JP6959168B2 - Power transmission device - Google Patents
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Description
本発明は電力伝送装置に関する。 The present invention relates to a power transmission device.
近年、ケーブルを用いずに電力を給電できる電力伝送装置が注目されている。 In recent years, a power transmission device capable of supplying power without using a cable has attracted attention.
例えば磁界の共振を用いた方式(磁界共振結合方式)は、数m程度の距離であれば離れたところから給電ができる。磁界共振結合方式の電力伝送装置は、例えば電気自動車の充電等に適用可能である。 For example, in the method using magnetic field resonance (magnetic field resonance coupling method), power can be supplied from a distance as long as the distance is about several meters. The magnetic field resonance coupling type power transmission device can be applied to, for example, charging of an electric vehicle.
磁界共振結合方式では、回路の共振が利用されている。そのため、送電側コイルと受電側コイルとの位置関係によって、これらのコイル間の相互インダクタンスが変化する。相互インダクタンスの数値が大きい程、送電側コイルと受電側コイルとの結合度合いを示す結合係数は大きくなる。磁界共振結合方式において、効率的な電力伝送のためには、結合係数を大きくすることが必要である。 In the magnetic field resonance coupling method, the resonance of the circuit is used. Therefore, the mutual inductance between these coils changes depending on the positional relationship between the power transmitting side coil and the power receiving side coil. The larger the value of the mutual inductance, the larger the coupling coefficient indicating the degree of coupling between the power transmitting side coil and the power receiving side coil. In the magnetic field resonance coupling method, it is necessary to increase the coupling coefficient for efficient power transmission.
例えば、特許文献1は、結合係数が最大となり、受電側コイルに流れる電流(誘導電流)が最大となる位置を磁気センサ、光センサまたはCCDカメラ等を用いて検出する。 For example, in Patent Document 1, the position where the coupling coefficient becomes the maximum and the current (induced current) flowing through the power receiving side coil becomes the maximum is detected by using a magnetic sensor, an optical sensor, a CCD camera, or the like.
しかし、送電側コイルと受電側コイルとが結合していない状態(つまり、電力伝送ができない程度に両コイルの位置関係にずれが生じた状態)では、受電側コイルに電流が流れない。そのため、受電側コイルに流れる電流が最大となる受電側コイルの位置を検出する特許文献1に記載の技術は、送電側コイルと受電側コイルとが結合していない状態で使用できない。また、送電側コイルと受電側コイルとが結合していない状態で、送電側コイルに共振周波数の電圧が印加されると、送電側コイルに大きな共振電流が流れる可能性がある。 However, in a state where the power transmitting side coil and the power receiving side coil are not coupled (that is, a state in which the positional relationship between the two coils is displaced to the extent that power transmission cannot be performed), no current flows through the power receiving side coil. Therefore, the technique described in Patent Document 1 for detecting the position of the power receiving side coil that maximizes the current flowing through the power receiving side coil cannot be used in a state where the power transmitting side coil and the power receiving side coil are not coupled. Further, if a voltage having a resonance frequency is applied to the power transmission side coil in a state where the power transmission side coil and the power reception side coil are not coupled, a large resonance current may flow through the power transmission side coil.
かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、受電側からの情報を必要とせずに、送電側コイルおよび受電側コイルの結合状態に応じた電力伝送が可能な電力伝送装置を提供することにある。 An object of the present invention made in view of such circumstances is to provide a power transmission device capable of power transmission according to a coupling state of a power transmitting side coil and a power receiving side coil without requiring information from the power receiving side. be.
