JP6686471B2

JP6686471B2 - 車両用受電装置

Info

Publication number: JP6686471B2
Application number: JP2016013329A
Authority: JP
Inventors: 勝忠弓削; 寛康山下
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2016-01-27
Filing date: 2016-01-27
Publication date: 2020-04-22
Anticipated expiration: 2036-01-27
Also published as: JP2017135837A

Description

この発明は、車両の外部に設けられた給電設備から、走行用又は充電用の電力を受電するために車両側に設けられる車両用受電装置に関する。

近年、車両の外部（路面等）に設けられた給電設備から電力を受電して、この電力で車両を走行したり、車両に搭載されたバッテリを充電したりする技術の開発が進められている。例えば、特許文献１に示す構成においては、ドライバのアクセルペダルの踏み込み量（要求トルク）及び車速に対応してモータトルクが決定され、このモータトルクに対応して、車両に設けられた複数のバッテリ及び外部（給電設備）からの電力の配分が決定される（本文献の段落００７４〜００７７、図７参照）。

車両からの要求電力が、各バッテリと外部からの電力を合計した出力可能電力よりも大きい場合は、要求電力が出力可能電力まで制限された上で、各バッテリと外部から供給可能な最大の電力がモータに供給される。その一方で、要求電力が、出力可能電力の範囲内のときは、その要求電力が出力電力となる。このとき、外部から給電可能な最大電力が供給される。そして、電力の不足があれば均等に各バッテリから出力され、余った分があれば各バッテリに均等に電力が充電される（本文献の段落００８２〜００９０、図９参照）。

特許第４４８８０９０号公報

特許文献１に示す構成においては、給電設備から受電ユニットに供給される電力は、給電設備の送電能力（送電可能電力）と受電ユニットの受電能力（受電可能電力）のみによって決まり（本文献の段落００８３に記載の式（３）参照）、バッテリの充電状態等には何ら関係はない。ドライバの中には、給電設備から電力の供給を積極的に受けて、バッテリの電力をできるだけ温存したいと考える人がいる一方で、コストの面で相対的に割高となる可能性のある給電設備からの電力による走行及び充電をできるだけ避けて、自宅において相対的に割安となる可能性のある深夜電力等を利用して充電を行いたいと考える人もいる。ところが、常に給電設備からの電力供給を中心に行う上記の構成では、コストを重視するドライバの要望には十分に応えられていないのが現状である。

そこで、この発明は、バッテリの充電状態に対応して、車両の外部に設けられた給電設備からの受電量を調節可能とすることを課題とする。

上記課題を解決するために、この発明においては、車両の外部に設置された給電設備から電力を受電する受電手段と、前記車両に搭載されたバッテリの充電率を検知する充電率検知手段と、前記車両が前記受電手段を介して前記給電設備に要求する要求電力量と、前記車両の駆動に必要な必要駆動電力量との比率である受電係数を、前記充電率検知手段による検知結果に基づいて決定する充電能力制御手段と、を備えた車両用受電装置を構成した。

前記構成においては、前記充電能力制御手段が、前記検知結果が既定の第一充電率以上のときに、前記受電係数を設定可能な範囲の最小値とする一方で、前記検知結果が前記第一充電率よりも小さい既定の第二充電率以下のときに、前記受電係数を設定可能な範囲の最大値とする制御を行なう構成とするのが好ましい。

上記のように、第一充電率と第二充電率を既定した構成においては、前記充電能力制御手段が、前記検知結果が前記第一充電率よりも小さく、かつ、前記第二充電率よりも大きいときに、前記最小値と前記最大値との間の範囲内で前記充電率が高いほど前記受電係数が小さくなるように調節する制御を行なう構成とするのが好ましい。

さらにこの構成においては、前記検知結果が前記第一充電率よりも小さく、かつ、前記第二充電率よりも大きいときに、前記充電能力制御手段が前記最小値と前記最大値との間の範囲内で調節する前記受電係数は、前記要求電力量が前記給電設備により出力可能な最大電力量未満となる値を最大とする構成とすることができる。

また、第一充電率と第二充電率を既定した構成においては、前記充電率検知手段による検知結果が、前記第一充電率よりも小さく前記第二充電率よりも大きいときに、前記受電係数をドライバの操作によって手動設定可能とした構成とすることができる。

