JP6406225B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、送電コイルと、送電コイルに交流を供給する送電回路と、送電回路を制御する送電側制御回路とを備えた非接触給電装置に関する。
従来、送電コイルと、送電コイルに交流を供給する送電回路と、送電回路を制御する送電側制御回路とを備えた非接触給電装置として、例えば以下に示す特許文献1に開示されている非接触給電設備がある。
この非接触給電設備は、1次導線と、インバータ部と、電圧検出手段と、電流検出手段と、位相ロックループとを備えている。1次導線及びインバータ部が送電コイル及び送電回路に相当する。電圧検出手段、電流検出手段及び位相ロックループが送電側制御回路に相当する。
インバータ部は、1次導線に接続され、1次導線に交流を供給する。電圧検出手段は、インバータ部の出力端に接続され、インバータ部から出力される交流電圧を検出する。電流検出手段は、インバータ部と1次導線を接続する配線に設けられ、インバータ部から出力される交流電流を検出する。位相ロックループは、電圧検出手段と電流検出手段によって検出されたインバータ部から出力される交流電圧と交流電流の位相差がなくなるように、インバータ部から出力される交流の周波数を調整する。これにより、損失を抑えることができる。
特開平10−225129号公報
ところで、前述した非接触給電設備は、インバータ部から出力される交流電圧と交流電流の位相差を調整しようとする場合、まず、インバータ部から出力される交流電圧と交流電流を検出する。そして、検出した交流電圧と交流電流に基づいて交流の周波数を調整し、交流電圧と交流電流の位相差を調整する。つまり、交流の周波数を調整するという工程を介して、交流電圧と交流電流の位相差を調整する。そのため、位相差の調整に遅れが発生してしまう。その結果、1次導線から受電コイルに送電する電力を変えた場合や、1次導線と受電コイルの磁気的な結合状態が変化した場合に、応答が遅れ、過電圧が加わったり、過電流が流れたりする可能性がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、制御に伴う遅れを抑え、応答性を向上させることができる非接触給電装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するためになされた本発明は、交流が供給されることで磁束を発生する送電コイルと、前記送電コイルに接続され、前記送電コイルに交流を供給する送電回路と、前記送電回路に接続され、前記送電回路を制御する送電側制御回路と、前記送電コイルに発生した磁束と鎖交することで交流を発生する受電コイルと、前記受電コイル及び給電対象に接続され、前記受電コイルから供給される交流を直流に変換して前記給電対象に供給する受電回路と、を備えた非接触給電装置において、前記送電側制御回路は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて電圧ベクトル目標値を求め、前記送電回路から出力される交流の電圧ベクトルが前記電圧ベクトル目標値になるように前記送電回路を制御することを特徴とする。
この構成によれば、送電回路から出力される交流電圧と交流電流を直接制御することができる。そのため、制御に伴う遅れを抑え、応答性を向上させることができる。
第1実施形態における非接触給電装置の回路図である。 図1に示す送電側制御回路のブロック図である。 図2に示す位相演算部のブロック図である。 図2に示す結合係数演算部のブロック図である。 第1実施形態における非接触給電装置の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルを説明するためのベクトル図である。 図2に示す出力電圧目標値演算部のブロック図である。 図2に示す出力電流目標値演算部の動作を説明するためのベクトル図である。 図2に示す補正値演算部のブロック図である。 図2に示す駆動信号生成部のブロック図である。 図9に示すマップを説明するための説明図である。 図1に示すインバータ回路の出力電圧が正弦波状波形である場合における出力電圧及び出力電流の波形図である。 図1に示すインバータ回路の出力電圧が180度通電制御による矩形波状波形である場合における出力電圧及び出力電流の波形図である。 図1に示すインバータ回路の出力電圧がPWM制御による矩形波状波形である場合における出力電圧及び出力電流の波形図である。 第2実施形態における送電側制御回路の出力電圧目標値演算部のブロック図である。 第3実施形態における送電側制御回路のブロック図である。 図15に示す補正演算部のブロック図である。 第4実施形態における送電側制御回路のブロック図である。 図17に示す出力電圧目標値演算部のブロック図である。 図17に示す補正値演算部のブロック図である。 第5実施形態における送電側制御回路の出力電圧目標値演算部のブロック図である。 第6実施形態における送電側制御回路のブロック図である。 図21に示す補正演算部のブロック図である。 第7実施形態における送電制御回路の結合係数演算部のブロック図である。 第7実施形態における非接触給電装置の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルを説明するためのベクトル図である。 第8実施形態における送電側制御回路のブロック図である。 第8実施形態における非接触給電装置の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルを説明するためのベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第1のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第2のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第3のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第4のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第5のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第6のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第7のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第8のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための第9のベクトル図である。 図25における目標値演算部の動作を説明するための位相差θcと電流I1の関係を示すグラフである。 第9実施形態における送電側制御回路のブロック図である。 第9実施形態における非接触給電装置の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルを説明するためのベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第1のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第2のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第3のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第4のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第5のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第6のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第7のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための第8のベクトル図である。 図37における目標値演算部の動作を説明するための角周波数ωと電流I1の関係を示すグラフである。 第10実施形態における非接触給電装置の回路図である。 図48におけるイミタンス変換回路の回路図である。 図48におけるイミタンス変換回路周辺の等価回路の回路図である。 図50に示すイミタンス変換回路周辺の等価回路をさらに等価的に変形した回路図である。
次に、実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係る非接触給電装置を、電気自動車やハイブリッド車に搭載された車載バッテリに非接触で送電する非接触給電装置に適用した例を示す。
(第1実施形態)
まず、図1を参照して第1実施形態の非接触給電装置の構成について説明する。
図1に示す非接触給電装置1は、車両外部の商用電源AC1から車両に搭載された車載バッテリB1(給電対象)に非接触で送電し、車載バッテリB1を充電する装置である。非接触給電装置1は、送電回路10と、送電側共振用コンデンサ11と、送電コイル12と、受電コイル13と、受電側共振用コンデンサ14と、受電回路15と、制御回路16とを備えている。
送電回路10は、商用電源AC1から供給される交流を高周波数の交流に変換して送電コイル12に供給する回路である。送電回路10は、送電側整流回路100と、インバータ回路101とを備えている。
送電側整流回路100は、商用電源AC1から供給される交流を整流するとともに昇圧してインバータ回路101に供給する回路である。送電側整流回路100の入力端は商用電源AC1に、出力端はインバータ回路101にそれぞれ接続されている。
インバータ回路101は、制御回路16によって制御され、送電側整流回路100から供給される直流を高周波数の交流に変換して送電コイル12に供給する回路である。具体的には、4つのスイッチング素子によって構成される周知のHブリッジ回路である。インバータ回路101は、4つのスイッチング素子を所定のタイミングでスイッチングさせることで送電側整流回路100から供給される直流を高周波数の交流に変換して送電コイル12に供給する。インバータ回路101の入力端は送電側整流回路100の出力端に、出力端は送電側共振用コンデンサ11及び送電コイル12に、駆動信号入力端は制御回路16にそれぞれ接続されている。
送電側共振用コンデンサ11は、送電コイル12とともに共振回路を構成する素子である。送電側共振用コンデンサ11の一端はインバータ回路101の出力端に、他端は送電コイル12にそれぞれ接続されている。
送電コイル12は、インバータ回路101から交流が供給されることで交番磁束を発生する素子である。送電コイル12は、駐車スペースの地表面の所定位置に設けられている。送電コイル12の一端は送電側共振用コンデンサ11の他端に、他端はインバータ回路101の出力端にそれぞれ接続されている。
受電コイル13は、送電コイル12の発生した交番磁束と鎖交することで電磁誘導によって交流を発生する素子である。受電コイル13は、駐車スペースに車両を駐車したときに、上下方向に間隔をあけて送電コイル12と対向するよう、車両の底部に設けられている。受電コイル13の一端は受電側共振用コンデンサ14に、他端は受電回路15にそれぞれ接続されている。
受電側共振用コンデンサ14は、受電コイル13とともに共振回路を構成する素子である。受電側共振用コンデンサ14の一端は受電コイル13の一端に、他端は受電回路15にそれぞれ接続されている。
受電回路15は、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13から供給される交流を直流に変換して車載バッテリB1に供給する回路である。受電回路15は、受電側整流回路150を備えている。
受電側整流回路150は、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13から供給される交流を整流し、直流に変換して車載バッテリB1に供給する回路である。受電側整流回路150の入力端は受電側共振用コンデンサ14の他端と受電コイル13の他端に、出力端は車載バッテリB1にそれぞれ接続されている。