前記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る電力伝送装置は、直流電源の出力を変換して第1の直流電力を出力する直流電圧変換部と、前記直流電圧変換部の出力に並列に接続された第1のコンデンサと、前記第1の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、第2のコンデンサと第1のコイルとを有し、前記インバータ部から前記交流電力が供給される第1の共振回路と、第3のコンデンサと第2のコイルとを有し、前記第1の共振回路と磁気的に結合されて、前記第1の共振回路から前記交流電力を受け取る第2の共振回路と、前記第2の共振回路から供給された前記交流電力を第2の直流電力に変換して負荷に供給する整流部と、前記第1の共振回路に流れる電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器が検出した電流に基づいて前記直流電圧変換部に電圧指令を出力する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電流検出器が検出した前記電流の実効値を演算する実効値演算部と、前記第1のコイルと前記第2のコイルとの相互インダクタンスに応じて変化する前記第1の直流電力の電圧と前記実効値との対応関係を記憶し、前記第1の共振回路と前記第2の共振回路との結合の限界を示す前記相互インダクタンスの前記対応関係において電圧の基準値に対する前記実効値である電流指令を定める相互インダクタンス特性テーブルと、前記実効値演算部からの前記実効値が、前記電流指令と一致するように原電圧指令を演算する電圧指令演算部と、電圧制限値を、前記基準値または前記直流電圧変換部が出力できる最大電圧に設定する電圧制限切替部と、前記原電圧指令を前記電圧制限値で制限して、前記電圧指令を出力する電圧指令制限部と、を備え、前記電圧指令が前記電圧制限値に達したか否かに基づいて、前記第1の共振回路と前記第2の共振回路との結合状態を判定する。 In order to solve the above problems, the power transmission device according to the embodiment of the present invention is parallel to the output of the DC voltage conversion unit and the DC voltage conversion unit that converts the output of the DC power supply to output the first DC power. It has a first capacitor connected to, an inverter unit that converts the first DC power into AC power, a second capacitor, and a first coil, and the AC power is supplied from the inverter unit. A second resonance circuit having a first resonance circuit, a third capacitor, and a second coil, which are magnetically coupled to the first resonance circuit to receive the AC power from the first resonance circuit. The resonance circuit, the rectifying unit that converts the AC power supplied from the second resonance circuit into the second DC power and supplies it to the load, and the current detection that detects the current flowing through the first resonance circuit. A device and a control unit that outputs a voltage command to the DC voltage conversion unit based on the current detected by the current detector are provided, and the control unit obtains an effective value of the current detected by the current detector. The effective value calculation unit to be calculated, and the correspondence relationship between the effective value and the voltage of the first DC power that changes according to the mutual inductance of the first coil and the second coil are stored, and the first The mutual inductance characteristic table that defines the current command, which is the effective value with respect to the reference value of the voltage in the correspondence relationship of the mutual inductance indicating the limit of coupling between the resonance circuit 1 and the second resonance circuit, and the effective value calculation. The voltage command calculation unit that calculates the original voltage command so that the effective value from the unit matches the current command, and the voltage limit value are set to the reference value or the maximum voltage that can be output by the DC voltage conversion unit. A voltage limit switching unit and a voltage command limit unit that limits the original voltage command with the voltage limit value and outputs the voltage command are provided, and whether or not the voltage command reaches the voltage limit value. Based on this, the coupling state of the first resonance circuit and the second resonance circuit is determined.
また、上記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る電力伝送装置は、前記制御部が、前記結合状態が非結合と判定した場合に、前記電流を抑制するように、前記直流電圧変換部への電圧指令を出力してもよい。 Further, in order to solve the above problems, in the power transmission device according to the embodiment of the present invention, the DC voltage conversion is performed so that the control unit suppresses the current when the coupling state is determined to be uncoupled. A voltage command to the unit may be output.
また、上記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る電力伝送装置は、前記制御部が、前記結合状態が結合と判定した場合に、前記インバータ部が出力する交流電力が最大となるように、前記直流電圧変換部への電圧指令を出力してもよい。 Further, in order to solve the above problems, in the power transmission device according to the embodiment of the present invention, when the control unit determines that the coupling state is coupling, the AC power output by the inverter unit is maximized. May output a voltage command to the DC voltage converter.
また、上記課題を解決するため、本発明の実施形態に係る電力伝送装置は、前記制御部が、前記結合状態が非結合と判定した場合に、所定時間、前記結合状態についての新たな判定を実行してもよい。 Further, in order to solve the above problems, in the power transmission device according to the embodiment of the present invention, when the control unit determines that the coupled state is uncoupled, a new determination regarding the coupled state is made for a predetermined time. You may do it.
本発明の実施形態によれば、受電側からの情報を必要とせずに、送電側および受電側の共振回路の結合状態に応じた電力伝送が可能な電力伝送装置を提供できる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to provide a power transmission device capable of power transmission according to the coupling state of the resonance circuits of the power transmission side and the power reception side without requiring information from the power reception side.
(電力伝送装置の構成)
図1は本実施形態に係る電力伝送装置1のブロック図である。
(Configuration of power transmission device)
FIG. 1 is a block diagram of the power transmission device 1 according to the present embodiment.
電力伝送装置1は、直流電源11と、直流電圧変換部12と、第1のコンデンサ13と、インバータ部14と、第1の共振回路15(送電側共振回路)と、第2の共振回路16(受電側共振回路)と、整流部17と、負荷19と、電流検出器21と、制御部31と、を備える。また、図1に示すように、電力伝送装置1は、さらに電圧検出器131を備えてもよい。電力伝送装置1は、整流部17からの直流電力を負荷19に供給する。負荷19は、例えば二次電池であるが、特に限定されるものではない。また、図1に示すように、整流部17からの電圧を平滑して直流電圧を出力する平滑コンデンサ18が電力伝送装置1に接続される。
The power transmission device 1 includes a DC power supply 11, a DC
直流電源11は直流電力を供給する。直流電源11は例えば二次電池である。直流電源11は例えば鉛蓄電池であってもよい。また、直流電源11は例えばニッケルカドミウム電池のようなアルカリ二次電池であってもよい。また、直流電源11は例えばリチウムイオン電池のようなリチウム二次電池であってもよい。また、代替例として、直流電源11は一次電池でもよい。 The DC power supply 11 supplies DC power. The DC power supply 11 is, for example, a secondary battery. The DC power supply 11 may be, for example, a lead storage battery. Further, the DC power supply 11 may be an alkaline secondary battery such as a nickel cadmium battery. Further, the DC power supply 11 may be a lithium secondary battery such as a lithium ion battery. Further, as an alternative example, the DC power supply 11 may be a primary battery.
