JP6686597B2 - 車両用受電装置 - Google Patents

Description

この発明は、車両の外部に設けられた給電ユニットから、走行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（路面上や側壁等）に設けられた給電ユニットから電力を受電して、この電力で車両を走行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（給電ユニット）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）。各バッテリの出力可能な電力は、充電状態やバッテリの劣化度合い等に基づいて決められる。

特許第４４８８０９０号公報

特許文献１に示す構成においては、各バッテリの充電状態や劣化度合いに基づいて、バッテリからの給電量が制御されるものの、外部（給電ユニット）と車両に設けられた受電ユニットとの間の給電効率は何ら考慮されていない。このため、例えば受電ユニットの不具合により給電効率が低下している状態で、車両が要求する最大電力を外部から給電すると、大きな電力損失が生じて走行コストが大幅に上昇する問題がある。

そこで、この発明は、給電ユニットと受電ユニットとの間の給電効率に対応して、車両の駆動電力に対する給電ユニットへの要求電力を調節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ユニットから電力を受電する受電ユニットと、前記給電ユニットから発信される前記給電ユニットの供給電力の値と前記受電ユニットで実際に受電した受電電力の値から、前記供給電力に対する前記受電電力の割合である給電効率を算出する給電効率算出手段と、前記車両の駆動に必要な駆動電力に対する、前記受電ユニットを介して前記車両が前記給電ユニットに要求する要求電力の割合である要求係数を、前記給電効率の低下とともに小さくなるように決定する給電能力決定手段と、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、前記車両に搭載されたバッテリの充電量の低下に伴って、前記給電能力決定手段が、前記給電効率に基づいて決定された前記要求係数を増加する増加補正を行う構成とすることができる。

前記各構成においては、前記給電ユニットの設置範囲の設置残距離の減少に伴って、前記給電能力決定手段が、前記給電効率に基づいて決定された前記要求係数を増加する増加補正を行う構成とすることができる。

前記各構成においては、予め設定された車両走行距離に対する走行残距離の減少に伴って、前記給電能力決定手段が、前記給電効率に基づいて決定された前記要求係数を減少する減少補正を行う構成とすることができる。

前記各構成においては、前記要求電力と前記給電効率から算出された算出供給電力が、前記給電ユニットの最大給電能力を超えるときに、前記算出供給電力が前記最大給電能力以下となるように、前記給電能力決定手段が前記要求電力を減少させる構成とするのが好ましい。

この発明に係る車両用受電装置によると、給電ユニットと受電ユニットとの間の給電効率が何らかの理由で低下したときに、給電ユニットからの給電をできるだけ抑制して、この給電に伴う電力損失を極力防止することができる。このため、給電効率の低下に伴う走行コストの上昇を防止することができる。

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 給電ユニット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 要求電力の決定フローの一例を示すフローチャート 要求電力の決定フローの他例を示すフローチャート 図４に示すフローチャート中で決定される要求係数の補正の一例を示し、（ａ）はバッテリの充電量の低下に伴う補正、（ｂ）は給電ユニットの設置残距離の減少に伴う補正、（ｃ）は走行残距離の減少に伴う補正

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、車両１の外部に設けられた給電ユニットＦ（図２参照）から供給される電力や、バッテリ２０に充電された電力でモータ２１を駆動するタイプの車両１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、給電ユニットＦ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、省略できる場合がある。

給電ユニットＦから受電装置１０に供給された電力は、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を介してモータ２１に送られる。

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ユニット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、給電ユニットＦと受電装置１０が送電アームＬ（図２（ｃ）参照）によって直接接続され、直流電流が受電装置１０に供給される場合は、この交流／直流コンバータ２３を省略できる場合がある。