制御回路16は、車両制御装置CNT1から入力される出力電力目標値Pcom、及び、自ら検出した検出結果に基づいて、インバータ回路101を制御する回路である。ここで、出力電力目標値Pcomは、受電側整流回路150の出力電力の目標値であり、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電力の目標値でもある。制御回路16は、送電側電流センサ160と、送電側制御回路161と、受電側電流センサ162と、受電側制御回路163とを備えている。
送電側電流センサ160は、インバータ回路101の出力電流I1を検出し、検出結果を出力する素子である。送電側電流センサ160は、インバータ回路101と送電側共振用コンデンサ11を接続する配線に、配線をクランプするように設けられている。送電側電流センサ160の出力端は、送電側制御回路161に接続されている。
送電側制御回路161は、無線通信によって受電側制御回路163から受信した受電コイル13及び受電側整流回路150に関連する情報に基づいてインバータ回路101を制御する回路である。具体的には、無線通信によって受電側制御回路163から受信した出力電力目標値Pcom、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電圧V2及び出力電流I2、自ら検出したインバータ回路101の出力電圧V1、送電側電流センサ160の検出したインバータ回路101の出力電流I1に基づいて、インバータ回路101から高周波数の交流が出力されるようにスイッチング素子を制御する回路である。送電側制御回路161は、インバータ回路101から出力される交流の電圧ベクトルと電流ベクトルの位相差が位相差目標値になるような電圧ベクトル目標値を求め、インバータ回路101から出力される交流の電圧ベクトルが電圧ベクトル目標値になるようにインバータ回路101を制御する。送電側制御回路161の電圧検出端はインバータ回路101の出力端に、電流信号入力端は送電側電流センサ160の出力端に、駆動信号出力端はインバータ回路101の駆動信号入力端にそれぞれ接続されている。
受電側電流センサ162は、受電側整流回路150の出力電流に相当する受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電流I2を検出し、検出結果を出力する素子である。受電側電流センサ162は、受電側共振用コンデンサ14と受電側整流回路150を接続する配線に、配線をクランプするように設けられている。受電側電流センサ162の出力端は、受電側制御回路163に接続されている。
受電側制御回路163は、受電コイル13及び受電側整流回路150に関連する情報であって、インバータ回路101の制御に必要な情報を無線通信によって送電側制御回路161に送信する回路である。具体的には、車両制御装置CNT1から入力された出力電力目標値Pcom、自ら検出した受電側整流回路150の出力電圧に相当する受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電圧V2、受電側電流センサ162の検出した受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電流I2を無線通信によって送電側制御回路161に送信する回路である。受電側制御回路163は、送電側制御回路161からの要求に応じて、出力電力目標値Pcom、受電側整流回路150の出力電圧V2及び出力電流I2の情報を無線通信によって送電側制御回路161に送信する。受電側制御回路163の出力電力目標値入力端は車両制御装置CNT1に、電圧検出端は受電側整流回路150の出力端に、電流信号入力端は受電側電流センサ162の出力端にそれぞれ接続されている。
次に、図2を参照して、送電側制御回路の構成についてより詳細に説明する。
図2に示すように、送電側制御回路161は、位相演算部161aと、結合係数演算部161bと、位相差目標値演算部161cと、出力電圧目標値演算部161dと、補正値演算部161eと、補正部161fと、駆動信号生成部161gとを備えている。
位相演算部161aは、出力電流I1に基づいて出力電流I1の位相θIを演算し出力するブロックである。ここで、出力電流I1は、図1に示すインバータ回路101の出力電流であり、送電側電流センサ160によって検出したものである。出力電流の位相θIは、インバータ回路101の出力電流I1の位相である。図3に示すように、位相演算部161aは、遅延部161iと、演算部161jとを備えている。
遅延部161iは、出力電流I1に基づいて、1/4周期前の出力電流I1dを出力するブロックである。
演算部161jは、出力電流I1、及び、遅延部161iの出力する1/4周期前の出力電流I1dに基づいて出力電流I1の位相θIを演算し出力するブロックである。演算部161jは、数1に基づいて位相θIを演算し出力する。
図2に示す結合係数演算部161bは、図4に示すように、出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2、インダクタンスL1及び容量C1、インダクタンスL2及び容量C2に基づいて、送電コイル12と受電コイル13の結合係数kを演算し出力するブロックである。結合係数演算部161bは、結合係数kを演算する過程において送電コイル12と受電コイル13の相互インダクタンスMも演算する。ここで、出力電圧V1は、図1に示すインバータ回路101の出力電圧であり、送電側制御回路161で検出したものである。位相差θ1は、インバータ回路101の出力電圧V1と出力電流I1の位相差であり、出力電圧V1と出力電流I1から検出したものである。角周波数ωは、インバータ回路101の出力する交流の角周波数であり、出力電圧V1又は出力電流I1から検出したものである。あるいは、駆動信号から求めたものである。出力電圧V2は、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電圧であり、受電側制御回路163で検出したものを無線通信によって入手したものである。インダクタンスL2は受電コイル13のインダクタンス、容量C2は受電側共振用コンデンサ14の容量であり、受電側制御回路163に予め設定されていたものを無線通信によって入手したものである。インダクタンスL1は送電コイル12のインダクタンス、容量C1は送電側共振用コンデンサ11の容量であり、送電側制御回路161に予め設定されていたものである。
ところで、非接触給電装置1の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルは、図5に示すような関係を有している。図5に示すベクトル図は、角周波数ωで回転する回転座標において電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示したものである。なお、回転座標系における電圧ベクトルと電流ベクトルの関係は、モータ制御において広く用いられている回転座標系を静止座標系に変換する公知の方法により、位相θIを用いて静止座標系へ変換することができる。ここで、電圧ベクトルV1はインバータ回路101の出力電圧を示す電圧ベクトルであり、電流ベクトルI1はインバータ回路101の出力電流を示す電流ベクトルである。位相差θ1は、電圧ベクトルV1と電流ベクトルI1の位相差である。電圧ベクトルE1は、電圧ベクトルV1と、送電側共振用コンデンサ11の接続された送電コイル12において、受電コイル13と結合しない漏れインダクタンスと送電側共振用コンデンサ11の容量の合成インピーダンスX1によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX1I1をベクトル的に合成した電圧ベクトルである。ここで、インピーダンスX1は、数2に基づいて求められる。
電流ベクトルImは、電流ベクトルI1の励磁電流成分を示す電流ベクトルであり、電圧ベクトルE1との位相差が90degである。電流ベクトルI1’は、電流ベクトルI1の負荷電流成分を示す電流ベクトルである。電流ベクトルImと電流ベクトルI1’のベクトル和が電流ベクトルI1になる。電流ベクトルI2は、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電流を示す電流ベクトルであり、電流ベクトルI1’と同一である。電圧ベクトルE2は、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の起電圧を示す電圧ベクトルであり、電圧ベクトルE2は、電圧ベクトルV2と、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13において、送電コイル12と結合しない漏れインダクタンスと受電側共振用コンデンサ14の容量の合成インピーダンスX2によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX2I2をベクトル的に合成した電圧ベクトルである。電圧ベクトルE2は、電圧ベクトルE1と大きさが同一で逆位相である。ここで、インピーダンスX2は、数3に基づいて求められる。
電圧ベクトルV2は、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電圧、つまり、接続された受電側共振用コンデンサ14及び受電コイル13の出力電圧を示す電圧ベクトルである。位相差θ2は、電圧ベクトルE2と電圧ベクトルV2の位相差であり、電圧ベクトルE1に対する電流ベクトルI2の位相でもある。
電圧ベクトルE1の大きさである電圧E1と、電圧ベクトルE2の大きさである電圧E2が等しくなることから、図2に示す結合係数演算部161bは、数4及び数5を用いて相互インダクタンスMを演算し出力する。
そして、数6に基づいて結合係数kを演算し出力する。
位相差目標値演算部161cは、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示すベクトル図に基づいて、結合係数演算部161bの出力する結合係数kから、出力電圧V1と出力電流I1の位相差の目標値である位相差目標値θ1_comを演算し出力するブロックである。
出力電圧目標値演算部161dは、図6に示すように、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示すベクトル図に基づいて、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び位相差目標値θ1_comから、インバータ回路101の出力電圧を示す電圧ベクトルの大きさの目標値である出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。ここで、インピーダンスX2は、無線通信によって入手した情報に基づいて、数3を用いて求められたものである。出力電力目標値Pcomは、受電側整流回路150の出力電力の目標値であり、車両制御装置CNT1から受電側制御回路163に入力されたものを、無線通信によって入手したものである。出力電圧目標値演算部161dは、演算部161k〜161mと、ベクトル演算部161nと、演算部161oとを備えている。
演算部161kは、出力電力目標値Pcom及び出力電圧V2に基づいて、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電流を示す電流ベクトルの大きさの目標値である出力電流目標値|I2_com|を演算し出力するブロックである。演算部161kは、数7に基づいて出力電流目標値|I2_com|を演算し出力する。
演算部161lは、角周波数ω、インピーダンスX2、演算部161kの出力する出力電流目標値|I2_com|及び出力電圧V2に基づいて、電圧E2、及び、出力電流I2の位相の目標値である位相目標値θ2_comを演算し出力するブロックである。演算部161lは、数8及び数9に基づいて電圧E2及び位相目標値θ2_comを演算し出力する。
演算部161mは、相互インダクタンスM、角周波数ω、及び、演算部161lの出力する電圧E2に基づいて、送電コイル12に流れる励磁電流ベクトルの大きさの目標値である励磁電流目標値|Im_com|を演算し出力するブロックである。演算部161mは、数10に基づいて励磁電流目標値|Im_com|を演算し出力する。