また、受電係数を最小値と最大値との間の範囲内で調節する構成においては、前記充電能力制御手段が、前記車両が既定目標とする充電率である目標充電率から、実際の充電率である実充電率を差し引いた差分を計算し、この差分が大きいほど前記受電係数を大きくし、前記差分が小さいほど前記受電係数を小さくする補正制御を行なう構成とすることもできる。

前記各構成においては、前記充電能力制御手段は、前記必要駆動電力量が前記給電設備により出力可能な最大電力量以下であるときに、前記受電係数を前記充電率検知手段による検知結果に基づいて決定するようにすることもできる。

この発明に係る車両用受電装置を採用することにより、バッテリの充電状態に対応して、車両の外部に設けられた給電設備からの受電量を調節可能とすることができる。このため、給電設備の代わりに、自宅での割安な深夜電力でバッテリを充電する等のドライバの選択の幅が広がり、給電設備から最大受電量を常時受電する場合と比較して、走行コストを低下させるとともに、ドライバの満足度を向上することが可能となる。

この発明に係る車両用受電装置を備えた車両の一例を示す概略図給電設備から車両への給電の態様を示す概略図であり、（ａ）（ｂ）は無線方式、（ｃ）は有線方式要求電力量のレベル設定の手順を示すフローチャート給電時における電力の流れを示す図であって、（ａ）はレベル１〜３のときの状態、（ｂ）はレベル４のときの状態、（ｃ）はレベル５のときの状態、（ｄ）は車両が停車しているときの状態

この発明に係る車両用受電装置１０を備えた車両１の概略図を図１に示す。ここでは、車両１として電気自動車を例示しているが、この車両用受電装置１０は、プラグインハイブリッド車のように、バッテリに充電された電力でモータを駆動するタイプの車両に幅広く適用することができる。この車両１には、車両用受電装置１０の他、バッテリ２０、モータ２１、車輪２２、交流／直流コンバータ２３、直流／直流コンバータ２４、インバータ２５が設けられている。この車両１においては、車両１の前後輪側それぞれにモータ２１等を設けた構成としたが、単独のモータ２１で全ての車輪２２を駆動する構成とすることもできる。

バッテリ２０は、給電設備Ｆ（図２参照）から供給される電力とともに、モータ２１を駆動する駆動電源の一つとして機能する。バッテリ２０からの電力は、直流／直流コンバータ２４及びインバータ２５を介してモータ２１に送られる。この直流／直流コンバータ２４は省略することも可能である。

受電装置１０とバッテリ２０との間には、交流／直流コンバータ２３が設けられている。この交流／直流コンバータ２３を設けることにより、交流電流として給電設備Ｆから受電装置１０に供給された電力を直流電流に変換して、バッテリ２０に充電することができる。なお、給電設備Ｆと受電装置１０が送電アームＬによって直接接続され、直流電流が受電装置に供給される場合は、この交流／直流コンバータ２３を省略することができる。

給電設備Ｆから受電装置１０に供給された電力は、バッテリ２０を経由することなく、交流／直流コンバータ２３、直流／直流コンバータ２４及びインバータ２５を介して、モータ２１に直接送ることもできる。

車両用受電装置１０は、受電手段１１、充電率検知手段１２、及び、充電能力制御手段１３を主要な構成要素としている。

受電手段１１は、図２に示すように車両１の外部に設置された給電設備Ｆ（給電レーン）から電力を受電する機能を有している。図１に示した車両においては、コイル式の受信アンテナを採用している。図２（ａ）（ｂ）に示す無線方式の給電設備Ｆにおいては、車両用受電装置１０と対向するように、コイル状の送信アンテナＡ１、Ａ２が設置されている。車両１が給電設備Ｆの傍を通過すると、車両用受電装置１０内の受電手段１１（受信アンテナ）側に誘導電流が生じ、給電設備Ｆから車両用受電装置１０に電力が送られる。

上記のように、給電設備Ｆと車両用受電装置１０との間の電力のやり取りを無線で行う代わりに、図２（ｃ）に示す有線方式とすることもできる。この有線方式においては、給電設備Ｆと車両用受電装置１０との間に、導体からなる送電アームＬや送電線を設けられており、この送電アームＬ等を介して、給電設備Ｆから車両用受電装置１０に電力が送られる。