車両用受電装置１０は、受電ユニット１１、給電効率算出手段１２、及び、給電能力決定手段１３を主要な構成要素としている。

受電ユニット１１は、図２に示すように車両１の外部に設置された給電ユニット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１の受電ユニット１１には、コイル式の受信アンテナ（図示せず）が搭載されている。図２（ａ）（ｂ）に示す無線方式の給電ユニット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が給電ユニットＦの傍を通過すると、車両用受電装置１０内の受電ユニット１１（受信アンテナ）側に誘導電流が生じ、給電ユニット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、給電ユニット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、給電ユニット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や送電線が設けられており、この送電アームＬ等を介して、給電ユニット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、給電ユニット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。

給電効率算出手段１２は、給電ユニットＦから供給される供給電力Ｐｓと、受電ユニット１１で実際に受電した受電電力Ｐｒから、給電効率α（％）（＝受電電力Ｐｒ／供給電力Ｐｓ×１００）を算出する機能を有している。供給電力Ｐｓの値は、給電ユニットＦから無線等の通信手段によって発信される各種情報の中に含まれており、給電効率算出手段１２は、この各種情報を受信することによって、供給電力Ｐｓの値を取得している。受電電力Ｐｒは、車両１に設けられた電力計（図示せず）等の測定手段によって取得される。なお、この給電効率算出手段１２の機能は、車両１全体を制御する電子制御ユニット（図示せず）の機能の一部として構成することもできる。

給電能力決定手段１３は、車両１の駆動に必要な駆動電力Ｐｚに対する、車両１が給電ユニットＦに要求する要求電力Ｐｑの割合である要求係数ｒ（＝要求電力Ｐｑ／駆動電力Ｐｚ）を決定する機能を有する。この決定は、給電効率αの低下とともに、要求係数ｒが小さくなるように行なわれる。駆動電力Ｐｚは、運転者によるアクセル踏み込み量、車速、車輪への負荷等によって決まるモータ２１の駆動トルクに基づいて、電子制御ユニットによって算出される。

このように、給電ユニットＦと受電ユニット１１との間の給電効率αが何らかの理由で低下したときに、要求係数ｒを小さくして給電ユニットＦからの給電を抑制することにより、給電効率αの低下に起因する電力損失を極力防止することができる。この要求係数ｒの大きさの決定については後ほど例示（図３〜図５参照）とともに説明する。なお、上記の給電効率算出手段１２と同様に、この給電能力決定手段１３の機能は、電子制御ユニットの機能の一部として構成することもできる。

さらに、バッテリ２０の満充電量Ｂ_Ａからの充電量Ｂの低下、車両１が走行する道路に設置された給電ユニットＦの設置範囲の全設置距離Ｌ_Ａに対する設置残距離Ｌの減少、及び、予め設定された車両走行距離Ｄ_Ａ（例えば、車両１に搭載されたナビゲーションシステムで目的地を設定したときの目的地までの走行距離）に対する走行残距離Ｄに基づいて、この給電能力決定手段１３で上記のように決定された要求係数ｒを増減させる増減補正を行うこともできる。この増減補正については、後ほど例示（図４、図５参照）とともに説明する。

このように、給電能力決定手段１３で要求係数ｒを決定し、さらに増減補正を行うことによって、給電ユニットＦに対して車両１が要求する要求電力Ｐｑと給電効率αから算出される算出供給電力Ｐｃ（＝要求電力Ｐｑ／（給電効率α／１００））が、給電ユニットＦの最大給電能力Ｍｓを超える虞が生じる。この場合は、算出供給電力Ｐｃが給電ユニットＦの最大給電能力Ｍｓ以下となるように、給電能力決定手段１３が、要求電力Ｐｑを減少させる。

給電能力決定手段１３による要求電力Ｐｑ（要求係数ｒ）の決定フローのフローチャートの一例を図３に示す。

この決定フローにおいては、まず、給電ユニットＦから供給される供給電力Ｐｓと、受電ユニット１１で実際に受電した受電電力Ｐｒから、給電効率算出手段１２が給電効率α（％）を算出する（図３中のステップＳ１０）。この給電効率αが９０％以上のときは（図３中のステップＳ１１のＹＥＳ側）、給電ユニットＦと受電ユニット１１との間の電力伝達が正常に行われ、電力損失はほとんどないと判断できる。このため、要求係数ｒ＝１とし、車両１の駆動に必要な駆動電力Ｐｚの全てを要求電力Ｐｑとして給電ユニットＦ側に要求する（図３中のステップＳ１２）。