ベクトル演算部161nは、演算161m部の出力する励磁電流目標値|Im_com|、演算部161lの出力する位相目標値θ2_com、演算部161kの出力する出力電流目標値|I2_com|に基づいて、インバータ回路101の出力電流を示す電流ベクトルの大きさの目標値である出力電流目標値|I1_com|をベクトル的に演算し出力するブロックである。ベクトル演算部161nは、図7に示すように、図5に示す電流ベクトルIm及びI2に対する目標値である電流ベクトル目標値Im_com及びI2_comをベクトル的に合成して、図5に示す電流ベクトルI1に対する目標値である電流ベクトル目標値I1_comを求める。具体的には、図5に示すように、電流ベクトルImと電圧ベクトルE1の位相差が90degであり、電圧ベクトルE1に対する電流ベクトルI2の位相がθ2であり、位相θ2に対する目標値が図7に示すように位相目標値θ2_comであることから、励磁電流目標値|Im_com|及び出力電流目標値|I2_com|に基づいて、出力電流目標値|I1_com|を求める。
図6に示す演算部161oは、ベクトル演算部161nの出力する出力電流位相差目標値θ1_com、演算部161nの出力する出力電流目標値|I1_com|、及び、出力電力目標値Pcomに基づいて、インバータ回路101の出力電圧を示す電圧ベクトルの大きさの目標値である出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。演算部161oは、数11に基づいて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力する。
図2に示す補正値演算部161eは、図8に示すように、出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び出力電流I2に基づいて、出力電圧目標値|V1_FF|を補正するための補正値|V1_FB|を演算し出力するブロックである。ここで、出力電流I2は、図1に示す受電側整流回路150の出力電流であり、受電側電流センサ162から受電側制御回路163に入力されたものを、無線通信によって入手したものである。補正値演算部161eは、演算部161q、161rと、PI演算部161sとを備えている。
図8に示す演算部161qは、出力電力目標値Pcom及び出力電圧V2に基づいて、受電側整流回路150の出力電流を示す電流ベクトルの大きさ目標値である出力電流目標値|I2_com|を演算し出力するブロックである。演算部161qは、数12に基づいて出力電流目標値|I2_com|を演算し出力する。
演算部161rは、演算部161qの出力した出力電流目標値|I2_com|と出力電流I2の偏差ΔI2を演算し出力するブロックである。演算部161rは、数13に基づいて偏差ΔI2を演算し出力する。
PI演算部161sは、演算部161rの出力する偏差ΔI2を比例、積分演算して補正値|V1_FB|として出力するブロックである。
図2に示すように、補正部161fは、出力電圧目標値演算部161dの出力する出力電圧目標値|V1_FF|に、補正値演算部161eの出力する補正値|V1_FB|を加算して新たな出力電圧目標値|V1_com|として出力するブロックである。
駆動信号生成部161gは、図9に示すように、位相θI、出力電力目標値Pcom、結合係数k、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、インバータ回路101のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成し出力するブロックである。駆動信号生成部161gは、補正値出力部161uと、演算部161v、161wと、信号生成部161xとを備えている。
補正値出力部161uは、出力電力目標値Pcom、結合係数k、及び、予め設定されているマップに基づいて、インバータ回路101のスイッチング素子をPWM制御する場合に、スイッチング素子がターンオンする際に、当該スイッチング素子に流れる電流が0近傍の所定範囲内になるように位相差目標値θ1_comを補正するための補正値Δθ.comを求め出力するブロックである。ここで、マップは、図10に示すように、出力電力目標値Pcomと結合係数kに対する補正値Δθ.comの関係を規定したものである。マップは、実験やシミュレーションによって予め求められ設定されている。
図9に示すように、演算部161vは、位相差目標値θ1_comに、補正値出力部161uの出力する補正値Δθ.comを加算して新たな位相差目標値として出力するブロックである。
演算部161wは、位相θIに演算部161vの出力を加算して、インバータ回路101の出力電圧を示す電圧ベクトルの位相の目標値である位相目標値θVを出力するブロックである。演算部161wは、数14に基づいて位相目標値θVを演算し出力する。
信号生成部161xは、電圧ベクトルの目標値である、演算部161wの出力する位相目標値θV及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、インバータ回路101のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成し出力するブロックである。信号生成部161xは、インバータ回路101の出力電圧を示す電圧ベクトルの位相がθVに、大きさが|V1_com|になるような駆動信号を生成し出力する。
次に、図1〜図4、図6、図8、図9及び図11〜図13を参照して第1実施形態の非接触給電装置の動作について説明する。
駐車スペースに車両を駐車すると、図1に示す送電コイル12と受電コイル13が、上下方向に所定の間隔をあけて対向する。この状態で充電開始ボタン(図略)が押され、充電の開始が指示されると、非接触給電装置1は動作を開始する。
受電側制御回路163は、送電側制御回路161からの要求に応じて、出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び出力電流I2の情報を無線通信によって送電側制御回路161に送信する。
送電側整流回路100は、商用電源AC1から供給される交流を整流するとともに昇圧してインバータ回路101に供給する。
送電側制御回路161は、無線通信によって受電側制御回路163から受信した出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び出力電流I2、自ら検出した出力電圧V1、送電側電流センサ160の検出した出力電流I1に基づいて、インバータ回路101から出力される交流の電圧ベクトルと電流ベクトルの位相差が位相差目標値になるような電圧ベクトル目標値を求め、交流の電圧ベクトルが電圧ベクトル目標値になるようにインバータ回路101を制御する。
図2に示す位相演算部161aは、図3に示すように、出力電流I1に基づき、数1を用いて位相θIを演算し出力する。
図2に示す結合係数演算部161bは、図4に示すように、出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2、インダクタンスL1及び容量C1、インダクタンスL2及び容量C2に基づき、数2及び数3を用いて、相互インダクタンスMを演算し出力する。そして、数6を用いて結合係数kを演算し出力する。
図2に示す位相差目標値演算部161cは、結合係数kに基づいて位相差目標値θ1_comを演算し出力する。インバータ回路101から出力される交流電圧と交流電流の位相差を0にしようとする場合、位相差目標値演算部161cは、位相差目標値θ1_comとして0を出力する。
出力電圧目標値演算部161dは、図6に示すように、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び位相差目標値θ1_comに基づき、数7〜数11を用いて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力する。
図2に示す補正値演算部161eは、図8に示すように、出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び出力電流I2に基づいて、補正値|V1_FB|を演算し出力する。そして、図2に示す補正部161fは、出力電圧目標値|V1_FF|に、補正値演算部161eの出力する補正値|V1_FB|を加算して新たな出力電圧目標値|V1_com|として出力する。
駆動信号生成部161gは、図9に示すように、駆動信号生成部161gは、補正値出力部161uと、演算部161v、161wと、信号生成部161xとを備えている。
補正値出力部161uは、出力電力目標値Pcom、結合係数k及びマップに基づいて補正値Δθ.comを求める。演算部161vは、位相差目標値θ1_comに補正値Δθ.comを加算して新たな位相差目標値とする。演算部161wは、位相θIに演算部161vの出力を加算して位相目標値θVを出力する。
信号生成部161xは、電圧ベクトルの目標値である位相目標値θV及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、インバータ回路101のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成し出力する。
インバータ回路101は、4つのスイッチング素子を駆動信号に従ってスイッチングさせることで送電側整流回路100から供給される直流を高周波数の交流に変換して送電コイル12に供給する。
その結果、図11に示すように、インバータ回路101から出力される交流電圧が正弦波状波形である場合には、正弦波状の出力電圧のピーク点と、正弦波状の出力電流のピーク点の位相差θ1が位相差目標値θ1_comに制御される。図12に示すように、インバータ回路101が180度通電制御を行い、インバータ回路101から出力される交流電圧が180度毎に振幅が変化する矩形波状波形である場合には、矩形波状の出力電圧の中心点と、正弦波状の出力電流のピーク点の位相差θ1が位相差目標値θ1_comに制御される。図13に示すように、インバータ回路101がPWM制御を行い、インバータ回路101から出力される交流電圧が幅の変化する矩形波状波形である場合、正弦波のピーク点に相当する矩形波状の出力電圧の中心点と、正弦波状の出力電流のピーク点の位相θ1が位相差目標値θ1_comに制御される。この場合、演算部161vで補正値Δθ.comによる補正が行われ、スイッチング素子がターンオンする際に、スイッチング素子に流れる電流が0近傍の所定範囲内になるように制御される。
受電コイル13は、送電コイル12の発生した交番磁束と鎖交することで電磁誘導によって交流を発生する。受電側整流回路150は、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13から供給される交流を整流し、直流に変換して車載バッテリB1に供給し、車載バッテリB1を充電する。このようにして、商用電源AC1から車載バッテリB1に非接触で送電することができる。
