JP7433431B2

JP7433431B2 - 送電装置

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Publication number: JP7433431B2
Application number: JP2022529127A
Authority: JP
Inventors: 卓哉中西
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-06-01
Filing date: 2020-06-01
Publication date: 2024-02-19
Anticipated expiration: 2040-06-01
Also published as: JPWO2021245723A1; US20230074976A1; US11962170B2; DE112020007279T5; WO2021245723A1; CN115668690A

Description

本願は、送電装置に関するものである。

空間を隔てた２つのコイル間での磁界結合により電力を伝送する非接触給電技術がある。この非接触給電技術を自動車、エレベータ、または工場の搬送装置等の移動体への電力供給に適用するため、種々の技術開発が行われている。その中に移動体の進行方向に複数敷設するコイルの適切な切替技術およびコイルの敷設方法に関する技術が存在する（例えば特許文献１を参照）。従って、移動体への非接触給電を実現するために、移動経路上に送電コイルを複数敷設し、移動体の移動に応じて移動体に搭載された受電コイルに電力を伝送する送電コイルを順次切り替えていく。この場合、敷設された複数の送電コイルの、どの送電コイル上に移動体が存在するか、あるいはどの送電コイル上に移動体が存在しないかを検知する必要がある。

特許第６２２１４６０号公報

このような検知手段として、特許文献１に記載されているように、カメラにより受電コイルの位置を検知し、受電コイルの位置が送電コイルの有効範囲内にあるかを判定したり、赤外線センサを用いて直接移動体コイルの位置を検知する方法がある。

しかし、カメラによる判別も、赤外線センサによる判別も、カメラ及び赤外線センサなどの検知装置が別途必要となり、周辺部品数の増加によるコスト増となる。また、赤外線センサの場合、赤外線センサ上を通過した物体が、給電対象の受電コイルなのか、あるいは別の物体なのかの判別が困難である。

本願は、上述のような問題を解決するためになされたもので、追加のセンサを必要とせず、受電コイルの位置を検出することができる送電装置を提供する。

本願に開示される送電装置は、
交流電力を出力するインバータ、
前記インバータと接続された複数の送電コイル、
前記インバータと前記送電コイルとの導通、切断を行う切替スイッチ、
を備え、移動体に搭載された受電コイルと前記送電コイルとの間で非接触給電を行うものであって、
前記移動体の移動方向に配置された前記複数の送電コイルのうち、隣り合う送電コイルのそれぞれの切替スイッチを導通させたとき、互いに逆方向に電流が流れるように前記インバータと前記送電コイルとは接続されており、この逆方向に流れる電流の差分を測定する電流センサ、
前記電流センサの測定値と閾値とを比較することにより、前記受電コイルが前記送電コイル上に存在するか否かを判断する制御部、
を備えたことを特徴とする。

本願に開示される送電装置によれば、追加のセンサを必要とせず、受電コイルの位置を検出することが可能となる。

実施の形態１に係る送電装置の構成図である。制御部のハードウエアの構成を説明する図である。実施の形態１に係る送電装置の送電コイルに流れる電流経路を説明する図である。実施の形態１に係る送電装置の動作を説明するフローチャートである。高周波インバータからの出力電圧の一例を示す波形図である。電流センサに流れる電流の方向および大きさの一例を説明する図である。送電コイルに生じる磁界の一例を説明する図である。受電コイルが送電コイル５１上に到達した際の送電装置の構成図である。電流センサに流れる電流の方向および大きさの他の例を説明する図である。送電コイルに定格電力を出力する際のスイッチング状態を示した送電装置の構成図である。受電コイルが送電コイル５１を通過した後のスイッチング状態を示した送電装置の構成図である。受電コイルが送電コイル５２上に到達した際の送電装置の構成図である。実施の形態２に係る送電装置の構成図である。実施の形態３に係る送電装置の構成図である。実施の形態４に係る送電装置の動作の一例を示すフローチャートである。実施の形態４に係る送電装置の動作の一例を示す別のフローチャートである。

以下、本願に係る送電装置の好適な実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、同一内容および相当部については同一符号を配し、その詳しい説明は省略する。以降の実施形態も同様に、同一符号を付した構成について重複した説明は省略する。