その一方で、給電効率が９０％よりも低いときは（図３中のステップＳ１３、Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２１）、給電ユニットＦと受電ユニット１１との間の電力伝達に際して、この給電効率αに対応する電力損失が生じている。このため、この電力損失を極力抑制しつつ、車両１に搭載したバッテリ２０からの電力の持ち出しを極力抑制すべく、給電効率αの低下とともに要求係数ｒを小さくするように決定がなされる（図３中のステップＳ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２２、Ｓ２６）。

具体的には、給電効率αが８０％以上９０％未満のときは要求係数ｒ＝０．９（図３中のステップＳ１３のＹＥＳ側、Ｓ１４）、給電効率αが７０％以上８０％未満のときは要求係数ｒ＝０．８（図３中のステップＳ１５のＹＥＳ側、Ｓ１６）、給電効率αが６０％以上７０％未満のときは要求係数ｒ＝０．７（図３中のステップＳ１７のＹＥＳ側、Ｓ１８）、給電効率αが５０％以上６０％未満のときは要求係数ｒ＝０．６（図３中のステップＳ１９のＹＥＳ側、Ｓ２０）、給電効率αが１０％以上５０％未満のときは要求係数ｒ＝０．５（図３中のステップＳ２１のＹＥＳ側、Ｓ２２）とする。

特に、給電効率αが１０％未満のように極端に低いときは（図３中のステップＳ２１のＮＯ側）、給電ユニットＦ又は受電ユニット１１の少なくとも一方側に、故障等のトラブルが生じている可能性が高いため、要求係数ｒ＝０として（図３中のステップＳ２６）、給電ユニットＦからの電力供給を停止するように制御を行なう。なお、この場合においても、給電ユニットＦからの電力供給を完全に停止せずに、若干量の電力を供給し続けるよう制御することもできる。

上記のように、給電効率αの範囲を複数に区分し（図３中のステップＳ１１、Ｓ１３、Ｓ１５、Ｓ１７、Ｓ１９、Ｓ２１）、この区分ごとにステップ状（ｒ＝１、０．９、０．８、・・・）に要求係数ｒを変化させてもよいが（図３中のステップＳ１２、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８、Ｓ２０、Ｓ２２、Ｓ２６）、給電効率αの連続的な低下に伴って、要求係数ｒを連続的に減少させるようにしてもよい。このように要求係数ｒを連続的に減少させることにより、給電ユニットＦから受電ユニット１１への電力供給における電力損失を一層防止することができる。

車両１の駆動電力Ｐｚよりも要求電力Ｐｑが小さくなるように要求係数ｒが決定されたときは（要求係数ｒが１よりも小さいときは）、給電ユニットＦからの供給電力Ｐｓのみで車両１を駆動することができないため、車両１に搭載されたバッテリ２０からも駆動用の電力が供給される。

上記のように、要求電力Ｐｑが決定されたら、この要求電力Ｐｑと給電効率αから、受電ユニット１１でこの要求電力Ｐｑを受電するために、給電ユニットＦが供給すべき供給電力（以下において、この供給電力を算出供給電力Ｐｃと称する。）を算出する。給電ユニットＦの最大給電能力Ｍｓは限られており、この最大給電能力Ｍｓを超えて、受電ユニット１１に電力を供給することはできない。

給電能力決定手段１３によって算出された算出供給電力Ｐｃが、給電ユニットＦの最大給電能力Ｍｓ以下のときは（図３中のステップＳ２３のＹＥＳ側）、このフローチャートによって決定された要求電力Ｐｑに基づいて、給電ユニットＦから受電ユニット１１に電力が送られる。その一方で、給電能力決定手段１３によって算出された算出供給電力Ｐｃが、給電ユニットＦの最大給電能力Ｍｓを上回るときは（図３中のステップＳ２３のＮＯ側）、算出供給電力Ｐｃが最大給電能力Ｍｓ以下となるように要求係数ｒを減少させる減少補正が行なわれ、要求電力Ｐｑが減少される（図３中のステップＳ２５）。