次に、第1実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて電圧ベクトル目標値|V1_FF|を求める。そして、インバータ回路101から出力される交流の電圧ベクトルが電圧ベクトル目標値|V1_FF|になるようにインバータ回路101を制御する。そのため、インバータ回路101から出力される交流電圧と交流電流を直接制御することができる。従って、制御に伴う遅れを抑え、応答性を向上させることができる。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、受電コイル13と結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX1によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX1I1、及び、送電コイル12と結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX2によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX2I2を用いて電圧ベクトル目標値|V1_FF|を求める。そのため、電圧ベクトル目標値|V1_FF|をより正確に求めることができる。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、インバータ回路101から出力される交流の電圧ベクトルと電流ベクトルの位相差が位相差目標値になるような電圧ベクトル目標値を求め、インバータ回路101から出力される交流の電圧ベクトルが電圧ベクトル目標値になるようにインバータ回路101を制御する。そのため、インバータ回路101から出力される交流電圧と交流電流の位相差の調整のために、交流の周波数を調整する必要がない。交流電圧と交流電流の位相差を直接制御することができる。そのため、制御に伴う遅れを抑え、より確実に応答性を向上させることができる。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、受電側整流回路150から車載バッテリB1に供給される電力の目標値である出力電力目標値Pcomに基づいて、電圧ベクトル目標値を構成する、電圧ベクトルの大きさの目標値である出力電圧目標値を求める。そのため、交流電圧と交流電流の位相を直接制御するとともに、受電側整流回路150から車載バッテリB1に供給される電力を出力電力目標値Pcomに制御することができる。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、出力電力目標値Pcom、送電コイル12と受電コイル13の相互インダクタンスM、インバータ回路101から出力される交流の角周波数ω、及び、受電コイル13のインダクタンスL2に基づいて出力電圧目標値|V1_FF|を求める。具体的には、出力電圧目標値演算部161dにおいて、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び位相差目標値θ1_comに基づき、数7〜数11を用いて、出力電圧目標値|V1_FF|を演算する。そのため、出力電力目標値Pcomに応じた出力電圧目標値|V1_com|を確実に求めることができる。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、インバータ回路101から出力される交流電圧V1及び交流電流I1、インバータ回路101から出力される交流電圧V1と交流電流I1の位相差θ1、インバータ回路101から出力される交流の角周波数ω、及び、送電コイル12及び受電コイル13のインダクタンスL1、L2に基づいて送電コイル12と受電コイル13の相互インダクタンスMを求める。具体的には、結合係数演算部161bにおいて、出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2、インダクタンスL1及び容量C1、インダクタンスL2及び容量C2に基づき、数2及び数3を用いて相互インダクタンスMを演算する。そのため、車両の駐車状態等によって変化する相互インダクタンスMを確実に求めることができる。従って、相互インダクタンスMが変化しても、インバータ回路101から出力される交流電圧と交流電圧の位相差を確実に制御することができる。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、出力電力目標値Pcomと受電側整流回路150から車載バッテリB1に供給される電力に基づいて出力電圧目標値|V1_com|を補正する。具体的には、補正値演算部161eにおいて、出力電力目標値Pcom、出力電圧V2及び出力電流I2に基づいて、補正値|V1_FB|を演算する。そして、補正部161fにおいて、出力電圧目標値|V1_FF|に、補正値|V1_FB|を加算して新たな出力電圧目標値|V1_com|とする。そのため、受電側整流回路150から車載バッテリB1に供給される電力が出力電力目標値Pcomから解離した場合であっても、その影響を打消すように制御することができる。
第1実施形態によれば、受電側制御回路163は、受電コイル13及び受電側整流回路150に関連する情報であって、インバータ回路101の制御に必要な情報を、無線通信によって送電側制御回路161に送信する。送電側制御回路161は、無線通信によって受電側制御回路163から受信した受電コイル13及び受電側整流回路150に関連する情報に基づいてインバータ回路101を制御する。そのため、従来の非接触給電装置における制御では必要とされていなかった、受電側共振用コンデンサ14の接続された受電コイル13の出力電流I2の情報を、送電側制御回路161において入手することができる。従って、インバータ回路101から出力される交流電圧と交流電流の位相差を確実に制御することができる。
第1実施形態によれば、送電側制御回路161は、インバータ回路101のスイッチング素子をPWM制御する場合に、スイッチング素子がターンオンする際に、当該スイッチング素子に流れる電流が0近傍の所定範囲内になるように位相差目標値θ1_comを補正する。具体的には、補正値出力部161uにおいて、出力電力目標値Pcom、結合係数k及びマップに基づいて補正値Δθ.comを求める。そして、演算部161vにおいて、位相差目標値θ1_comに補正値Δθ.comを加算して新たな位相差目標値とする。そのため、スイッチング素子がターンオンする際に、当該スイッチング素子に流れる電流を0付近に抑えることができる。従って、スイッチング素子がターンオンする際に発生するスイッチング損失を抑えることができる。これにより、インバータ回路101のスイッチング素子をPWM制御する場合に問題となるスイッチング損失を抑え、電力の伝送効率を向上させることができる。
なお、第1実施形態では、補正値出力部161uが、マップを有し、このマップに基づいて補正値Δθ.comを求める例を挙げているが、これに限られるものではない。マップに代えて、マップに規定された関係を式で表した関係式を有し、この関係式に基づいて求めるようにしてもよい。
第1実施形態では、非接触給電装置1の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルが、図5及び図7に示すような関係を有していることを前提に、送電側制御回路161を構成する演算部等の数式が求められている例を挙げているが、これに限られるものではない。図5及び図7に示すベクトル図では配線やコイルの抵抗が考慮されていない。これらの抵抗を考慮したベクトル図に基づいて演算部等の数式を求めてもよい。より正確に制御することができる。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の非接触給電装置について説明する。第2実施形態の非接触給電装置は、第1実施形態の非接触給電装置に対して、給電対象を車載バッテリから抵抗性の負荷に変更するとともに、それに伴って、出力電圧目標値演算部の構成を一部変更したものである。
出力電圧目標値演算部以外の構成及び動作は、第1実施形態と同一であるため、必要である場合を除いて説明を省略する。
まず、図14を参照して出力電圧目標値演算部の構成について説明する。
出力電圧目標値演算部261dは、図14に示すように、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、Z2及び出力電力目標値Pcomに基づいて、出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。出力電圧目標値演算部261dは、演算部261k〜261mと、ベクトル演算部261nと、演算部261oとを備えている。
演算部261kは、出力電力目標値Pcom及びインピーダンスZ2に基づいて、出力電流目標値|I2_com|を演算し出力するブロックである。ここで、インピーダンスZ2は、負荷のインピーダンスであり、受電側制御回路に予め設定されていたものを無線通信によって入手したものである。演算部261kは、数15に基づいて出力電流目標値|I2_com|を演算し出力する。
演算部261lは、角周波数ω、インピーダンスX2、Z2、及び演算部261kの出力する出力電流目標値|I2_com|に基づいて電圧E2及び位相目標値θ2_comを演算し出力するブロックである。演算部261lは、数16及び数17に基づいて電圧E2及び位相目標値θ2_comを演算し出力する。
演算部261m、ベクトル演算部261n及び演算部261oは、第1実施形態の演算部161m、ベクトル演算部161n及び演算部161oと同一のブロックである。
次に、図14を参照して第2実施形態の非接触給電装置における出力電圧目標値演算部の動作について説明する。
出力電圧目標値演算部261dは、図14に示すように、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、Z2及び出力電力目標値Pcomに基づき、数15〜数17を用いて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力する。演算部261lにおいて、角周波数ω、インピーダンスX2、Z2及び出力電流目標値|I2_com|に基づき、数16及び数17を用いて電圧E2及び位相目標値θ2_comを演算すため、出力電圧V2が入力されなくても、第1実施形態の場合と同様の出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力することができる。
次に、第2実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第2実施形態によれば、給電対象が抵抗性の負荷であっても、第1実施形態の場合と同様の出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力することができる。そのため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態の非接触給電装置について説明する。第3実施形態の非接触給電装置は、第1実施形態の非接触給電装置が出力電圧目標値を補正しているのに対して、出力電力目標値を補正するようにしたものである。
送電側制御回路以外の構成及び動作は、第1実施形態と同一であるため、必要である場合を除いて説明を省略する。
まず、図15及び図16を参照して送電側制御回路の構成について説明する。
図15に示すように、送電側制御回路361は、位相演算部361aと、結合係数演算部361bと、位相差目標値演算部361cと、出力電圧目標値演算部361dと、補正演算部361eと、補正部361fと、駆動信号生成部361gとを備えている。
位相演算部361a、結合係数演算部361b及び位相差目標値演算部361cは、第1実施形態の位相演算部161a、結合係数演算部161b及び位相差目標値演算部161cと同一のブロックである。
補正演算部361eは、図16に示すように、出力電圧V2及び出力電流I2に基づいて出力電力目標値Pcomを補正した新たな出力電力目標値Pcom’を演算し出力するブロックである。補正演算部361eは、演算部361q、361rと、PI演算部361sと、演算部361tとを備えている。
演算部361q、361r及びPI演算部361sは、第1実施形態の演算部161q、161r及びPI演算部161sと同一のブロックである。
演算部361tは、出力電圧V2、出力電流目標値|I2_com|及び補正値|I2_FB|に基づいて新たな出力電力目標値Pcom’を演算し出力するブロックである。ここで、補正値|I2_FB|は、第1実施形態の補正値|V1_FB|と同一のものである。演算部361tは、数18に基づいて出力電力目標値Pcom’を演算し出力する。
図15に示す出力電圧目標値演算部361dは、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電力目標値Pcom’、出力電圧V2及び位相差θ1_comに基づいて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。出力電圧目標値演算部361dは、第1実施形態の出力電圧目標値演算部161dと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。
補正部361fは、第1実施形態の補正部161fと同一のブロックであるが、出力電力目標値Pcomの補正が加えられていることから、補正値|V1_FF|が0に設定されている。
駆動信号生成部361gは、位相θI、新たな出力電力目標値Pcom’、結合係数k、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、インバータ回路のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成し出力するブロックである。駆動信号生成部361gは、第1実施形態の駆動信号生成部161gと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。
次に、図15及び図16を参照して第3実施形態の非接触給電装置における送電側制御回路の動作について説明する。