直流電圧変換部12は直流電源11の出力(直流電源11からの直流電力)を受け取る。そして、直流電圧変換部12は、直流電源11の出力を変換して、第1の直流電力を出力する。直流電圧変換部12は、第1の直流電力の電圧Vdc1が、制御部31からの電圧指令Vdc1*と等しくなるように変換する。直流電圧変換部12は、例えば降圧チョッパ回路、昇圧チョッパ回路または昇降圧チョッパ回路で構成されてもよい。
The DC
第1のコンデンサ13は直流電圧変換部12の出力に並列に接続される。第1のコンデンサ13の端子間電圧は電圧Vdc1となる。
The
電圧検出器131は第1のコンデンサ13の端子間電圧(電圧Vdc1)を検出して制御部31に出力する。電圧検出器131は例えば電圧センサである。上記のように、直流電圧変換部12は、電圧Vdc1が電圧指令Vdc1*と等しくなるように変換する。以下において、電圧Vdc1と電圧指令Vdc1*とは交換可能であるとする。例えば、第1のコイル152と第2のコイル162との相互インダクタンスの特性(図3参照)で、パラメータとして用いられる電圧Vdc1は、電圧指令Vdc1*に置き換えることが可能である。
The
インバータ部14は、直流電圧変換部12が出力した第1の直流電力を交流電力に変換する。本実施形態において、インバータ部14によって変換された交流電力は、矩形波の電圧形状を有する。インバータ部14からの交流電力は、第1の共振回路15に供給される。ここで、インバータ部14は例えば複数のスイッチング素子で構成されたブリッジ回路で構成されてもよい。スイッチング素子は例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)であるが、特に限定されるものではない。
The
第1の共振回路15は、インバータ部14からの交流電力を伝送する。本実施形態において、第1の共振回路15は、磁界を用いた共振現象を利用してワイヤレス伝送を行う。第1の共振回路15は、送電側の共振回路であって、第2のコンデンサ151と第1のコイル152(送電側コイル)とを有している。第2のコンデンサ151と第1のコイル152とは直列に接続される。第1のコイル152と接続されていない方の第2のコンデンサ151の端子は、インバータ部14に接続される。また、第2のコンデンサ151と接続されていない方の第1のコイル152の端子は、インバータ部14に接続される。
The first
第2の共振回路16は、第1の共振回路15からワイヤレス伝送された交流電力を受け取る。第2の共振回路16は、受電側の共振回路であって、第3のコンデンサ161と第2のコイル162(受電側コイル)とを有している。第3のコンデンサ161と第2のコイル162とは直列に接続される。第2のコイル162と接続されていない方の第3のコンデンサ161の端子は、整流部17に接続される。また、第3のコンデンサ161と接続されていない方の第2のコイル162の端子は、整流部17に接続される。第2のコイル162は、第1のコイル152と磁気的に結合し、第1のコイル152から第2のコイル162にワイヤレス電力伝送が行われる。ここで、第1の共振回路15と第2の共振回路16とが結合する(結合状態が「結合」である)、とは、第1のコイル152と第2のコイル162とが結合して電力伝送が可能であることを意味する。また、第1の共振回路15と第2の共振回路16とが結合しない(結合状態が「非結合」である)、とは、電力伝送ができない状態であることを意味する。
The second
整流部17は、第2の共振回路16から供給された交流電力を整流し、第2の直流電力に変換する。整流部17は、第2の直流電力を負荷19に供給する。整流部17は、例えばダイオード整流器で構成されてもよいが、特に限定されるものではない。
The rectifying unit 17 rectifies the AC power supplied from the second
電流検出器21は、第1の共振回路15に流れる電流Ipを検出して制御部31に出力する。電流検出器21は例えば電流センサである。
The
制御部31は、電流検出器21が検出した電流Ipに基づいて直流電圧変換部12に電圧指令Vdc1*を出力する。詳細には、制御部31は、電流Ip、後述する相互インダクタンスM1および後述する電圧値K1に基づいて、電圧指令Vdc1*を演算する。
The
図2は本実施形態に係る電力伝送装置1の制御部31のブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram of the
制御部31は、実効値演算部311と、相互インダクタンス特性テーブル312と、電圧指令演算部313と、電圧制限切替部314と、電圧指令制限部315と、を備える。
The
実効値演算部311は、電流Ipの実効値である電流実効値Iprmsを演算して出力する。
The effective
相互インダクタンス特性テーブル312は、相互インダクタンスM、電圧Vdc1、及び電流Ipをパラメータとするデータ(相互インダクタンス特性)を記憶する。そして、相互インダクタンス特性テーブル312は、相互インダクタンスM1および電圧値K1に基づいて、電流指令Ip*を演算して出力する。 The mutual inductance characteristic table 312 stores data (mutual inductance characteristics) with the mutual inductance M, the voltage Vdc1, and the current Ip as parameters. Then, the mutual inductance characteristic table 312 calculates and outputs the current command Ip * based on the mutual inductance M1 and the voltage value K1.
