹＥＳと判定されたときには、受電部３１を前後左右の水平方向に移動させても、受電部３１が受電可能位置となっていない状態である。この場合には、電動車両１０を停車させた位置が受電位置から大きく離れている場合であり、ステップＳ２８により操作パネル５１に車両を移動するようにメッセージが点灯表示される。操作パネル５１の表示に代えるか、これとともに警報ブザーを作動させるようにしても良い。

本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、図示する電動車両１０は、いずれもハイブリッド車両であるが、駆動源として駆動モータを備えた車両であれば、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車等にも本発明を適用することができる。

１０電動車両
１１二次電池
２０給電装置
２１給電部
２２給電装置本体
２３電力供給部
２４給電制御部
２５操作部
３０受電装置
３１受電部
３２遮蔽カバー
３３受電部上下動アクチュエータ
３５カバー上下動アクチュエータ
３７ホルダ
３８水平支持台
４１前後方向アクチュエータ
４３左右方向アクチュエータ
５０制御部
５１操作パネル

Claims

充電場所に設置された給電部に空間を介して電磁気的に通電され前記給電部から電力が伝送される受電部が電動車両に設けられ、二次電池を充電する受電制御装置であって、
前記電動車両に設けられ、前記電動車両に装着されたホルダを水平方向に駆動する水平駆動アクチュエータと、
前記ホルダに設けられ、前記受電部を前記給電部に対して上下方向に接近離反移動する受電部上下動アクチュエータと、
前記ホルダに設けられ、前記受電部の上側を覆う遮蔽カバーを上下動するカバー上下動アクチュエータと、
前記受電部からの電力信号に基づいて、前記給電部から出力される給電電力を検出する給電電力検出手段と、
前記水平駆動アクチュエータ、前記受電部上下動アクチュエータ、および前記カバー上下動アクチュエータを、給電電力に基づいて制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、
前記電動車両が前記充電場所に停車されたときに、前記受電部が前記給電部に対して水平方向にずれている場合には、前記水平駆動アクチュエータを駆動して、前記電動車両が停止された状態で前記受電部を前記給電部に対して水平移動させ、
前記水平移動させた前記受電部に出力される前記給電電力が前記二次電池の受電容量を超えているときには、前記受電部上下動アクチュエータにより前記受電部を上昇移動させ、前記水平移動させた前記受電部が受電可能範囲内となっていないときには、前記受電部上下動アクチュエータにより前記受電部を下降移動させ、
前記受電部が下降限位置となっている状態のもとで、前記下降移動させた前記受電部が前記受電可能範囲内となっていないときに、前記カバー上下動アクチュエータによって前記遮蔽カバーを下降移動させて、前記受電部を前記受電可能範囲に設定する、受電制御装置。
請求項１記載の受電制御装置において、前記制御手段は、前記給電電力が前記二次電池の受電容量を超えているときに、前記水平駆動アクチュエータを初期位置から水平移動させて、前記受電部を前記受電可能範囲に移動させる、受電制御装置。
請求項１または２記載の受電制御装置において、前記給電部から前記受電部に電磁誘導により電力を伝送する非接触給電方式である、受電制御装置。