図15に示す補正演算部361eは、図16に示すように、出力電圧V2及び出力電流I2に基づき、数18を用いて出力電力目標値Pcomを補正した新たな出力電力目標値Pcom’を演算し出力する。
図15に示す出力電圧目標値演算部361dは、第1実施形態の出力電圧目標値演算部161dと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。出力電圧目標値演算部361dは、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電力目標値Pcom’、出力電圧V2及び位相差目標値θ1_comに基づいて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力する。
補正部361fは、第1実施形態の補正部161fと同一のブロックであるが、出力電力目標値Pcomの補正が加えられていることから、補正値|V1_FF|が0に設定されている。補正部361fは、出力電圧目標値|V1_FF|を新たな出力電圧目標値|V1_com|として出力する。
駆動信号生成部361gは、第1実施形態の駆動信号生成部161gと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。駆動信号生成部361gは、位相θI、新たな出力電力目標値Pcom’、結合係数k、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、インバータ回路のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成し出力する。
その結果、出力電力目標値Pcomに対する補正が、第1実施形態の場合と同様に駆動信号に反映されることになる。
次に、第3実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第3実施形態によれば、出力電圧目標値に代えて、出力電力目標値を補正するようにしても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第4実施形態)
次に、第4実施形態の非接触給電装置について説明する。第4実施形態の非接触給電装置は、第1実施形態の非接触給電装置が出力電力目標値に基づいてインバータ回路を制御するのに対して、出力電流目標値に基づいて制御するようにしたものである。
送電側制御回路以外の構成及び動作は、第1実施形態と同一であるため、必要である場合を除いて説明を省略する。
まず、図17〜図19を参照して送電側制御回路の構成について説明する。
図17に示すように、送電側制御回路461は、位相演算部461aと、結合係数演算部461bと、位相差目標値演算部461cと、出力電圧目標値演算部461dと、補正値演算部461eと、補正部461fと、駆動信号生成部461gとを備えている。さらに、出力電力目標値演算部461hを備えている。
出力電力目標値演算部461hは、出力電流目標値|I2_com|及び出力電圧V2に基づいて出力電力目標値Pcomを演算し出力するブロックである。ここで、出力電流目標値|I2_com|は、受電側整流回路から車載バッテリに供給される電流の目標値と等価であり、受電側共振用コンデンサの接続された受電コイルの出力電流を示す電流ベクトルの大きさの目標値でもある。これは、受電側共振用コンデンサの接続された受電コイルの出力電圧V2及び出力電流I2と車載バッテリに供給される電圧と電流は公知の関係を有するためである。そのため、第1実施形態と同様に、|I2_com|と表記している。出力電力目標値演算部461hは、数19に基づいて出力電力目標値Pcomを演算し出力する。
出力電圧目標値演算部461dは、図18に示すように、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電流目標値|I2_com|、出力電圧V2、出力電力目標値Pcom及び位相差目標値θ1_comに基づいて、インバータ回路の出力電圧を示す電圧ベクトルの大きさの目標値である出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。出力電圧目標値演算部461dは、演算部461l、461mと、ベクトル演算部461nと、演算部461oとを備えている。出力電流目標値|I2_com|を求める必要がないため、第1実施形態の演算部161kに相当するブロックはない。演算部461l、461m、ベクトル演算部461n及び演算部461oは、第1実施形態の演算部161l、161m、ベクトル演算部161n及び演算部161oと同一のブロックである。
図17に示す位相演算部461a、結合係数演算部461b、位相差目標値演算部461c及び出力電圧目標値演算部461dは、第1実施形態の位相演算部161a、結合係数演算部161b、位相差目標値演算部161c及び出力電圧目標値演算部161dと同一のブロックである。
補正値演算部461eは、図19に示すように、出力電流目標値|I2_com|及び出力電流I2に基づいて補正値|V1_FB|を演算し出力するブロックである。補正値演算部461eは、演算部461r、461sを備えている。出力電流目標値|I2_com|を求める必要がないため、第1実施形態の演算部161qに相当するブロックはない。演算部461r、461sは、第1実施形態の演算部161r、161sと同一のブロックである。
図17に示す補正部461f及び駆動信号生成部461gは、第1実施形態の補正部161f及び駆動信号生成部161gと同一のブロックである。
次に、図17〜図19を参照して第4実施形態の非接触給電装置における送電側制御回路の動作について説明する。出力電力目標値演算部、出力電力目標値演算部及び補正値演算部以外の動作は、第1実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。
図17に示す出力電力目標値演算部461hは、出力電流目標値|I2_com|及び出力電圧V2に基づき、数19を用いて出力電力目標値Pcomを演算し出力する。
出力電圧目標値演算部461dは、図18に示すように、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電流目標値|I2_com|、出力電圧V2、出力電力目標値Pcom及び位相差目標値θ1_comに基づいて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力する。その結果、出力電流目標値|I2_com|に基づいて制御する場合であっても、第1実施形態の場合と同様の出力電圧目標値|V1_FF|を得ることができる。
図17に示す補正値演算部461eは、図19に示すように、出力電流目標値|I2_com|及び出力電流I2に基づいて補正値|V1_FB|を演算し出力する。その結果、出力電流目標値|I2_com|に基づいて制御する場合であっても、第1実施形態の場合と同様の補正値|V1_FB|を得ることができる。
次に、第4実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第4実施形態によれば、出力電流目標値|I2_com|に基づいて電圧ベクトル目標値を求める場合であっても、第1実施形態の場合と同様のインバータ回路を制御することができる。そのため、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第5実施形態)
次に、第5実施形態の非接触給電装置について説明する。第5実施形態の非接触給電装置は、第4実施形態の非接触給電装置に対して、給電対象を車載バッテリから抵抗性の負荷に変更するとともに、それに伴って、出力電圧目標値演算部の構成を一部変更したものである。
出力電圧目標値演算部以外の構成及び動作は、第4実施形態と同一であるため、必要である場合を除いて説明を省略する。
まず、図20を参照して出力電圧目標値演算部の構成について説明する。
出力電圧目標値演算部561dは、図20に示すように、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、Z2、出力電力目標値Pcom及び出力電圧V2に基づいて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。出力電圧目標値演算部561dは、演算部561l、561mと、ベクトル演算部561nと、演算部561oとを備えている。さらに、演算部561pを備えている。
演算部561pは、出力電流目標値|I2_com|及び出力電圧V2に基づいて出力電力目標値Pcomを演算し出力するブロックである。演算部561pは、数20に基づいて出力電力目標値Pcomを演算し出力する。
演算部561lは、角周波数ω、インピーダンスX2、Z2及び出力電流目標値|I2_com|に基づいて電圧E2及び位相目標値θ2_comを演算し出力するブロックである。演算部561lは、数21及び数22に基づいて電圧E2及び位相目標値θ2_comを演算し出力する。
演算部561m、ベクトル演算部561n及び演算部561oは、第4実施形態の演算部461m、ベクトル演算部461n及び演算部461oと同一のブロックである。
次に、図20を参照して第5実施形態の非接触給電装置における出力電圧目標値演算部の動作について説明する。
出力電圧目標値演算部561dは、図20に示すように、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、Z2、出力電力目標値Pcom及び出力電圧V2に基づき、数20〜数22を用いて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力する。演算部561pにおいて、出力電流目標値|I2_com|及び出力電圧V2に基づき、数20を用いて出力電力目標値Pcomを演算するため、出力電力目標値Pcomが入力されなくても、第4実施形態の場合と同様の出力電圧目標値|V1_FF|を演算する。
次に、第5実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第5実施形態によれば、給電対象が抵抗性の負荷であっても、第4実施形態の場合と同様の出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力することができる。そのため、第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
(第6実施形態)
次に、第6実施形態の非接触給電装置について説明する。第6実施形態の非接触給電装置は、第4実施形態の非接触給電装置が出力電圧目標値を補正しているのに対して、出力電力目標値を補正するようにしたものである。
送電側制御回路以外の構成及び動作は、第4実施形態と同一であるため、必要である場合を除いて説明を省略する。
まず、図21及び図22を参照して送電側制御回路の構成について説明する。
図21に示すように、送電側制御回路661は、位相演算部661aと、結合係数演算部661bと、位相差目標値演算部661cと、出力電圧目標値演算部661dと、補正演算部661eと、補正部661fと、駆動信号生成部661gとを備えている。さらに、出力電力目標値演算部661hを備えている。
位相演算部661a、結合係数演算部661b及び位相差目標値演算部661cは、第4実施形態の位相演算部461a、結合係数演算部461b及び位相差目標値演算部461cと同一のブロックである。
補正演算部661eは、図22に示すように、出力電流I2に基づいて出力電流目標値|I2_com|を補正した新たな出力電流目標値|I2_com|’を演算し出力するブロックである。補正演算部661eは、演算部661rと、PI演算部661sと、演算部661tとを備えている。
演算部661r及びPI演算部661sは、第4実施形態の演算部461r及びPI演算部461sと同一のブロックである。
演算部661tは、出力電流目標値|I2_com|及びPI演算部661sの出力する補正値|I2_FB|に基づいて新たな出力電力目標値Pcom’を演算し出力するブロックである。ここで、補正値|I2_FB|は、第4実施形態の補正値|V1_FB|と同一のものである。演算部661tは、数23に基づいて出力電流目標値|I2_com|’を演算し出力する。
