JP6409532B2 - 非接触受電装置 - Google Patents

Description

この発明は、非接触受電装置に関する。

電気自動車やプラグインハイブリッド自動車などを充電する際に、非接触電力伝送システムを使用することが検討され、一部実用化されつつある。

特開２０１４−１０３７４６号公報（特許文献１）は、非接触受電装置の一例を開示する。この非接触受電装置は、受電用の共振回路と、整流器と、ＤＣ／ＤＣコンバーターと、充電リレーと、バッテリとを含む。この充電リレーは位置合わせ時にはオフ状態に制御され、バッテリへの充電時にオン状態に制御される。そして、この公報に開示された技術では、充電リレーの溶着チェックが実施されている。

特開２０１４−１０３７４６号公報 特開２０１４−０９０６０２号公報 特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報

ここで、例えば、バッテリが満充電となり、車両側から充電ステーション側に送電停止信号を送信したときに、送電装置の異常や周囲の環境に起因した通信の障害などにより、送電が停止されない可能性がある。この場合、受電装置は、送電される限り電力を受電してしまい、バッテリに電力が供給されてしまう。そこで、充電リレーをオフ状態に切り替えることが考えられる。しかし受電中は、充電リレーには大電流が流れている可能性がある。大電流が流れているときにリレーを遮断すると、リレーが溶着する可能性があるため、溶着を防止する必要がある。

また、充電リレーを遮断するとバッテリは保護されるが、整流器やＤＣ／ＤＣコンバータには受電電力が印加され続けてしまう。このような非常停止時には整流器やＤＣ／ＤＣコンバータも保護されることが望ましい。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、受電装置の保護が図られるとともに、リレーの溶着が防止された非接触受電装置を提供することである。

この発明は、要約すると、非接触受電装置であって、送電装置から非接触で電力を受電する受電部と、バッテリと、受電部からバッテリに至る送電経路上に直列に設けられたインピーダンス調整部および遮断リレーと、インピーダンス調整部および遮断リレーを制御する制御部とを備える。制御部は、受電部で受電した電力によってバッテリへ充電中に遮断リレーを切断する場合には、遮断リレーを切断する前にインピーダンス調整部を作動させて受電部における受電電力を低減させる。

受電電力が低減すると、遮断リレーに流れる電流も減少するので、充電中にそのまま遮断リレーを遮断するよりも遮断リレーにおいて溶着が発生しにくくなる。したがって、遮断リレーの故障の発生確率が低減する。

好ましくは、非接触受電装置は、通信部をさらに備える。制御部は、バッテリの充電状態がしきい値以上となった場合、送電を停止するように通信部から送電装置に停止信号を送信し、停止信号を送信した後に、受電電力が判定値より小さくならないことを検知したときには、受電電力を低減させるようにインピーダンス調整部を調整した後に、遮断リレーを切断する。

制御部から送電装置に通信部を介して送電停止要求を出力すれば、正常時には送電装置が送電を停止する。このような場合に送電装置の故障や通信障害などによって送電が停止されなかったときの非常停止においても、遮断リレーの溶着防止を図ることができる。

好ましくは、インピーダンス調整部は、電圧を変更するコンバータを含む。非接触受電装置は、送電経路上に設けられた整流器をさらに備える。遮断リレーは、整流器およびコンバータよりも受電部側に配置される。

このような位置に遮断リレーを配置することによって、送電が停止されない場合に、バッテリに加えて整流器およびコンバータについても、過電流または過電圧から保護することができる。

好ましくは、制御部は、バッテリへ充電中に遮断リレーを切断する場合には、遮断リレーを切断する前に送電経路のインピーダンスを増大させるようにインピーダンス調整部を作動させて受電部における受電電力を低減させる。

インピーダンスを増大させるようにインピーダンス調整部を制御すると、インピーダンスを減少させるようにするよりも、送電装置に過電圧および過電流が発生せずに済む可能性が高まる。

本実施の形態に係る非接触電力伝送システムの構成を説明するための図である。 送電装置から見た受電装置のインピーダンスについて説明するための図である。 車両の制御部５００が実行する電力遮断の制御を説明するためのフローチャートである。