電圧指令演算部313は、電流実効値Iprmsおよび電流指令Ip*に基づいて、原電圧指令Vdc1**を演算する。ここで、電圧指令演算部313は、例えばPI制御を用いて、電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と一致するように、原電圧指令Vdc1**を演算してもよい。
The voltage
電圧制限切替部314は、電圧制限値Vlimを設定する。本実施形態において、電圧制限切替部314は、例えば電圧値K1と、直流電圧変換部12が出力できる最大電圧であるKmaxと、を切り替えて電圧制限値Vlimを出力する。
The voltage
電圧指令制限部315は、原電圧指令Vdc1**を電圧制限値Vlimで制限して、電圧指令Vdc1*を演算する。電圧指令制限部315は、演算した電圧指令Vdc1*を直流電圧変換部12に出力する。
The voltage
図3は相互インダクタンスの特性を示す図である。図3に示す特性曲線は、横軸に示される第1の直流電力の電圧Vdc1と、縦軸に示される電流実効値Iprmsとの関係を、相互インダクタンスの値に応じて示したものである。図3に示す特性曲線は、第1のコイル152と第2のコイル162との組み合わせで定まる。相互インダクタンスが大きい程、第1のコイル152と第2のコイル162との結合度合いも大きい。図3の「相互インダクタンス最小時の特性」は、第1のコイル152と第2のコイル162とが完全に離れている場合の特性曲線である。また、図3の「相互インダクタンス最大時の特性」は、第1のコイル152と第2のコイル162とが最も強く磁気的に結合している場合の特性曲線である。また、図3の「相互インダクタンスM1時の特性」は、第1のコイル152と第2のコイル162とが電力伝送が可能である限界の結合度合い(閾値の結合度合い)を有する場合の特性曲線である。また、図3の「相互インダクタンスM2時の特性」は、第1のコイル152と第2のコイル162とが電力伝送ができない非結合状態である場合の特性曲線の例である。ここで、電力伝送が可能であるとは、実用的な伝送効率でワイヤレス電力伝送ができることを意味する。電力伝送ができない状態は、ワイヤレス電力伝送ができないこと、または、ワイヤレス電力伝送ができても実用的な伝送効率でないことを意味する。
FIG. 3 is a diagram showing the characteristics of mutual inductance. The characteristic curve shown in FIG. 3 shows the relationship between the voltage Vdc1 of the first DC power shown on the horizontal axis and the current effective value Iprms shown on the vertical axis according to the value of mutual inductance. The characteristic curve shown in FIG. 3 is determined by the combination of the
図3の例において、相互インダクタンスがM1から最大の場合に、第1の共振回路15の第1のコイル152と第2の共振回路16の第2のコイル162とは「結合」している。つまり、第1の共振回路15と第2の共振回路16との間で電力伝送が可能である。また、図3の例において、相互インダクタンスが最小からM1未満の場合に、第1の共振回路15の第1のコイル152と第2の共振回路16の第2のコイル162とは「非結合」である。つまり、第1の共振回路15と第2の共振回路16との間で電力伝送ができない状態である。
In the example of FIG. 3, when the mutual inductance is maximum from M1, the
図3に示すように、相互インダクタンスが減少すると、同じ電流実効値Iprmsに対応する電圧Vdc1が小さくなる。例えば、相互インダクタンスがM1からM2へと減少すると、電流実効値Iprmsの一つの値であるY1に対応する電圧Vdc1は、K1からK2へと小さくなる。つまり、電流実効値Iprmsの一つの値に対する電圧Vdc1の変化(または電圧指令Vdc1*の変化)によって、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態の変化を把握可能である。ここで、第1の共振回路15と第2の共振回路16との「結合」または「非結合」の境界となる(「結合」の限界を示す)特性曲線において、電圧Vdc1の基準値と、対応する電流実効値Iprmsの値を定めると、結合状態の変化が更に容易に把握可能になる。
As shown in FIG. 3, as the mutual inductance decreases, the voltage Vdc1 corresponding to the same current effective value Iprms decreases. For example, when the mutual inductance decreases from M1 to M2, the voltage Vdc1 corresponding to Y1, which is one value of the current effective value Iprms, decreases from K1 to K2. That is, it is possible to grasp the change in the coupling state between the
図3の例では、結合の限界を示す特性曲線は「相互インダクタンスM1時の特性」である。また、電圧Vdc1の基準値は「K1」である。また、基準値に対応する電流実効値Iprmsの値は「Y1」である。例えば、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が変化して相互インダクタンスがM1からM2に変化すると、電流実効値IprmsのY1に対応する電圧Vdc1の値はK1からK2に変化する。制御部31は、電圧Vdc1が基準値である「K1」より小さくなったことから、相互インダクタンスが減少して第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「非結合」となったことを容易に把握できる。また、電流実効値Iprmsおよび電圧Vdc1(または電圧指令Vdc1*)は送電側だけで得られる情報である。つまり、上記の結合判定において、受電側からの情報は必要ない。