図21に示す出力電圧目標値演算部661dは、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電力目標値Pcom’、出力電圧V2及び位相差目標値θ1_comに基づいて、出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。出力電圧目標値演算部661dは、第4実施形態の出力電圧目標値演算部461dと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。
補正部661fは、第4実施形態の補正部461fと同一のブロックであるが、出力電力目標値Pcomの補正が加えられていることから、補正値|V1_FF|が0に設定されている。
駆動信号生成部661gは、位相θI、新たな出力電力目標値Pcom’、結合係数k、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、インバータ回路のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成し出力するブロックである。駆動信号生成部661gは、第4実施形態の駆動信号生成部461gと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。
次に、図21及び図22を参照して第6実施形態の非接触給電装置における送電側制御回路の動作について説明する。
図21に示す補正演算部661eは、図22に示すように、出力電流I2に基づき、数23を用いて出力電流目標値|I2_com|を補正した新たな出力電流目標値|I2_com|’を演算し出力する。
図21に示す出力電圧目標値演算部661dは、第4実施形態の出力電圧目標値演算部461dと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。出力電圧目標値演算部661dは、相互インダクタンスM、角周波数ω、インピーダンスX2、出力電力目標値Pcom’、出力電圧V2及び位相差目標値θ1_comに基づいて出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力する。
補正部661fは、第4実施形態の補正部461fと同一のブロックであるが、出力電力目標値Pcomの補正が加えられていることから、補正値|V1_FF|が0に設定されている。補正部661fは、出力電圧目標値|V1_FF|を新たな出力電圧目標値|V1_com|として出力する。
駆動信号生成部661gは、第4実施形態の駆動信号生成部461gと同一のブロックであり、出力電力目標値がPcomからPcom’に置き換えられたものである。駆動信号生成部661gは、位相θI、新たな出力電力目標値Pcom’、結合係数k、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、インバータ回路のスイッチング素子を制御するための駆動信号を生成し出力する。
その結果、出力電流目標値|I2_com|に対する補正が、第4実施形態の場合と同様に駆動信号に反映されることになる。
次に、第6実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第6実施形態によれば、出力電圧目標値に代えて、出力電流目標値を補正するようにしても、第4実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第1〜第6実施形態では、送電側共振用コンデンサ及び受電側共振用コンデンサが、送電コイル及び受電コイルに直列接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。送電側共振用コンデンサ及び受電側共振用コンデンサは、送電コイル及び受電コイルに並列接続されていてもよい。この場合、インピーダンスX1及びX2に相当するインピーダンスX1’及びX2’は、数24及び数25に基づいて求められる。
第1〜第6実施形態では、制御に必要な情報を受電側制御回路から送電側制御回路に送信し、制御に必要な演算を全て送電側制御回路で行っている例を挙げているが、これに限られるものではない。送電側制御回路で行っている演算の一部を受電側制御回路で行うようにしてもよい。この場合、制御に必要な情報を送電側制御回路から受電側制御回路に送信すればよい。送電側制御回路と受電側制御回路の間で、受電コイルから受電回路に供給される電流の位相に関連する情報をやり取りするとよい。
第1〜第6実施形態では、受電側整流回路が、供給される交流を整流して出力する例を挙げているが、これに限られるものではない。送電側整流回路のように、供給される交流を整流するとともに昇圧して出力するようにしてもよい。
第1〜第6実施形態において、送電コイルと受電コイルの巻数比が変わった場合でも、各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルの関係を示すベクトル図に基づいて数式を見直すことで同様に適用することができる。
(第7実施形態)
次に、第7実施形態の非接触給電装置について説明する。第7実施形態の非接触給電装置は、第1実施形態の非接触給電装置に対して、結合係数演算部の構成を変更したものである。具体的には、第1実施形態の結合係数演算部が出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2、インダクタンスL1及び容量C1、インダクタンスL2及び容量C2に基づいて、送電コイル12と受電コイル13の結合係数kを演算するのに対して、出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2、出力電流I2、容量C1、C2に基づいて、送電コイルと受電コイルの結合係数kを演算するようにしたものである。
結合係数演算部以外の構成及び動作は、第1実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。まず、図23及び図24を参照して結合係数演算部の構成及び動作について説明する。
図23に示すように、結合係数演算部761bは、送電側制御回路761を構成する、第1実施形態の結合係数演算部161bに対応するブロックである。具体的には、出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2、出力電流I2、容量C1、C2に基づいて、送電コイルと受電コイルの結合係数kを演算し出力するブロックである。結合係数演算部761bは、結合係数kを演算する過程において送電コイルのインダクタンスL1、受電コイルのインダクタンスL2、及び、送電コイルと受電コイルの相互インダクタンスMも演算する。
ところで、非接触給電装置の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルは、図24に示すような関係を有している。ここで、位相差θαは、電圧ベクトルE1と電圧ベクトルV1の位相差である。位相差θmは、電流ベクトルImと電流ベクトルI1の位相差である。その他は、第1実施形態において説明したものと同一のものである。
電流ベクトルImは、数26に示す関係を有している。
電圧ベクトルE1、E2は、数27に示す関係を有している。
位相差θ2、θα、θmは、それぞれ数28〜数30に示す関係を有している。
電流ベクトルI1が電流ベクトルI2と電流ベクトルImのベクトル和であることから、 電流ベクトルI1、I2、Imは、数31及び数32に示す関係を有している。
電圧ベクトルE1と電流ベクトルImの位相差が90度であることから、位相差θ1、θα、θmは、数33に示す関係を有している。
電圧ベクトルE1、E2は大きさが同一で向きが逆であることから、数34及び数35に示す関係を有している。
図23に示す結合係数演算部761bは、入力された出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2、出力電流I2と、数26〜数29、数31〜数33を用い、ニュートンラプソン法等によって演算し、インピーダンスX1、X2及び相互インダクタンスMを求める。容量C1、C2は、送電側パッドと受電側パッドの位置関係に影響されない。そのため、容量C1、C2として予め設定されているものを用いても演算結果に大きな誤差を生じることはない。結合係数演算部761bは、入力された容量C1、C2とインピーダンスX1、X2からインダクタンスL1、L2を求める。さらに、インダクタンスL1、L2、相互インダクタンスMから結合係数kを求める。
次に、第7実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第7実施形態によれば、送電側制御回路761は、送電回路の出力電圧V1及び出力電流I1、送電回路の出力電圧V1と出力電流I1の位相差θ1、送電回路の出力の角周波数ω、及び、受電コイルの出力電圧V2及び出力電流I2に基づいて、受電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX1、送電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX2、及び、送電コイルと受電コイルの相互インダクタンスMを求める。具体的には、結合係数演算部761bにおいて、出力電圧V1、出力電流I1、位相差θ1、角周波数ω、出力電圧V2及び出力電流I2に基づき、数26〜数29、数31〜数33を用いてインピーダンスX1、X2及び相互インダクタンスMを求める。そのため、車両の駐車状態等によって変化するインピーダンスX1、X2及び相互インダクタンスMを確実に求めることができる。従って、インピーダンスX1、X2及び相互インダクタンスMが変化しても、送電回路から出力される交流電圧と交流電圧の位相差を確実に制御することができる。なお、容量C1、C2が不確定の場合は、さらに、数34及び数35を用いて、容量C1,C2も合わせて求めることも可能である。
なお、第7実施形態の構成は、結合係数演算部を有する他の実施形態においても適用することができる。
(第8実施形態)
次に、第8実施形態の非接触給電装置について説明する。第8実施形態の非接触給電装置は、第1実施形態の非接触給電装置に対して、送電側制御回路の構成を変更したものである。具体的には、第1実施形態の送電側制御回路が位相差目標値を演算する位相差目標値演算部と、出力電圧目標値を演算する出力電圧目標値演算部とを備えるのに対して、位相差目標値と出力電圧目標値を一括して演算する目標値演算部を備えるようにしたものである。
位相差目標値及び出力電圧目標値の演算部分以外の構成及び動作は、第1実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。まず、図25〜図36を参照して位相差目標値及び出力電圧目標値の演算部分の構成及び動作について説明する。
図25に示すように、送電側制御回路861は、位相演算部861aと、結合係数演算部861bと、目標値演算部861cと、補正値演算部861eと、補正部861fと、駆動信号生成部861gとを備えている。
位相演算部861a、補正値演算部861e、補正部861f及び駆動信号生成部861gは、第1実施形態の位相演算部161a、補正値演算部161e、補正部161f及び駆動信号生成部161gと同一のブロックである。また、結合係数演算部861bは、第7実施形態の結合係数演算部761bと同一のブロックである。
目標値演算部861cは、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示すベクトル図に基づいて位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。
ところで、非接触給電装置の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルは、図26に示すような関係を有している。ここで、位相差θcは、図28に示すように、電流ベクトルImと電流ベクトルI2の位相差である。その他は、第1実施形態において説明したものと同一のものである。
出力電力目標値Pcomは、数36に示す関係を有している。
受電コイル、受電側共振用コンデンサ及び受電側整流回路の等価インピーダンスをRとすると、出力電圧V2は、数37に示す関係を有している。
目標値演算部861cは、車両制御装置から入力される出力電力目標値Pcom、予め設定されている等価インピーダンスR、数36及び数37に基づいて、電圧ベクトルV2の大きさである出力電圧V2及び電流ベクトルI2の大きさである出力電流I2を求める。その結果、図27に示すように、電圧ベクトルV2及び電流ベクトルI2が決まる。