なお、図１及び図２に記載した車両１内における車両用受電装置１０の位置は例示であって、給電設備Ｆに設けられた送信アンテナＡ１、Ａ２や送電アームＬ等の位置に対応して、適宜変更することができる。

充電率検知手段１２は、バッテリ２０に接続されており、バッテリ２０の充電率（ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）を検知する機能を有している。この充電率検知手段１２として、例えば電圧計を採用することができる。

充電能力制御手段１３は、必要駆動電力量Ｘが給電設備Ｆにより出力可能な最大電力量以下であるときに、受電手段１１を介して車両１が要求する要求電力量Ｚと、車両１の駆動に必要な必要駆動電力量Ｘとの比率である受電係数ａを、充電率検知手段１２による検知結果に基づいて決定する機能を有している。必要駆動電力量Ｘは、ドライバのアクセル踏み込み量や車速等によって決まる。要求電力量Ｚ、必要駆動電力量Ｘ、及び、受電係数ａの間には「要求電力量Ｚ＝受電係数ａ×必要駆動電力量Ｘ」の関係が成立している。

図１に示した車両１の概略図においては、充電率検知手段１２と充電能力制御手段１３を別部品として記載したが、車両１全体の制御を行なう電子制御ユニットの中に、これらを組み込んだ構成としてもよい。

充電率検知手段１２によって、バッテリ２０が十分充電されていることが検知されたとき（バッテリ２０の充電率が、既定の「第一充電率」（例えば、満充電状態に対する充電率が９０％）以上のとき）は、受電係数ａを設定可能な範囲の最小値とする一方で、バッテリ２０の充電が不十分であることが検知されたとき（バッテリ２０の充電率が、前記第一充電率よりも小さい「第二充電率」（例えば、満充電状態に対する充電率が２５％）以下のとき）は、受電係数ａを設定可能な範囲の最大値とする。なお、ここで挙げた第一充電率及び第二充電率の数値は一例であって、これに限定されない。

この受電係数ａを最小値と最大値の間でステップ状に変化させることにより、ステップごとに要求電力量Ｚのレベルの振り分けを行うことができる。そのレベルの振り分けの一例を表１に示す。

表１に示した例においては、要求電力量Ｚのレベルは０から５の６段階に振り分けられている。レベル０は受電係数ａ＝０のときに、レベル１は受電係数ａ＝０．２５のときに、レベル２は受電係数ａ＝０．５のときに、レベル３は受電係数ａ＝０．７５のときに、レベル４は受電係数ａ＝１のときに、レベル５は受電係数ａ＝１．２５のときに、それぞれ対応する。

レベル０（受電係数ａ＝０（最小値））においては、要求電力量Ｚ＝０となる。このとき、給電設備Ｆから車両用受電装置１０への電力供給は行なわれず、バッテリ２０からモータ２１に、走行用の電力が供給される。

レベル１〜３（受電係数ａ＝０．２５〜０．７５）においては、「要求電力量Ｚ＜必要駆動電力量Ｘ」の関係が成立している。このため、給電設備Ｆから車両用受電装置１０への電力供給のみでは走行用の電力が不足し、この不足電力はバッテリ２０から供給される。

レベル４（受電係数ａ＝１）においては、「要求電力量Ｚ＝必要駆動電力量Ｘ」の関係が成立している。このため、給電設備Ｆから車両用受電装置１０への電力供給のみによって走行用の電力が賄われる。

レベル５（受電係数ａ＝１．２５（最大値））においては、「要求電力量Ｚ＞必要駆動電力量Ｘ」の関係が成立している。このため、給電設備Ｆから車両用受電装置１０への電力供給によって走行用の電力を賄うことができるとともに剰余電力が生じる。この剰余電力は、バッテリ２０に充電される。この受電係数ａの最大値１．２５は、給電設備Ｆと車両用受電装置１０との間の電力伝達効率を考慮した給電可能最大電力量Ｙに基づいて決定される。

このように、受電係数ａを可変とし要求電力量Ｚをレベル分けして、レベル設定を可能とすることによって、必要に応じて給電設備Ｆから車両用受電装置１０への供給電力量を調節することが可能となる。