In the example of FIG. 3, the characteristic curve showing the limit of coupling is "characteristic at mutual inductance M1". The reference value of the voltage Vdc1 is "K1". Further, the value of the current effective value Iprms corresponding to the reference value is “Y1”. For example, when the coupling state of the first
ここで、制御部31は、相互インダクタンス特性テーブル312に図3の特性曲線を示すデータを有する。つまり、相互インダクタンス特性テーブル312は、相互インダクタンスに応じて変化する第1の直流電力の電圧Vdc1と電流実効値Iprmsとの対応関係を定める。上記のように、相互インダクタンス特性テーブル312は、相互インダクタンスM1(結合の限界を示す特性曲線を指定するための値)および電圧値K1を受け取る。相互インダクタンス特性テーブル312は、相互インダクタンスがM1である特性曲線の電圧Vdc1がK1である場合の電流実効値Iprmsの値(図3の例ではY1)を、電流指令Ip*として出力する。
Here, the
(第1の制御方法)
図4は、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態の判定に関する制御部31の制御方法(第1の制御方法)を示すフローチャートである。第1の制御方法は、第1の共振回路15と第2の共振回路16とが非結合状態から結合状態に変化する場合に実行される制御方法である。
(First control method)
FIG. 4 is a flowchart showing a control method (first control method) of the
制御部31は、相互インダクタンスM1を設定する(ステップS11)。上記のように、相互インダクタンスM1は、第1の共振回路15と第2の共振回路16とが結合した場合の限界の相互インダクタンスを示す。相互インダクタンスM1は、例えば第1のコイル152および第2のコイル162の材質、線径、巻き方、構造、距離、位置関係等に応じて定められる。制御部31は、例えば第1のコイル152および第2のコイル162の材質、線径、巻き方、構造、距離、位置関係等のデータに基づいて、相互インダクタンスM1を演算で求める。また、別の例として、制御部31は、電力伝送装置1を含むシステム全体の制御装置から相互インダクタンスM1を受け取ってもよい。
The
制御部31は、電流指令Ip*を設定する(ステップS12)。また、制御部31は、電圧制限値Vlimを設定する(ステップS13)。制御部31は、結合の限界を示す特性曲線における電流実効値Iprmsと対応する電圧Vdc1と、をそれぞれ、電流指令Ip*と電圧制限値Vlimとして設定する。例えば、図3の例では、結合の限界を示す特性曲線は「相互インダクタンスM1時の特性」である。電流指令Ip*として設定される電流実効値Iprmsの値は「Y1」である。また、電圧制限値Vlimは「K1」である。
The
ここで、図2に示すように、電圧制限値Vlimは電圧制限切替部314によってK1またはKmaxから選択される。第1の制御方法においては、電圧制限値Vlimは電圧制限切替部314によってK1に設定される。ここで、K1はKmaxよりも低い電圧であって、一例として100[V]である。また、Kmaxは一例として600[V]である。
Here, as shown in FIG. 2, the voltage limit value Vlim is selected from K1 or Kmax by the voltage
制御部31は、電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくなるように制御する(ステップS14)。つまり、制御部31は、電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくなるまで、電圧指令Vdc1*を上昇させる(例えばゼロから電圧制限値VlimであるK1まで変化させる)。
The
制御部31は、電圧Vdc1(または電圧指令Vdc1*)が電圧制限値Vlimに達した場合に(ステップS15のYes)、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「結合」であると判定する(ステップS16)。電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくならずに、電圧Vdc1は電圧制限値Vlimに達している。そのため、現在の結合状態の相互インダクタンスの特性曲線において、電流指令Ip*(例えばY1)に対応する電圧Vdc1の値は電圧制限値Vlim(例えばK1)以上である。よって、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「結合」であると判定される。
When the voltage Vdc1 (or the voltage command Vdc1 * ) reaches the voltage limit value Vlim (Yes in step S15), the
一方、制御部31は、電圧Vdc1(または電圧指令Vdc1*)が電圧制限値Vlimに達していない場合に(ステップS15のNo)、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「非結合」であると判定する(ステップS17)。つまり、現在の結合状態の相互インダクタンスの特性曲線において、電流指令Ip*(例えばY1)に対応する電圧Vdc1の値は電圧制限値Vlim(例えばK1)未満である。そのため、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「非結合」であると判定される。そして、制御部31はステップS14の処理に戻る。
On the other hand, when the voltage Vdc1 (or the voltage command Vdc1 * ) does not reach the voltage limit value Vlim (No in step S15), the
このように、制御部31は、第1の制御方法を実行することによって、第1の共振回路15と第2の共振回路16とが「非結合」から「結合」に変化する場合に結合状態を適切に判定できる。
In this way, the
(第2の制御方法)