その後、目標値演算部861cは、位相差θcを所定値に仮設定する。その結果、図28に示すように、原点を通り電流ベクトルImの方向を示すIm軸と、原点を通り電圧ベクトルE1、E2の方向を示すIm軸に直交するE軸が決まる。
図29に示すように、電圧ベクトルV2に直交し、電圧ベクトルV2の終点からE軸に至るベクトルが電圧ベクトルX2I2になる。目標値演算部861cは、電圧ベクトルX2I2の大きさである電圧X2I2と、インダクタンスL2、容量C2、出力電流I2、相互インダクタンスM、及び、数3に基づいて、位相差θcが所定値である場合における角周波数ωを求める。
図30に示すように、原点から電圧ベクトルX2I2の終点に至るベクトルが電圧ベクトルE2になる。目標値演算部861cは、電圧ベクトルE2の大きさである電圧E2及び数26に基づいて、電流ベクトルImの大きさである電流Imを求める。その結果、図31に示すように電流ベクトルImが決まる。また、図32に示すように、電圧ベクトルE2と大きさが同一で向きが逆である電圧ベクトルE1が決まる。
図33に示すように、電流ベクトルI1は、電流ベクトルImと電流ベクトルI2のベクトル和である。目標値演算部861cは、電流ベクトルImと電流ベクトルI2から電流ベクトルI1の大きさである電流I1を求める。
その後、目標値演算部861cは、結合係数演算861bにおいて結合係数kを演算する過程において求められたインピーダンスX1と、電流I1から、電圧ベクトルX1I1の大きさである電圧X1I1を求める。図34に示すように、電圧ベクトルX1I1は、電流ベクトルI1に直交し、その終点が電圧ベクトルE1の終点に至るベクトルである。図35に示すように、電圧ベクトルV1は、原点から電圧ベクトルX1I1の始点に至るベクトルである。目標値演算部861cは、電流I1と電圧X1I1から、電圧ベクトルV1の大きさである電圧V1を求めるとともに、位相差θ1を求める。
以降、位相差θcの値を変え、同様の演算を繰り返す。その結果、図36に示すような、位相差θcと電流I1の関係が得られる。目標値演算部861cは、電流I1が最小I1minとなる位相差θcの値θc0を求める。そして、位相差θc0と、位相差θc0の場合における電圧V1から、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_FF|を求める。
送電側制御回路861は、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_FF|等から駆動信号を生成し、位相差が位相差目標値θ1_comになるとともに、電圧ベクトルV1の大きさが出力電圧目標値|V1_FF|になるように送電回路を制御する。
次に、第8実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第8実施形態によれば、送電側制御回路861は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて電圧ベクトル目標値|V1_FF|を求める。そして、送電回路から出力される交流の電圧ベクトルが電圧ベクトル目標値|V1_FF|になるように送電回路を制御する。そのため、送電回路から出力される交流電圧と交流電流を直接制御することができる。従って、制御に伴う遅れを抑え、応答性を向上させることができる。
第8実施形態によれば、送電側制御回路861は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、受電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX1によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX1I1、及び、送電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX2によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX2I2を用いて電圧ベクトル目標値|V1_FF|を求める。そのため、電圧ベクトル目標値|V1_FF|をより正確に求めることができる。
第8実施形態によれば、送電側制御回路861は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、位相差目標値θ1_comと出力電圧目標値|V1_FF|を求める。そして、位相差が位相差目標値θ1_comになるとともに、電圧ベクトルV1の大きさが出力電圧目標値|V1_FF|になるように送電回路を制御する。そのため、送電回路から出力される交流電圧と交流電流をより正確に制御することができる。
第8実施形態によれば、送電側制御回路861は、電流ベクトルI1の大きさが最小になる位相差を位相差目標値θ1_comにする。そのため、送電回路から出力される電力を抑えることができる。
なお、第8実施形態の構成は、位相差目標値θ1_com及び出力電圧目標値|V1_FF|を演算するブロックを有する他の実施形態においても適用することができる。また、第8実施形態において、位相差目標値θ1_comを求める過程で同時に求められる角周波数ωを指令値として制御することも可能である。
(第9実施形態)
次に、第9実施形態の非接触給電装置について説明する。第9実施形態の非接触給電装置は、第8実施形態の非接触給電装置に対して、目標値演算部の構成を変更したものである。具体的には、第8実施形態の目標値演算部が位相差目標値と出力電圧目標値を一括して演算するのに対して、角周波数と出力電圧目標値を一括して演算するようにしたものである。
目標値演算部以外の構成及び動作は、第8実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。まず、図37〜図47を参照して目標値演算部の構成及び動作について説明する。
図37に示すように、送電側制御回路961は、位相演算部961aと、結合係数演算部961bと、目標値演算部961cと、補正値演算部961eと、補正部961fと、駆動信号生成部961gとを備えている。
位相演算部961a、結合係数演算部961b、補正値演算部961e及び補正部961fは、第8実施形態の位相演算部861a、結合係数演算部861b、補正値演算部861e、及び補正部861fと同一のブロックである。
目標値演算部961cは、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示すベクトル図に基づいて角周波数相差目標値ωcom及び出力電圧目標値|V1_FF|を演算し出力するブロックである。
ところで、非接触給電装置の各部の電圧ベクトル及び電流ベクトルは、図38に示すような関係を有している。全て、第1実施形態において説明したものと同一のものである。
目標値演算部961cは、車両制御装置から入力される出力電力目標値Pcom、予め設定されている等価インピーダンスR、数36及び数37に基づいて、電圧ベクトルV2の大きさである出力電圧V2及び電流ベクトルI2の大きさである出力電流I2を求める。その結果、図39に示すように、電圧ベクトルV2及び電流ベクトルI2が決まる。
その後、目標値演算部961cは、角周波数ωを所定値に仮設定する。そして、インピーダンスX2と電流I2から、電圧ベクトルX2I2の大きさである電圧X2I2を求める。
図40に示すように、電圧ベクトルX2I2は、電圧ベクトルV2に直交する。図41に示すように、電圧ベクトルE2は、電圧ベクトルV2と電圧ベクトルX2I2のベクトル和である。原点から電圧ベクトルX2I2の終点に至るベクトルが電圧ベクトルE2になる。目標値演算部961cは、電圧V2と電圧X2I2から電圧ベクトルE2の大きさである電圧E2を求める。
その後、目標値演算部961cは、電圧E2及び数26に基づいて、電流ベクトルImの大きさである電流Imを求める。電流ベクトルImは、電圧ベクトルE2と直交する。その結果、図42に示すように、電流ベクトルImが決まる。
図43に示すように、電流ベクトルI1は、電流ベクトルImと電流ベクトルI2のベクトル和である。目標値演算部861cは、電流ベクトルImと電流ベクトルI2から電流ベクトルI1の大きさである電流I1を求める。
図44に示すように、電圧ベクトルE2と大きさが同一で向きが逆である電圧ベクトルE1が決まる。図45に示すように、電圧ベクトルX1I1は、電流ベクトルI1に直交し、その終点が電圧ベクトルE1の終点に至るベクトルである。図46に示すように、電圧ベクトルV1は、原点から電圧ベクトルX1I1の始点に至るベクトルである。目標値演算部961cは、電流I1と電圧X1I1から電圧ベクトルV1の大きさである電圧V1を求めるとともに、位相差θ1を求める。
以降、角周波数ωの値を変え、同様の演算を繰り返す。その結果、図47に示すような、角周波数ωと電流I1の関係が得られる。目標値演算部961cは、電流I1が最小I1minとなる角周波数ωの値ω0を求める。そして、角周波数ω0と角周波数ω0の場合における電圧V1から、角周波数目標値ωcom及び出力電圧目標値|V1_FF|を求める。
図37に示す駆動信号生成部961gは、位相θI、出力電力目標値Pcom、角周波数目標値目標値ωcom及び出力電圧目標値|V1_com|に基づいて、送電回路を制御するための駆動信号を生成し出力するブロックである。
送電側制御回路961は、角周波数目標値ωcom及び出力電圧目標値|V1_FF|等から駆動信号を生成し、角周波数が角周波数目標値ωcomになるとともに、電圧ベクトルV1の大きさが出力電圧目標値|V1_FF|になるように送電回路を制御する。
次に、第9実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第9実施形態によれば、送電側制御回路961は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて電圧ベクトル目標値|V1_FF|を求める。そして、送電回路から出力される交流の電圧ベクトルが電圧ベクトル目標値|V1_FF|になるように送電回路を制御する。そのため、送電回路から出力される交流電圧と交流電流を直接制御することができる。従って、制御に伴う遅れを抑え、応答性を向上させることができる。
第9実施形態によれば、送電側制御回路961は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、受電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX1によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX1I1、及び、送電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスX2によって発生する起電圧を示す電圧ベクトルX2I2を用いて電圧ベクトル目標値|V1_FF|を求める。そのため、電圧ベクトル目標値|V1_FF|をより正確に求めることができる。
第9実施形態によれば、送電側制御回路961は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、角周波数目標値ωcomと出力電圧目標値|V1_FF|を求める。そして、角周波数が角周波数目標値ωcomになるとともに、電圧ベクトルV1の大きさが出力電圧目標値|V1_FF|になるように送電回路を制御する。そのため、送電回路から出力される交流電圧と交流電流をより正確に制御することができる。
第9実施形態によれば、送電側制御回路961は、電流ベクトルI1の大きさが最小になる角周波数を角周波数目標値ωcomにする。そのため、送電回路から出力される電力を抑えることができる。また、第9実施形態において、角周波数目標値ωcomを求める過程で同時に求められる位相差θ1_comを指令値として制御することも可能である。
(第10実施形態)
次に、第10実施形態の非接触給電装置について説明する。第10実施形態の非接触給電装置は、第1実施形態の非接触給電装置に対して、送電回路と送電コイルの間、及び、受電コイルと受電回路の間にイミタンス変換回路を追加したものである。
イミタンス変換回路以外の構成及び動作は、第1実施形態と同一であるため、必要がある場合を除いて説明を省略する。まず、図48〜図51を参照して非接触給電装置1の構成及び動作について説明する。