実施の形態１．
<基本構成>
本実施の形態における送電装置の基本的な構成を説明する。図１は本実施の形態の送電装置の構成を示す構成図である。ここでは送電コイルが３つ接続される場合の説明をするが、送電コイルが４つ以上接続された場合でも同様に実施可能である。
送電装置は、交流電力を出力するブリッジ構成の高周波インバータ１と、高周波インバータ１の出力端に接続されるインダクタ２と、インダクタ２に接続されるキャパシタ３と、キャパシタ３に接続される切替スイッチ部４と、切替スイッチ部４に接続される送電コイル部５と、電流センサ８と、制御部９で構成される。制御部９からの矢印は、高周波インバータ１および切替スイッチ部４を制御することを示している。

制御部９内のマイコンのハードウエアの一例を図２に示す。プロセッサ９１と記憶装置９２から構成され、図示していないが、記憶装置９２はランダムアクセスメモリ等の揮発性記憶装置と、フラッシュメモリ等の不揮発性の補助記憶装置とを備える。プロセッサ９１は、記憶装置９２から入力されたプログラムを実行することにより、例えば、以下に詳述する動作を行う。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ９１にプログラムが入力される。また、プロセッサ９１は、演算結果等のデータを記憶装置９２の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。
なお、制御部９内のハードウエアはマイコンでなくてもよく、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｐｅｃｉｆｉｃｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）、簡単な論理回路、またはリレーなどでもよい。

また、図１において、切替スイッチ部４は、複数の切替スイッチ４１、４２、４３を備える。送電コイル部５は、複数の送電コイル５１、５２、５３を備え、送電コイル５１、５２、５３のそれぞれの切替スイッチ４１、４２、４３に直列接続される。電流センサ８は、複数の送電コイル５１、５２、５３に流れる電流を一括して測定できる。

<送電コイルと切替スイッチの接続>
送電コイル５１、５２、５３は、高周波インバータ１が交流電力を出力したときに、隣り合う送電コイルが最も近接する電流経路において、同方向に電流が流れるように、切替スイッチと接続される。図３に送電コイル５１と送電コイル５２に同時に電流を流した場合の電流の向きを示す。

<電流センサの構成>
図１または図３における電流センサ８が、送電コイル電流を一括測定する部分の構成は次に記載する通りである。キャパシタ３の２つの接続端をそれぞれＨＬｉｎｅ、ＬＬｉｎｅとしたとき、電流センサ８の構成として送電コイルの設置順に、ＨＬｉｎｅとＬＬｉｎｅとが交互になっていればよい。例えば、送電コイル５１のＬＬｉｎｅに接続される部分、送電コイル５２のＨＬｉｎｅに接続される部分、送電コイル５３のＬＬｉｎｅに接続される部分を一括して電流センサ８は測定できるように構成される（送電コイルの敷設順にＬ、Ｈ、Ｌの順に構成)。または、送電コイル５１のＨＬｉｎｅ、送電コイル５２のＬＬｉｎｅ、送電コイル５３のＨＬｉｎｅに接続される部分の電流を一括して測定する構成でもよい（送電コイルの敷設順にＨ、Ｌ、Ｈの順に構成）。

高周波インバータ１は、図１、図３では４つのスイッチング素子を用いたフルブリッジ回路で構成されるが、この構成に限定せず、ハーフブリッジ回路、またはその他の回路構成を用いてもよい。
また、切替スイッチ部４を構成する各切替スイッチ４１、４２、４３は、リレースイッチ、および半導体スイッチのどちらを用いてもよい。

<基本動作>
次に、本実施の形態における基本動作を図４のフローチャートを参照して説明する。
まず制御部９により、図１に示すように、切替スイッチ４１、４２をオンにし、切替スイッチ４３をオフにする（ステップＳ１）。このうちオンにする２つの切替スイッチ４１、４２は、移動体１００の進行方向Ｘに対して隣接する送電コイル(ここでは送電コイル５１と送電コイル５２)が接続されたスイッチである。一定の時間間隔をもって、高周波インバータ１から移動体１００に搭載された受電コイル１０１の検出のために電力を出力する。このとき、高周波インバータ１からは、定格電力入力時よりも小さな電力（例えば、定格電力の１％の電力）を出力する（ステップＳ２）。図５に高周波インバータ１から出力する電圧波形の一例を示す。