上記の決定フローに基づいて、給電効率αに対応する要求電力Ｐｑ（要求係数ｒ）が決定されたら、給電ユニットＦからその要求電力Ｐｑで電力供給を受けつつ、リターン処理（図３中のステップＳ２４）によってこの一連の決定フローから抜ける。

なお、図３に示したフローチャートはあくまでも一例であって、給電効率αの区分や、この区分に対応して決定される要求係数ｒの値は、車両の種類等によって適宜変更することができる。例えば、バッテリ２０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、バッテリ２０の電力のみで駆動する電気自動車よりも、同じ給電効率αに対する要求係数ｒを小さくするのが好ましいことがある。このように、要求係数ｒを小さくすることにより、給電ユニットＦからの電力供給が抑制され、走行コストの削減を図ることができる可能性があるためである。

給電能力決定手段１３による要求電力Ｐｑの決定フローのフローチャートの他例を図４及び図５に示す。

この決定フローにおいて、要求電力Ｐｑを算出するまでの工程（図４中のステップＳ１０〜Ｓ２２、Ｓ２６）は図３に示した決定フローと同じであるが、給電効率αに基づいて要求係数ｒを決定した後に、この要求係数ｒを補正し、この補正された補正要求係数ｒ’を用いて要求電力Ｐｑを再計算する補正工程（図４中のステップＳ２７）が付加されている点で異なる。この補正工程は、決定された要求係数を必要に応じて増加又は減少させるためのものであって、この補正工程によって、車両の状態や走行環境に対応して給電ユニットからの電力供給を調節し、走行コストとバッテリの充電量のバランスの更なる適正化を図っている。

この補正工程として、例えば、図５に示す各ステップＳ２７ａ、Ｓ２７ｂ、Ｓ２７ｃを採用することができる。本図（ａ）は、バッテリの充電量Ｂが満充電量Ｂ_Ａから低下するのに伴って、給電効率に基づいて決定された要求係数をさらに増加する増加補正を行うステップＳ２７ａを、本図（ｂ）は、給電ユニットの設置範囲の全設置距離Ｌ_Ａに対する設置残距離Ｌの減少に伴って、給電効率に基づいて決定された要求係数をさらに増加する増加補正を行うステップＳ２７ｂを、本図（ｃ）は、予め設定された車両走行距離Ｄ_Ａに対する走行残距離Ｄの減少に伴って、給電効率に基づいて決定された要求係数をさらに減少する減少補正を行うステップＳ２７ｃをそれぞれ示す。

各ステップＳ２７ａ、Ｓ２７ｂ、Ｓ２７ｃの補正式中のｐ_１、ｐ_２、ｐ_３は、いずれも０より大きい定数であり、この定数を大きくすることにより、充電量Ｂ、設置残距離Ｌ、又は、走行残距離Ｄの変化に対する要求係数ｒの増減補正量を大きくすることができる。充電量Ｂ、設置残距離Ｌ、又は、走行残距離Ｄのいずれか一つに基づいて要求係数ｒを補正する場合には、それぞれのステップＳ２７ａ、Ｓ２７ｂ、Ｓ２７ｃに対応するいずれかの補正式を用いて、補正要求係数ｒ’を算出する。また、充電量Ｂ、設置残距離Ｌ、又は、走行残距離Ｄの中の複数に基づいて要求係数ｒを補正する場合は、それぞれのステップＳ２７ａ、Ｓ２７ｂ、Ｓ２７ｃに対応する補正式を順次適用することによって、補正要求係数ｒ’を算出する。要求係数ｒを増加補正することによって、車両１を駆動する駆動電力Ｐｚよりも、受電ユニット１１で実際に受電した受電電力Ｐｒの方が大きくなったときは、車両１の駆動に利用されなかった剰余電力はバッテリ２０に充電される。