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り返さない。

図１は、本実施の形態に係る非接触電力伝送システムの構成を説明するための図である。

図１を参照して、非接触電力伝送システム１は、車両１０と、送電装置９０とによって構成される。非接触電力伝送システム１において、送電装置９０から車両１０へ、非接触電力伝送が行なわれる。非接触電力伝送は、送電装置９０に含まれる送電部７００と、車両１０に搭載された受電部１００とを介して行なわれる。

まず、非接触電力伝送システム１のうち、車両１０について説明する。車両１０は、受電装置１２０と、システムメインリレー（ＳＭＲ）３１０と、動力生成装置４００とを含む。

受電装置１２０は、受電部１００と、遮断リレー１１０と、整流器１１２と、コンバータ１１４と、充電リレー２１０と、バッテリ３００とを含む。受電部１００は、送電部７００から出力される交流電力を非接触で受電するための受電コイル１０２とコンデンサ１０４，１０６とを含む。受電コイル１０２とコンデンサ１０４，１０６とは共振回路を構成する。共振の強度を示すＱ値は１００以上であることが好ましい。

受電部１００が受電した電力は、遮断リレー１１０を経由して整流器１１２に出力される。整流器１１２は、交流電力を整流する。整流器１１２によって整流された電力は、コンバータ１１４に出力される。

コンバータ１１４は、整流器１１２で直流に変換された受電電力の電圧を変換する。コンバータ１１４で電圧変換された直流電力はバッテリ３００の充電電力として出力される。

コンバータ１１４とバッテリ３００との間には、充電リレー２１０が設けられる。充電リレー２１０は、送電装置９０からの電力によってバッテリ３００を充電するときに導通状態（ＯＮ）とされる。

バッテリ３００は、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成される。バッテリ３００の電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。

動力生成装置４００は、バッテリ３００に蓄えられた電力を用いて車両１０の走行駆動力を発生する。特に図示しないが、動力生成装置４００は、たとえば、バッテリ３００から電力を受けるインバータ、インバータによって駆動されるモータ、モータによって駆動される駆動輪などを含む。なお、動力生成装置４００は、バッテリ３００を充電するための発電機と、その発電機を駆動可能なエンジンとを含んでもよい。

受電装置１２０は、制御部である車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００と、報知装置５２０とをさらに含む。一例として、車両ＥＣＵ５００は、車両１０の走行制御や、バッテリ３００の充電制御を実行する。報知装置５２０はユーザインタフェイスであり、たとえばバッテリ３００の充電の進行状況などを車両ユーザに報知するために用いられる。報知装置５２０には、画像や映像に加えて、または代えて、音や音声を出力してもよい。

車両ＥＣＵ５００は、送電装置９０によるバッテリ３００の充電時には、通信部５１０を用いて送電装置９０の通信部８１０と通信を行ない、受電の開始／停止や車両１０の受電状況などの情報を後述の電源ＥＣＵ８００とやり取りする。

次に、非接触電力伝送システム１のうち、送電装置９０について説明する。送電装置９０は、外部電源９００と、通信部８１０と、電源部６００と、フィルタ回路６１０と、送電部７００とを含む。

電源部６００は、商用系統電源などの外部電源９００から電力を受け、所定の伝送周波数を有する交流電力を発生する。発生した交流電力は、フィルタ回路６１０に出力される。

フィルタ回路６１０は、電源部６００から発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路６１０は、たとえば、インダクタおよびキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。

フィルタ回路６１０によって高調波ノイズが抑制された交流電力は、送電部７００へ出力される。

送電部７００は、受電部１００へ非接触で送電するための送電コイル７０２およびコンデンサ７０４，７０６を含む。送電部７００は、伝送周波数を有する交流電力を、送電部７００の周囲に生成される電磁界を介して、車両１０の受電部１００へ非接触で送電する。

送電コイル７０２とコンデンサ７０４，７０６とは共振回路を構成する。共振の強度を示すＱ値は１００以上であることが好ましい。

電源ＥＣＵ８００は、伝送周波数を有する交流電力を電源部６００が生成するように、電源部６００のスイッチング制御を行なう。

なお、電源ＥＣＵ８００は、車両１０への送電時には、通信部８１０を用いて車両１０の通信部５１０と通信を行ない、充電の開始／停止や車両１０の受電状況などの情報を車両１０とやり取りする。