図5は、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態の判定に関する制御部31の制御方法(第2の制御方法)を示すフローチャートである。第2の制御方法は、第1の制御方法の後に(第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「結合」であると判定された後に)、実行される制御方法である。
(Second control method)
FIG. 5 is a flowchart showing a control method (second control method) of the
制御部31は、電圧制限値Vlimを変更する(ステップS21)。ここで、図2に示すように、電圧制限値Vlimは電圧制限切替部314によってK1またはKmaxから選択される。例えば、制御部31は、電圧制限値VlimをK1(一例として100[V])からKmax(一例として600[V])に変更する。
The
制御部31は、電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくなるように制御する(ステップS22)。つまり、制御部31は、電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくなるまで、電圧指令Vdc1*を上昇させる(例えばK1から電圧制限値VlimであるKmaxまで変化させる)。
The
このように、制御部31は、結合状態が「結合」であると判定された後に電圧指令Vdc1*を最大値まで上げることによって、インバータ部14が出力する交流電力(受電側に伝送される電力)を最大にする。制御部31は、第2の制御方法を実行することによって、結合状態にある第1の共振回路15と第2の共振回路16との間で伝送される電力を最大化することが可能である。
In this way, the control unit 31 raises the voltage command Vdc1 * to the maximum value after it is determined that the coupling state is "coupling", so that the AC power output by the inverter unit 14 (power transmitted to the power receiving side). ) Is maximized. By executing the second control method, the
(第3の制御方法)
図6は、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態の判定に関する制御部31の制御方法(第3の制御方法)を示すフローチャートである。第3の制御方法は、第2の制御方法の後に実行される制御方法である。第3の制御方法は、結合状態から非結合状態への変化を検出可能にする。
(Third control method)
FIG. 6 is a flowchart showing a control method (third control method) of the
制御部31は、電圧制限下限値VlimLを設定する(ステップS31)。制御部31は、電圧制限下限値VlimLを「K1」に設定してもよい。また、制御部31は、ヒステリシスを設けて、電圧制限下限値VlimLを「K1」よりも低い電圧値に設定してもよい。
The
制御部31は、電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくなるように制御する(ステップS32)。つまり、制御部31は、電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくなるまで、電圧指令Vdc1*を低下させる(例えば電圧制限値VlimであるKmaxから電圧制限下限値VlimLであるK1まで変化させる)。
The
制御部31は、電圧Vdc1(または電圧指令Vdc1*)が電圧制限下限値VlimLに達した場合に(ステップS33のYes)、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「非結合」であると判定する(ステップS34)。電流実効値Iprmsが電流指令Ip*と等しくならずに、電圧Vdc1は電圧制限下限値VlimLに達している。現在の結合状態の相互インダクタンスの特性曲線において、電流指令Ip*(例えばY1)に対応する電圧Vdc1の値は電圧制限下限値VlimL(例えばK1)未満である。そのため、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「非結合」であると判定される。
When the voltage Vdc1 (or the voltage command Vdc1 * ) reaches the voltage limit lower limit value VlimL (Yes in step S33), the
一方、制御部31は、電圧Vdc1(または電圧指令Vdc1*)が電圧制限下限値VlimLに達していない場合に(ステップS33のNo)、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「結合」であると判定する(ステップS35)。つまり、現在の結合状態の相互インダクタンスの特性曲線において、電流指令Ip*(例えばY1)に対応する電圧Vdc1の値は電圧制限下限値VlimL(例えばK1)以上である。そのため、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「結合」であると判定される。そして、制御部31はステップS32の処理に戻る。
On the other hand, when the voltage Vdc1 (or the voltage command Vdc1 * ) does not reach the voltage limit lower limit value VlimL (No in step S33), the
このように、制御部31は、第3の制御方法を実行することによって、第1の共振回路15と第2の共振回路16とが「結合」から「非結合」に変化する場合に結合状態を適切に判定できる。
In this way, the
(第4の制御方法)
制御部31は、上記の第1〜第3の制御方法のそれぞれを個別に実行可能である。ここで、制御部31は、上記の第1〜第3の制御方法のうちの複数を組み合わせて実行してもよい。図7は、上記の第1〜第3の制御方法を組み合わせた一つの制御方法(第4の制御方法)を示すフローチャートである。
(Fourth control method)
The
制御部31は、ステップS11〜S17の処理を実行する。ステップS11〜S17は、第1の制御方法の同じ符号の処理と同一内容であるため説明を省略する。
The