図48に示すように、非接触給電装置1は、送電回路10と、送電側共振用コンデンサ11と、送電コイル12と、受電コイル13と、受電側共振用コンデンサ14と、受電回路15と、制御回路16とを備えている。さらに、イミタンス変換回路17、18を備えている。送電回路10、送電側共振用コンデンサ11、送電コイル12、受電コイル13、受電側共振用コンデンサ14、受電回路15及び制御回路16は、第1実施形態と同一のものである。
イミタンス変換回路17は、送電回路10と送電コイル12の間に設けられ、イミタンス変換を行う回路である。具体的には、一方の端子対から見たインピーダンスが他方の端子対に接続された回路のアドミタンスに比例する回路である。図49に示すように、イミタンス変換回路17は、リアクトル170、171と、コンデンサ172とを備えている。リアクトル170、171は直列接続されている。リアクトル170の一端はインバータ回路101の一方の出力端に、リアクトル171の一端は送電側共振用コンデンサ11の他端にそれぞれ接続されている。コンデンサ172の一端はリアクトル170、171の直列接続点に、他端はインバータ回路101の他方の出力端及び送電コイル12の他端にそれぞれ接続されている。
図49に示すように、イミタンス変換回路17の入力端の電圧及び電流をVin、Iin、出力端の電圧及び電流をVout、Iout、リアクトル170、171のインダクタンスをLf、コンデンサ172の容量をCfとすると、これらは、数38に示す関係を有している。
図48に示すイミタンス変換回路18は、受電コイル13と受電回路15間に設けられ、イミタンス変換を行う回路である。具体的には、一方の端子対から見たインピーダンスが他方の端子対に接続された回路のアドミタンスに比例する回路である。イミタンス変換回路18は、イミタンス変換回路17と同一構成である。
ところで、送電コイル12及び受電コイル13をT型等価回路で表すと、図50に示すようになる。ここで、リアクトル190は、受電コイル13と結合しない漏れインダクタンスに相当するものである。リアクトル192は、送電コイル12と結合しない漏れインダクタンスに相当するものである。リアクトル191は、送電コイル12と受電コイル13の相互インダクタンスに相当するものである。さらに、図51に示すように、イミタンス変換回路17のリアクトル171と送電側共振用コンデンサ11を、周波数ωにおけるインピーダンスで足し合わせ、等価的なコンデンサ193に置き換えることも可能である。
イミタンス変換回路17、18が設けられることで、送電回路10から出力される出力電圧ベクトルと電流ベクトルの関係を示すベクトル図の構成が、第1実施形態の場合とは異なるものになる。しかし、送電側制御回路161は、第1実施形態の場合と同様に、ベクトル図に基づいて数38に示すイミタンス変換を考慮して、送電回路10を制御する。第1実施形態の場合と同様に、送電回路10から出力される交流電圧と交流電流を直接制御することができる。そのため、制御に伴う遅れを抑え、応答性を向上させることができる。
次に、第10実施形態の非接触給電装置の効果について説明する。
第10実施形態によれば、非接触給電装置1は、送電回路10と送電コイル12の間、及び、受電コイル13と受電回路15の間にイミタンス変換回路17、18を有している。そのため、送電回路10から出力される出力電圧ベクトルと出力電流ベクトルの関係を示すベクトル図が第1実施形態の場合とは異なるものになる。しかし、送電側制御回路161は、第1実施形態の場合と同様に、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて送電回路10を制御する。そのため、イミタンス変換回路17、18を有している場合であっても、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。
なお、第10実施形態では、イミタンス変換回路17、18が、送電回路10と送電コイル12の間、及び、受電コイル13と受電回路15の間にそれぞれ設けられている例を挙げているが、これに限られるものではない。イミタンス変換回路は、送電回路と送電コイルの間、及び、受電コイルと受電回路の間の少なくともいずれかに設けられていていればよい。
第10実施形態の構成は、他の実施形態においても適用することができる。
1・・・非接触給電装置、10・・・送電回路、100・・・送電側整流回路、101・・・インバータ回路、12・・・送電コイル、13・・・受電コイル、15・・・受電回路、150・・・受電側整流回路、16・・・制御回路、161・・・送電側制御回路、163・・・受電側制御回路、CNT1・・・車両制御装置、AC1・・・商用電源、B1・・・車載バッテリ(給電対象)

Claims (16)

  1. 交流が供給されることで磁束を発生する送電コイル(12)と、
    前記送電コイルに接続され、前記送電コイルに交流を供給する送電回路(10)と、
    前記送電回路に接続され、前記送電回路を制御する送電側制御回路(161、261、361、461、561、661、761、861、961)と、
    前記送電コイルに発生した磁束と鎖交することで交流を発生する受電コイル(13)と、
    前記受電コイル及び給電対象に接続され、前記受電コイルから供給される交流を直流に変換して前記給電対象に供給する受電回路(15)と、
    を備えた非接触給電装置において、
    前記送電側制御回路は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて電圧ベクトル目標値を求め、前記送電回路から出力される交流の電圧ベクトルが前記電圧ベクトル目標値になるように前記送電回路を制御することを特徴とする非接触給電装置。
  2. 前記送電側制御回路は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、前記受電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスによって発生する起電圧を示す電圧ベクトル、及び、前記送電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンスによって発生する起電圧を示す電圧ベクトルを用いて前記電圧ベクトル目標値を求めることを特徴とする請求項1に記載の非接触給電装置。
  3. 前記送電側制御回路は、前記送電回路から出力される交流の電圧ベクトルと電流ベクトルの位相差が位相差目標値になるような前記電圧ベクトル目標値を求め、前記送電回路から出力される交流の電圧ベクトルが前記電圧ベクトル目標値になるように前記送電回路を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の非接触給電装置。
  4. 前記送電側制御回路は、前記受電回路から前記給電対象に供給される電力の目標値である出力電力目標値、又は、前記受電回路から前記給電対象に供給される電流の目標値である出力電流目標値に基づいて、前記電圧ベクトル目標値を構成する、電圧ベクトルの大きさの目標値である出力電圧目標値を求めることを特徴とする請求項3に記載の非接触給電装置。
  5. 前記送電側制御回路は、前記出力電力目標値又は前記出力電流目標値、前記送電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンス、前記送電回路から出力される交流の周波数、及び、前記受電コイルのインダクタンスに基づいて前記出力電圧目標値を求めることを特徴とする請求項4に記載の非接触給電装置。
  6. 前記送電側制御回路は、前記送電回路から出力される交流電圧及び交流電流、前記送電回路から出力される交流電圧と交流電流の位相差、前記送電回路から出力される交流の周波数、及び、前記送電コイル及び前記受電コイルのインダクタンスに基づいて前記送電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスを求めることを特徴とする請求項5に記載の非接触給電装置。
  7. 前記送電側制御回路は、前記出力電力目標値と前記受電回路から前記給電対象に供給される電力、又は、前記出力電流目標値と前記受電回路から前記給電対象に供給される電流に基づいて前記出力電圧目標値を補正することを特徴とすることを特徴とする請求項4〜6のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
  8. 前記受電コイル及び前記受電回路に関連する情報であって、前記送電回路の制御に必要な情報を前記送電側制御回路に送信する受電側制御回路(163)を有し、 前記送電側制御回路は、前記受電側制御回路から受信した前記受電コイル及び前記受電回路に関連する情報に基づいて前記送電回路を制御することを特徴とする請求項4〜7のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
  9. 前記送電側制御回路と前記受電側制御回路の間で、前記受電コイルから前記受電回路に供給される電流の位相に関連する情報をやり取りすることを特徴とする請求項8のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
  10. 前記送電回路は、前記送電コイルに接続され、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子をスイッチングさせることで入力された直流を交流に変換して前記送電コイルに供給するインバータ回路(101)を有し、
    前記送電側制御回路は、前記スイッチング素子がターンオンする際に、当該スイッチング素子に流れる電流が0近傍の所定範囲内になるように前記位相差目標値を補正することを特徴とする請求項3〜9のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
  11. 前記送電側制御回路(861)は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、前記送電回路から出力される交流の前記電圧ベクトルと前記電流ベクトルの位相差の目標値である位相差目標値と、前記電圧ベクトルの大きさの目標値である出力電圧目標値とを求め、前記位相差が前記位相差目標値になるとともに、前記電圧ベクトルの大きさが前記出力電圧目標値になるように前記送電回路を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の非接触給電装置。
  12. 前記送電側制御回路は、前記電流ベクトルの大きさが最小になる前記位相差を前記位相差目標値にすることを特徴とする請求項11に記載の非接触給電装置。
  13. 前記送電側制御回路(961)は、電圧ベクトルと電流ベクトルの関係に基づいて、前記送電回路から出力される交流の角周波数の目標値である角周波数目標値と、前記電圧ベクトルの大きさの目標値である出力電圧目標値とを求め、前記角周波数が前記角周波数目標値になるとともに、前記電圧ベクトルの大きさが前記出力電圧目標値になるように前記送電回路を制御することを特徴とする請求項1又は2に記載の非接触給電装置。
  14. 前記送電側制御回路は、前記電流ベクトルの大きさが最小になる前記角周波数を前記角周波数目標値にすることを特徴とする請求項13に記載の非接触給電装置。
  15. 前記送電側制御回路(761)は、前記送電回路の出力電圧及び出力電流、前記送電回路の前記出力電圧と前記出力電流の位相差、前記送電回路の出力の角周波数、及び、前記受電コイルの出力電圧及び出力電流に基づいて、前記受電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンス、前記送電コイルと結合しない漏れインダクタンスを含むインピーダンス、及び、前記送電コイルと前記受電コイルの相互インダクタンスを求めることを特徴とする請求項1〜5、11〜14のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
  16. 前記送電回路と前記送電コイルの間、及び、前記受電コイルと前記受電回路の間の少なくともいずれかにイミタンス変換回路(17、18)を有することを特徴とする請求項1〜15のいずれか1項に記載の非接触給電装置。
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