例えば、バッテリ２０が十分充電されていてそれ以上充電する必要がないときには、給電設備Ｆからの電力供給を極力遮断してバッテリ２０の電力のみで車両１を走行し、給電のための余計なコストが発生するのを防止することができる。その一方で、バッテリ２０の充電が不十分なときは、給電設備Ｆから電力供給を受けて車両１を走行するとともに速やかにバッテリ２０の充電を行い、車両１の走行に支障を来たすことがないようにすることができる。

このレベル設定は、充電率検知手段１２で検知したバッテリ２０の充電率に応じて、充電率が高いほど低いレベルとすることが考えられる。また、充電率に加えて、アクセル開度、車速等に基づいて、車両１側で自動的にレベル設定を行うことができるが、ドライバの操作によって、手動設定し得るようにすることもできる。このようにすれば、ドライバの意思に対応して、給電設備Ｆから電力の供給を受けて走行したり、バッテリ２０を充電したりすることができ、ドライバの満足度を一層向上することができる。

この受電係数ａは、上記のように最小値と最大値の間でステップ状に変化させてもよいが、連続的に変化させることもできる。このようにすれば、給電設備Ｆからの電力供給やバッテリ２０の充電等の制御を、バッテリ２０の充電状態や車両１の走行状態に対応して一層適切に行うことができる。

この受電係数ａに対し、バッテリ２０の充電率に対応した補正を加えるようにしてもよい。例えば、車両のタイプ（プラグインハイブリッド車、電気自動車等）ごとに目標とする充電率である目標充電率Ｃｔを既定し（例えば、プラグインハイブリッド車の場合、Ｃｔ＝３０％とし、電気自動車の場合、プラグインハイブリッド車よりも高めのＣｔ＝５０％とする等）、この目標充電率Ｃｔから実際の充電率である実充電率Ｃａを差し引いた差分Ｃｔ−Ｃａを計算する。

そして、この差分Ｃｔ−Ｃａが大きい（バッテリ２０が目標充電率Ｃｔに対して十分充電されていない）ほど受電係数ａの値を大きくする補正を行う。その一方で、この差分Ｃｔ−Ｃａが小さい（バッテリ２０が目標充電率Ｃｔに対して十分充電されている）ほど受電係数ａの値を小さくする補正を行う。この補正量の具体的な値は、給電レベル（レベル０からレベル５）ごとにマップとして予め用意しておく。

このように、車両のタイプごとに目標充電率Ｃｔを既定し、受電係数ａに補正を加えることにより、例えば、バッテリの充電率が低下してもエンジンの駆動によって充電が可能なプラグインハイブリッド車は、低充電率となるまでバッテリでの走行を許容し、バッテリの電力のみで駆動する電気自動車は、充電不足によって走行不能となるのを防止するためにバッテリの充電率が低くなり過ぎるのを防止する等、車両のタイプに応じた適切なレベル設定（給電設備Ｆからの供給電力量の調節）を行うことができる。

上記の表１に示すように要求電力量Ｚをレベル分けしたときにおけるレベル設定の手順を示すフローチャートを図３に示す。

この手順においては、車両１が、給電設備Ｆが設置された給電レーンを走行しているか否かについて初めに判断される（本図中のステップＳ１参照）。この判断は、例えば、車両用受電装置１０の受電手段１１における起電力の発生の有無等を検知手段（図１等には図示せず）で検知することによって行なわれる。

車両１が給電レーンを走行していないと判断された場合は（ステップＳ１のＮＯ側）、給電設備Ｆからの電力供給を受けることはできない。このため、レベル０に設定して車両用受電装置１０を停止状態とする（本図中のステップＳ２参照）。レベル設定が終了したら、リターン処理によって一連の手順が最初から繰り返される（本図中のステップＳ３参照）。

その一方で、車両１が給電レーンを走行していると判断された場合は（ステップＳ１のＹＥＳ側）、バッテリ２０の充電率が第一充電率以上か否かについて判断される（本図中のステップＳ４参照）。この判断は、車両１に搭載された充電率検知手段１２でバッテリ２０の充電率を検知することによって行なわれる。