なお、上記の補正式は、要求係数ｒの増加補正（ステップＳ２７ａ、Ｓ２７ｂ）及び減少補正（ステップＳ２７ｃ）を説明するための例示に過ぎず、所望の増減補正量に対応して適宜変更することができる。

要求係数ｒの補正工程（ステップＳ２７（Ｓ２７ａ、Ｓ２７ｂ、Ｓ２７ｃ））によって補正要求係数ｒ’を算出したら、給電効率αに基づいて決定された要求係数ｒをこの補正要求係数ｒ’で置き換える。そして、この補正要求係数ｒ’を用いて、要求電力Ｐｑを再計算する（図４中のステップＳ２８）。次いで、再計算された要求電力Ｐｑと給電効率αから、上記と同様に、算出供給電力Ｐｃを算出する。

この算出供給電力Ｐｃが、給電ユニットＦの最大給電能力Ｍｓ以下のときは（図４中のステップＳ２３のＹＥＳ側）、再計算された要求電力Ｐｑに基づいて、給電ユニットＦから受電ユニット１１に電力が送られる。その一方で、算出供給電力Ｐｃが、給電ユニットＦの最大給電能力Ｍｓを上回るときは（図４中のステップＳ２３のＮＯ側）、算出供給電力Ｐｃが最大給電能力Ｍｓ以下となるように補正要求係数ｒ’を減少させる減少補正が行なわれ、再計算された要求電力Ｐｑが減少される（図４中のステップＳ２５）。

上記の決定フローに基づいて、給電効率αに対応する要求電力Ｐｑ（補正要求係数ｒ’）が決定されたら、給電ユニットＦからその要求電力Ｐｑで電力供給を受けつつ、リターン処理（図４中のステップＳ２４）によってこの一連の決定フローから抜ける。

上記の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、給電ユニットＦと受電ユニット１１との間の給電効率αに対応して、車両１の駆動電力Ｐｚに対する給電ユニットＦへの要求電力Ｐｑを調節する、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、要求係数ｒ（ｒ’）の決定フロー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 受電ユニット
１２ 給電効率算出手段
１３ 給電能力決定手段
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 給電ユニット
Ｐｓ 供給電力
Ｐｒ 受電電力
Ｐｚ 駆動電力
Ｐｑ 要求電力
Ｐｃ 算出供給電力
Ｍｓ 最大給電能力
α 給電効率
ｒ 要求係数

Claims (4)

1. 車両の外部に設置された給電ユニットから電力を受電する受電ユニットと、
   前記給電ユニットから発信される前記給電ユニットの供給電力の値と前記受電ユニットで実際に受電した受電電力の値から、前記供給電力に対する前記受電電力の割合である給電効率を算出する給電効率算出手段と、
   前記車両の駆動に必要な駆動電力に対する、前記受電ユニットを介して前記車両が前記給電ユニットに要求する要求電力の割合である要求係数を、前記給電効率の低下とともに小さくなるように決定する給電能力決定手段と、
   を備え、
   前記給電ユニットの設置範囲の設置残距離の減少に伴って、前記給電能力決定手段が、前記給電効率に基づいて決定された前記要求係数を増加する増加補正を行う車両用受電装置。
2. 前記車両に搭載されたバッテリの充電量の低下に伴って、前記給電能力決定手段が、前記給電効率に基づいて決定された前記要求係数を増加する増加補正を行う請求項１に記載の車両用受電装置。
3. 予め設定された車両走行距離に対する走行残距離の減少に伴って、前記給電能力決定手段が、前記給電効率に基づいて決定された前記要求係数を減少する減少補正を行う請求項１又は２に記載の車両用受電装置。
4. 前記要求電力と前記給電効率から算出された算出供給電力が、前記給電ユニットの最大給電能力を超えるときに、前記算出供給電力が前記最大給電能力以下となるように、前記給電能力決定手段が前記要求電力を減少させる請求項１から３のいずれか１項に記載の車両用受電装置。

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