制御部31は、ステップS16の後に(つまり、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「結合」であると判定した後に)、ステップS21およびステップS31〜S35の処理を実行する。ステップS21は、第2の制御方法の同じ符号の処理と同一内容であるため説明を省略する。また、ステップS31〜S35は、第3の制御方法の同じ符号の処理と同一内容であるため説明を省略する。
After step S16 (that is, after determining that the coupling state of the
制御部31は、ステップS17またはS34の後に(つまり、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「非結合」であると判定した後に)、電流指令Ip*をゼロに設定する(ステップS41)。また、制御部31は電圧Vdc1をゼロにする(ステップS42)。よって、第1の共振回路15と第2の共振回路16との結合状態が「非結合」である場合に、第1のコイル152(送電側コイル)に流れる電流Ipを最小にできる。
After step S17 or S34 (that is, after determining that the coupling state of the first
制御部31は所定時間経過するまで待機する(ステップS43のNo)。つまり、制御部31は、所定時間、結合状態についての新たな判定を実行しない。制御部31は所定時間が経過すると(ステップS43のYes)、ステップS11の処理に戻る。所定時間は、例えば第1のコイル152および第2のコイル162の距離、位置関係等を調整可能な長さに設定されてもよい。所定時間は、例えば10秒であってもよいし、1分であってもよい。
The
このように、制御部31は、第4の制御方法を実行することによって、第1〜第3の制御方法の効果に加えて、非結合時の電流Ipを最小にできる。
In this way, the
図8は、制御部31が第4の制御方法を実行した場合における、第1のコイル152および第2のコイル162の相互インダクタンスM等の時間変化を例示する図である。図8の例では、制御部31は、時刻t1において、電圧Vdc1が電圧制限値Vlimに達したために、結合状態が「結合」であると判定している。また、図8の例では、制御部31は、時刻t2において、電圧Vdc1が電圧制限下限値VlimLに達したために、結合状態が「非結合」であると判定している。
FIG. 8 is a diagram illustrating a time change of the mutual inductance M and the like of the
以上のように、本実施形態に係る電力伝送装置1は、電圧Vdc1(または電圧指令Vdc1*)が電圧制限値Vlim(または電圧制限下限値VlimL)に達したか否かに基づいて結合状態を判定する。つまり、電力伝送装置1は、受電側からの情報を必要とせずに適切な「結合」または「非結合」の判定を行う。そのため、電力伝送装置1は、送電側コイルおよび受電側コイルの結合状態に応じた電力伝送が可能である。また、本実施形態において、電力伝送装置1は、結合状態が「非結合」であると判定した場合に、第1のコイル152(送電側コイル)に流れる電流Ipを抑制することができる。つまり、電力伝送装置1は、結合状態が「非結合」であると判定した場合に、電圧指令Vdc1*に制限(例えばK1)を設けることによって、または、電圧指令Vdc1*をゼロにすることによって、電流Ipを抑制することができる。 As described above, the power transmission device 1 according to the present embodiment sets the coupling state based on whether or not the voltage Vdc1 (or the voltage command Vdc1 * ) reaches the voltage limit value Vlim (or the voltage limit lower limit value VlimL). judge. That is, the power transmission device 1 makes an appropriate "coupled" or "uncoupled" determination without requiring information from the power receiving side. Therefore, the power transmission device 1 can transmit power according to the coupling state of the power transmission side coil and the power reception side coil. Further, in the present embodiment, the power transmission device 1 can suppress the current Ip flowing through the first coil 152 (transmission side coil) when it is determined that the coupling state is "uncoupled". That is, when the power transmission device 1 determines that the coupling state is "uncoupled", the voltage command Vdc1 * is limited (for example, K1), or the voltage command Vdc1 * is set to zero. , Current Ip can be suppressed.
本発明を諸図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。 Although the present invention has been described based on the drawings and embodiments, it should be noted that those skilled in the art can easily make various modifications and modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these modifications and modifications are within the scope of the present invention.