このような構成の非接触電力伝送システム１において、例えば、バッテリ３００が満充電となり、車両１０から送電装置９０に送電停止信号を送信したときに、送電装置９０などの異常や周囲の環境に起因した通信の障害などにより、送電が停止されない可能性がある。この場合、受電部１００は、送電部７００から送電される限り電力を受電してしまい、バッテリ３００に電力が供給されてしまう。そこで、充電リレー２１０をオフ状態に切り替えることが考えられるが、充電リレー２１０に大きな電圧が印可されている状態で充電リレー２１０を切断すると、充電リレー２１０が溶着する可能性がある。

そこで、本実施の形態においては、受電中に充電リレー２１０をＯＦＦにする前に、インピーダンス整合器で送電部７００と受電部１００とのインピーダンスが不整合な状態となるようにする。これにより、受電部１００が受電する受電電圧を低減することができ、充電リレーに印可される電圧を低減することができる。そして、充電リレー２１０をＯＦＦにすることで、充電リレー２１０が溶着することを抑制することができる。なお、本実施の形態においては、受電電力を小さくするために、本実施の形態では受電装置のインピーダンスをコンバータ１１４によって変化させることによって、受電電力を調整する。

本実施の形態では、遮断リレー１１０を受電部１００と整流器１１２との間に設けて、非常停止時には遮断リレー１１０で電力を遮断して整流器１１２やコンバータ１１４にも受電電力が印加されないようにした。これにより、遮断リレー１１０で電力を遮断した後には、バッテリ３００に加えて整流器１１２やコンバータ１１４の保護も図ることができる。

図２は、送電装置から見た受電装置のインピーダンスについて説明するための図である。受電装置のインピーダンスＺは、コンバータ１１４によって適切な値に調整される。図２において、領域Ａ２は、インピーダンスＺが適切に調整された領域であり、この領域Ａ２では、送電装置９０は、最大電力が出力可能である。領域Ａ１は、適切な領域Ａ２よりもインピーダンスＺが小さい領域であり、領域Ａ２は、適切な領域Ａ２よりもインピーダンスＺが大きい領域である。

送電装置９０の電源ＥＣＵ８００は、車両側から通信部８１０を介して要求された電力を送電するように電源部６００を制御する。一方車両側では、コンバータ１１４は、整流器１１２側の電圧とバッテリ３００の電圧との差が指定された値となるように電圧を調整することができる。バッテリ３００の電圧は急変することはないので、これは、受電部１００の受電電圧をコンバータ１１４が変えられることを意味する。

送電装置９０は、電力Ｐを指定された値に保つように制御されている。受電電圧Ｖが低い状態で電力Ｐを変えずに送電しようとするとその分電流Ｉを増やす必要がある。逆に受電電圧Ｖが高い状態で電力Ｐを変えずに送電しようとするとその分電流Ｉを減らす必要がある。送電装置９０から見た受電装置１２０のインピーダンスＺは、受電電圧Ｖ、送電電力Ｐとすると、Ｚ＝Ｖ^２／Ｐで表される。Ｐを一定とすると、コンバータ１１４が受電電圧Ｖを下げるとインピーダンスは小さくなり、コンバータ１１４が受電電圧Ｖを上げるとインピーダンスは大きくなる。

そこで、インピーダンスＺを領域Ａ１またはＡ３にずらすようにコンバータ１１４を制御すれば、車両側で受電電力を低くすることができる。一般に、送電装置９０にも過電流または過電圧時に送電電力を低減させる保護機能が内蔵されている。このため、領域Ａ１にインピーダンスＺがずらされると、過電流からの保護のために送電装置９０は最大電力を出力せずに電力を低下させる。また、領域Ａ３にインピーダンスＺがずらされると、過電圧からの保護のために送電装置９０は最大電力を出力せずに電力を低下させる。