充電率が第一充電率以上のときは（ステップＳ４のＹＥＳ側）、レベル０に設定して車両用受電装置１０を停止状態とする（本図中のステップＳ５参照）。このように、レベル０に設定することで、モータ２１がバッテリ２０の電力のみで駆動され、給電設備Ｆからの電力供給に伴う受電コストを削減することができる。レベル設定が終了したら、リターン処理によって一連の手順が最初から繰り返される（本図中のステップＳ３参照）。

その一方で、充電率が第一充電率よりも小さいときは（ステップＳ４のＮＯ側）、この充電率が第二充電率以下か否かについて判断される（本図中のステップＳ６参照）。この判断も、上記のステップＳ４のときと同様に、充電率検知手段１２でバッテリ２０の充電率を検知することによって行なわれる。

充電率が第二充電率以下のときは（ステップＳ６のＹＥＳ側）、レベル５に設定されて、給電設備Ｆから車両用受電装置１０への電力供給が行なわれる（本図のステップＳ７参照）。このように、レベル５に設定することで、モータ２１を給電設備Ｆからの電力供給によって駆動しつつ、モータ２１の駆動後の剰余電力によって、バッテリ２０の充電を行うことができる。これにより、バッテリ２０の充電率を回復して、長距離の走行を可能とすることができる。

第一充電率及び第二充電率の値は適宜決めることができるが、例えば、バッテリ２０の満充電状態に対し、第一充電率を９０％、第二充電率を２５％とすることができる。これらの充電率の設定値を大きくするほど、バッテリ２０に充電された電力を温存しつつ、給電設備Ｆからの電力供給によって走行する傾向が高まる一方で、これらの充電率の設定値を小さくするほど、給電設備Ｆからの電力供給を抑制して、バッテリ２０に充電された電力で走行する傾向が高まる。

充電率が第二充電率よりも大きいときは（ステップＳ６のＮＯ側）、ドライバが手動でレベルを設定しているか否かが判断される（本図のステップＳ８参照）。ドライバが手動でレベルを設定している場合は（ステップＳ８のＹＥＳ側）、その通りにレベル設定が行なわれる（本図のステップＳ９参照）。このレベル設定は、レベル０からレベル５のいずれのレベルにすることもできるが、車両１の走行中に、充電率が第一充電率以上又は第二充電率以下となった場合には、手動による設定を自動的に解除したり、設定範囲をレベル１からレベル４の範囲に制限したりすることもできる。レベル設定が終了したら、リターン処理によって一連の手順が最初から繰り返される（本図中のステップＳ３参照）。

その一方で、ドライバが手動でレベルを設定していない場合は（ステップＳ８のＮＯ側）、車両１側に予め記憶された標準の推奨レベルが自動的に設定される（本図のステップＳ１０参照）。この推奨レベルは、ドライバによるアクセルの踏み込み量、バッテリ２０の充電率、車速等に対応して適宜決定される。本実施形態では、標準の推奨レベルをレベル０からレベル５の範囲において決定するとしているが、バッテリ２０への積極的な充電を回避したい場合は、レベル０からレベル４の範囲に制限してもよい。レベル設定が終了したら、リターン処理によって一連の手順が最初から繰り返される（本図中のステップＳ３参照）。

この推奨レベルの設定は、車両１側の判断のみで行ってもよいが、ドライバが過去に手動でレベル設定したことがある場合には、その手動によるレベル設定を学習しておき、その学習結果（ドライバの好み）を考慮した上でレベル設定されるようにすることもできる。このように学習機能を設けることにより、ドライバが毎回手動でレベル設定を行う必要がなくなり、利便性を大幅に向上することができる。

各レベルに設定したときの給電時における電力の流れを図４に示す。本図（ａ）はレベル１からレベル３のとき、（ｂ）はレベル４のとき、（ｃ）はレベル５のとき、（ｄ）は車両１が停車しているとき、にそれぞれ対応する。

レベル１からレベル３においては、車両用受電装置１０で受電した電力は、交流／直流コンバータ２３、直流／直流コンバータ２４、及び、インバータ２５を経由してモータ２１に送られる（本図（ａ）参照）。また、これらの各レベルにおいては、要求電力量Ｚよりも必要駆動電力量Ｘの方が大きく、モータ２１の駆動用の電力が不足する。このため、その不足電力がバッテリ２０から供給される。