例えば、上記の実施形態において、結合状態の判定は制御部31の全体で実行される。そして、結合状態についての情報は、制御部31を構成する各機能ブロックで共有される。ここで、制御部31のうちの特定の機能ブロックが結合状態の判定を実行してもよい。例えば、電圧指令制限部315が電圧指令Vdc1*と電圧制限値Vlimとの比較に基づいて結合状態を判定してもよい。そして、電圧指令制限部315が結合状態に応じた信号を生成して、結合状態に応じた信号は電圧指令制限部315以外の機能ブロックに出力されてもよい。例えば、電圧制限切替部314は、結合状態に応じた信号に基づいて、電圧制限値Vlimを選択してもよい。
For example, in the above embodiment, the determination of the coupling state is executed by the
1 電力伝送装置
11 直流電源
12 直流電圧変換部
13 第1のコンデンサ
14 インバータ部
15 第1の共振回路
16 第2の共振回路
17 整流部
18 平滑コンデンサ
19 負荷
21 電流検出器
31 制御部
131 電圧検出器
151 第2のコンデンサ
152 第1のコイル
161 第3のコンデンサ
162 第2のコイル
311 実効値演算部
312 相互インダクタンス特性テーブル
313 電圧指令演算部
314 電圧制限切替部
315 電圧指令制限部
1 Power transmission device 11
Claims (4)
前記直流電圧変換部の出力に並列に接続された第1のコンデンサと、
前記第1の直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
第2のコンデンサと第1のコイルとを有し、前記インバータ部から前記交流電力が供給される第1の共振回路と、
第3のコンデンサと第2のコイルとを有し、前記第1の共振回路と磁気的に結合されて、前記第1の共振回路から前記交流電力を受け取る第2の共振回路と、
前記第2の共振回路から供給された前記交流電力を第2の直流電力に変換して負荷に供給する整流部と、
前記第1の共振回路に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器が検出した電流に基づいて前記直流電圧変換部に電圧指令を出力する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記電流検出器が検出した前記電流の実効値を演算する実効値演算部と、
前記第1のコイルと前記第2のコイルとの相互インダクタンスに応じて変化する前記第1の直流電力の電圧と前記実効値との対応関係を記憶し、前記第1の共振回路と前記第2の共振回路との結合の限界を示す前記相互インダクタンスの前記対応関係において電圧の基準値に対する前記実効値である電流指令を定める相互インダクタンス特性テーブルと、
前記実効値演算部からの前記実効値が、前記電流指令と一致するように原電圧指令を演算する電圧指令演算部と、
電圧制限値を、前記基準値または前記直流電圧変換部が出力できる最大電圧に設定する電圧制限切替部と、
前記原電圧指令を前記電圧制限値で制限して、前記電圧指令を出力する電圧指令制限部と、を備え、
前記電圧指令が前記電圧制限値に達したか否かに基づいて、前記第1の共振回路と前記第2の共振回路との結合状態を判定する、電力伝送装置。 A DC voltage converter that converts the output of the DC power supply and outputs the first DC power,
A first capacitor connected in parallel to the output of the DC voltage converter,
An inverter unit that converts the first DC power into AC power,
A first resonant circuit having a second capacitor and a first coil and to which the AC power is supplied from the inverter unit,
A second resonant circuit having a third capacitor and a second coil, which is magnetically coupled to the first resonant circuit and receives the AC power from the first resonant circuit.
A rectifying unit that converts the AC power supplied from the second resonant circuit into a second DC power and supplies it to the load.
A current detector that detects the current flowing through the first resonant circuit, and
A control unit that outputs a voltage command to the DC voltage conversion unit based on the current detected by the current detector is provided.
The control unit
An effective value calculation unit that calculates the effective value of the current detected by the current detector,
The correspondence between the voltage of the first DC power and the effective value, which changes according to the mutual inductance of the first coil and the second coil, is stored, and the first resonance circuit and the second resonance circuit are stored. A mutual inductance characteristic table that defines a current command that is an effective value with respect to a voltage reference value in the corresponding relationship of the mutual inductance indicating the limit of coupling with the resonance circuit of the above.
A voltage command calculation unit that calculates an original voltage command so that the effective value from the effective value calculation unit matches the current command.
A voltage limit switching unit that sets the voltage limit value to the reference value or the maximum voltage that can be output by the DC voltage converter.
A voltage command limiting unit that limits the original voltage command by the voltage limit value and outputs the voltage command is provided.
A power transmission device that determines a coupling state between the first resonance circuit and the second resonance circuit based on whether or not the voltage command reaches the voltage limit value.
前記結合状態が非結合と判定した場合に、前記電流を抑制するように、前記直流電圧変換部への電圧指令を出力する、請求項1に記載の電力伝送装置。 The control unit
The power transmission device according to claim 1, wherein a voltage command is output to the DC voltage conversion unit so as to suppress the current when the coupling state is determined to be non-coupling.
前記結合状態が結合と判定した場合に、前記インバータ部が出力する交流電力が最大となるように、前記直流電圧変換部への電圧指令を出力する、請求項1または2に記載の電力伝送装置。 The control unit
The power transmission device according to claim 1 or 2, which outputs a voltage command to the DC voltage conversion unit so that the AC power output by the inverter unit is maximized when the coupling state is determined to be coupling. ..
前記結合状態が非結合と判定した場合に、所定時間、前記結合状態についての新たな判定を実行しない、請求項1から3のいずれか一項に記載の電力伝送装置。 The control unit
The power transmission device according to any one of claims 1 to 3, wherein when the combined state is determined to be uncoupled, a new determination regarding the combined state is not executed for a predetermined time.
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