好ましくは、図２に示すように、コンバータ１１４でインピーダンスＺを大きくなる方向の領域Ａ３にずらす。領域Ａ３は、受電電圧Ｖが大きくなる方向である。受電電圧Ｖは電源部６００の送電電圧が高いと高くなるが、送電電圧にも外部電源９００によって定まる上限がある。したがって、送電装置の過電圧保護が働く前に外部電源９００の上限によって送電電力が低下し、送電装置に過電圧保護が働くような過電圧がかからないで済む可能性がある。

図３は、車両の制御部５００が実行する電力遮断の制御を説明するためのフローチャートである。図１、図３を参照して、このフローチャートの処理が開始されると、制御部５００は、ステップＳ１においてバッテリ３００の充電状態ＳＯＣが目標値に到達したか、またはユーザーの操作により送電の停止が要求されたかなどの送電停止条件が成立したか否かを判断する。ステップＳ１においていずれの送電停止条件も成立していなければ（Ｓ１でＮＯ）、ステップＳ７に進められて処理はメインルーチンに戻される。

一方、ステップＳ１においていずれかの送電停止条件が成立した場合（Ｓ１でＹＥＳ）、ステップＳ２に処理が進められる。制御部５００は、ステップＳ２において、通信部５１０を経由して送電装置９０に送電停止を要求する。

続いてステップＳ３において、制御部５００は、送電装置９０からの送電停止によって受電装置１２０の受電電力がゼロになったか否かを判断する。例えば、受電部１００からバッテリ３００に至る充電経路の電圧または電流をセンサーでモニターしておき、このモニター値が電力ゼロを示す場合に、制御部５００は受電電力がゼロになったと判断する。具体的には、受電電力がゼロに近い判定値より小さくなったことを検知したときに受電電力がゼロになったと判断し、受電電力が判定値より小さくならないことを検知したときには受電電力がゼロにならないと判断する。

ステップＳ３において、受電電力がゼロにならない場合（Ｓ２でＮＯ）、ステップＳ４に処理が進められる。ステップＳ４では、制御部５００は、コンバータ１１４によって受電電圧を変更させることによって、受電装置１２０のインピーダンスＺを変更する。図２に示したように、インピーダンスＺは、通常の領域Ａ２から小さい方向にずらした領域Ａ１または大きい方向にずらした領域Ａ３に設定される。好ましくは、インピーダンスＺは、領域Ａ３にずらされる。

ステップＳ４において、インピーダンスＺが変更されると、送電装置９０から送電される電力が最大電力よりも小さくなる。このため、遮断リレー１１０に流れる電流も低下する。この状態でステップＳ５において制御部５００は遮断リレー１１０を遮断する。このような制御を行なうことによって、遮断リレー１１０の遮断時の溶着が発生しにくくなる。

一方、ステップＳ３において、送電停止要求に応じて送電装置９０が送電を停止し、受電電力がゼロとなった場合（Ｓ３でＹＥＳ）、ステップＳ６に処理が進められ遮断リレー１１０を遮断せずに充電リレー２１０を遮断し、ステップＳ７において制御がメインルーチンに戻される。または、ステップＳ３から破線矢印に示すように、ステップＳ５に処理が進められ、遮断リレー１１０を遮断してからステップＳ７で充電リレー２１０を遮断してもよい。

なお、ステップＳ３でコンバータ１１４によってインピーダンスＺを変える際に、急に変化させるのではなく、段階的に変化させたり徐々に変化させてもよい。このようにすることによって、送電装置９０中の反射電力の急増防止を図ることができ、送電装置９０の保護が図られる。

最後に、再び図１等を参照して、本実施の形態について総括する。本実施の形態の受電装置１２０は、送電装置９０から非接触で電力を受電する受電部１００と、バッテリ３００と、受電部１００からバッテリ３００に至る送電経路上に直列に設けられたインピーダンス調整部および遮断リレー１１０と、インピーダンス調整部および遮断リレー１１０を制御する制御部５００とを備える。制御部５００は、受電部１００で受電した電力によってバッテリ３００へ充電中に遮断リレー１１０を切断する場合には、遮断リレー１１０を切断する前にインピーダンス調整部を作動させて受電部１００における受電電力を低減させる。インピーダンス調整部は、図１ではコンバータ１１４が該当するが、インピーダンスを変更できるものであれば、整合器などの他の構成のものであってもよい。