レベル４においては、車両用受電装置１０からモータ２１までの電力の流れは、レベル１からレベル３のときとほぼ同じであるが、バッテリ２０からの電力の供給がない点で相違している（本図（ｂ）参照）。このレベルにおいては、要求電力用Ｚと必要駆動電力量Ｘが等しく、車両用受電装置１０で受電した電力のみでモータ２１を駆動することができるためである。

レベル５においては、車両用受電装置１０からモータ２１までの電力の流れは、レベル１からレベル３のときとほぼ同じであるが、モータ２１への駆動電力の供給とともに、バッテリ２０が充電される点で相違している（本図（ｃ）参照）。このレベルにおいては、要求電力量Ｚよりも必要駆動電力量Ｘの方が小さく、車両用受電装置１０で受電した電力によってモータ２１を駆動することができるとともに、剰余電力が発生するためである。

なお、車両１の停車中においては、本図（ｄ）に示すように、車両用受電装置１０から交流／直流コンバータ２３を経由してバッテリ２０を充電することができる。

この車両１においては、交流／直流コンバータ２３とインバータ２５の間に直流／直流コンバータ２４を介在させたが、この直流／直流コンバータ２４を省略した構成とすることもできる。

上記の実施形態はあくまでも一例であって、バッテリ２０の充電状態に対応して、車両の外部に設けられた給電設備Ｆからの受電量を調節可能とする、という本願発明の課題を解決し得る限りにおいて、各構成要素の構成や配置等を適宜変更することができる。

１車両
１０車両用受電装置
１１受電手段
１２充電率検知手段
１３充電能力制御手段
２０バッテリ
２１モータ
２２車輪
２３交流／直流コンバータ
２４直流／直流コンバータ
２５インバータ
Ａ１、Ａ２送信アンテナ
Ｌ送電アーム
Ｆ給電設備

Claims

車両の外部に設置された給電設備から電力を受電する受電手段と、
前記車両に搭載されたバッテリの充電率を検知する充電率検知手段と、
前記車両が前記受電手段を介して前記給電設備に要求する要求電力量と、前記車両の駆動に必要な必要駆動電力量との比率である受電係数を、前記充電率検知手段による検知結果に基づいて決定する充電能力制御手段と、
を備え、
前記受電係数の決定が、前記検知結果に基づいて繰り返し行われ、それぞれの繰り返しに要する時間から前記要求電力量と前記必要駆動電力量が決定される車両用受電装置。
前記充電能力制御手段が、前記検知結果が既定の第一充電率以上のときに、前記受電係数を設定可能な範囲の最小値とする一方で、前記検知結果が前記第一充電率よりも小さい既定の第二充電率以下のときに、前記受電係数を設定可能な範囲の最大値とする制御を行なう請求項１に記載の車両用受電装置。
前記充電能力制御手段が、前記検知結果が前記第一充電率よりも小さく、かつ、前記第二充電率よりも大きいときに、前記最小値と前記最大値との間の範囲内で前記充電率が高いほど前記受電係数が小さくなるように調節する制御を行なう請求項２に記載の車両用受電装置。
前記検知結果が前記第一充電率よりも小さく、かつ、前記第二充電率よりも大きいときに、前記充電能力制御手段が前記最小値と前記最大値との間の範囲内で調節する前記受電係数は、前記要求電力量が前記給電設備により出力可能な最大電力量未満となる値を最大とする請求項３に記載の車両用受電装置。
前記充電率検知手段による検知結果が、前記第一充電率よりも小さく前記第二充電率よりも大きいときに、前記受電係数をドライバの操作によって手動設定可能とした請求項２から４のいずれか１項に記載の車両用受電装置。
前記充電能力制御手段が、前記車両が既定目標とする充電率である目標充電率から、実際の充電率である実充電率を差し引いた差分を計算し、この差分が大きいほど前記受電係数を大きくし、前記差分が小さいほど前記受電係数を小さくする補正制御を行なう請求項３又は４に記載の車両用受電装置。
前記充電能力制御手段は、前記必要駆動電力量が前記給電設備により出力可能な最大電力量以下であるときに、前記受電係数を前記充電率検知手段による検知結果に基づいて決定する請求項１から６のいずれか１項に記載の車両用受電装置。