受電電力が低減すると、遮断リレー１１０に流れる電流も減少するので、充電中にそのまま遮断リレー１１０を遮断するよりも遮断リレー１１０において溶着が発生しにくくなる。したがって、遮断リレー１１０の故障の発生確率が低減する。

好ましくは、受電装置１２０は、通信部５１０をさらに備える。制御部５００は、バッテリ３００の充電状態がしきい値以上となった場合、送電を停止するように通信部５１０から送電装置９０に停止信号を送信し（図３のＳ１）、停止信号を送信した後に、受電電力が判定値より小さくならないことを検知したときには（図３のＳ２でＮＯ）、受電電力を低減させるようにインピーダンス調整部を調整した後に（図３のＳ３）、遮断リレー１１０を切断する（図３のＳ４）。

好ましくは、受電装置１２０は、送電経路上に設けられた整流器１１２をさらに備える。遮断リレー１１０は、整流器１１２およびコンバータ１１４よりも受電部１００側に配置される。

このような位置に遮断リレー１１０を配置することによって、送電が停止されない場合にバッテリ３００に加え、整流器１１２およびコンバータ１１４も過電流または過電圧から保護することができる。

好ましくは、制御部５００は、バッテリ３００へ充電中に遮断リレー１１０を切断する場合には、遮断リレー１１０を切断する前に送電経路のインピーダンスを増大させるようにインピーダンス調整部を作動させて受電部１００における受電電力を低減させる。

図２に示したように、コンバータ１１４でインピーダンスＺを増加させる方向の領域Ａ３にずらすと、受電電圧Ｖは高くなる。受電電圧Ｖは電源部６００の送電電圧が高いと高くなるが、送電電圧にも外部電源９００によって定まる上限があるので、過電圧保護が働く前に電力低下し、送電装置に過電圧をかけないですむ可能性がある。

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。

１ 非接触電力伝送システム、１０ 車両、９０ 送電装置、１００ 受電部、１０２ 受電コイル、１０４，１０６，７０４，７０６ コンデンサ、１１０ 遮断リレー、１１２ 整流器、１１４ コンバータ、１２０ 受電装置、２１０ 充電リレー、３００ バッテリ、４００ 動力生成装置、５００ 車両ＥＣＵ、５１０，８１０ 通信部、５２０ 報知装置、６００ 電源部、６１０ フィルタ回路、７００ 送電部、７０２ 送電コイル、９００ 外部電源、８００ 電源ＥＣＵ。

Claims (4)

1. 送電装置から非接触で電力を受電する受電部と、
   バッテリと、
   前記受電部から前記バッテリに至る送電経路上に直列に設けられたインピーダンス調整部および遮断リレーと、
   前記インピーダンス調整部および前記遮断リレーを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記受電部で受電した電力によって前記バッテリを充電中に前記遮断リレーを切断する場合には、前記遮断リレーを切断する前に前記インピーダンス調整部を作動させて前記受電部における受電電力を低減させる、非接触受電装置。
2. 通信部をさらに備え、
   前記制御部は、前記バッテリの充電状態がしきい値以上となった場合、送電を停止するように前記通信部から前記送電装置に停止信号を送信し、前記停止信号を送信した後に、前記受電電力が判定値より小さくならないことを検知したときには、前記受電電力を低減させるように前記インピーダンス調整部を調整した後に、前記遮断リレーを切断する、請求項１に記載の非接触受電装置。
3. 前記インピーダンス調整部は、電圧を変更するコンバータを含み、
   非接触受電装置は、
   前記送電経路上に設けられた整流器をさらに備え、
   前記遮断リレーは、前記整流器および前記コンバータよりも前記受電部側に配置される、請求項１および２に記載の非接触受電装置。
4. 前記制御部は、前記バッテリへ充電中に前記遮断リレーを切断する場合には、前記遮断リレーを切断する前に前記送電経路のインピーダンスを増大させるように前記インピーダンス調整部を作動させて前記受電部における受電電力を低減させる、請求項１に記載の非接触受電装置。

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