その後、電流センサ８の電流値Ｉｄｅｔを測定する（ステップＳ３）。もし、移動体１００に受電コイル１０１が搭載されていない場合、図６のように、送電コイル５１と送電コイル５２には、反対方向に電流が流れるため、電流センサ８からは、誤差以上の電流は検出されない。

また図７に示すように、送電コイル５１と送電コイル５２に流れる電流によって生じる磁界は、送電コイル５１、５２の直径程度よりも離れた部分では、打消しあう方向となり、漏洩磁界強度は小さくなる。なお、図７では、簡略化および簡明化のため、コイルおよび磁界の比率は実際と異なる比率で記載している。

電流センサ８から、検出される電流が十分小さいとき、移動体１００側の受電コイル１０１が送電コイル５１，５２、５３の直上に存在しないと制御部９が判定する（ステップＳ４）。次に、図８に示すように移動体１００に搭載された受電コイル１０１が、送電コイル５１が給電できる範囲（本実施の形態の場合、送電コイルの直上）に進入してきた場合、送電コイル５１側のインピーダンスと送電コイル５２側のインピーダンスに差異が生じる。これにより、電流センサ８に流れる電流にも差異が生じ、図９に示すような電流が流れる。送電コイルに接続される電流経路順にそれぞれ、ノード０１、ノード０２、およびノード０３とする。ノード０１には大きな電流が流れ、ノード０２にはノード０１と比較して、小さな電流が流れる。ノード０３では切替スイッチがオフになっているため、電流は流れない。このような状況では、ノード０１とノード０２では電流値に差異が生じるため、打ち消し合わない。従って、電流センサ８において電流値Ｉｄｅｔが検出される。電流値Ｉｄｅｔが十分大きく、制御部９の記憶装置９２に予め記憶されている閾値Ｉｔｈを超えると、移動体１００に受電コイル１０１が搭載されていると制御部９が判定する（ステップＳ５）。

受電コイル１０１の検出が完了すると、図１０に示すように、制御部９により、切替スイッチ４２をオフにする（ステップＳ６）。切替スイッチ４２がオフとなったことにより、受電コイル１０１が磁気的に結合している送電コイル５１にのみ電力を供給できる状態となる。この後、制御部９からの指示により、高周波インバータ１から定格電力の出力を行う（ステップＳ７）。

移動体１００の移動により、受電コイル１０１が送電コイル５１の直上を脱した後は、図１１に示すように、切替スイッチ４２、４３をオン、切替スイッチ４１をオフにして、送電コイル５２と送電コイル５３に電流を流して、移動体１００の受電コイル１０１の検出を前述と同様に行う。受電コイル１０１の検出後は、図１２のように切替スイッチ４３をオフにする。

以上は送電コイルが３つ接続されている場合の動作であるが、送電コイルが４つ以上接続される場合にも、オン、オフされる切替スイッチの組み合わせが順次変わっていくだけで、それ以外は上記と同様の動作を行う。

<本実施の形態の効果>
（１）このように、２つの隣り合う送電コイル５１、５２に同時に電流を流し、送電コイル５１、５２から十分離れたところにおいては、磁界が打ち消しあう向きに電流を流す構成にすることで、漏洩磁界を低減することが可能となる。移動体１００に搭載された受電コイル１０１を検出する際に、あえて２つの送電コイル５１、５２に電流を流すことで、漏洩電磁界の低減が可能となる。

（２）加えて、本実施の形態においては電流センサ８が各送電コイル５１～５３に流れる電流を一括して測定する構成となっている。本構成を用いることにより受電コイル１０１を検出する際の電流センサ８が１つで済む効果がある。通常、電流センサは複数の送電コイルと同数用意し、それぞれの送電コイル電流を随時測定する必要がある。しかし、本実施の形態の構成においては、送電コイルごとに電流センサを付加する必要はなく電流センサの数を低減できる。

（３）受電コイル１０１の検出のために、切替スイッチ４１～４３と送電コイル５１～５３とを同数備え、うち２つをオンにし、それ以外をオフにすることが可能な構成を有し、かつ、隣り合う送電コイル５１、５２の電流経路において、通電電流が逆方向となるように構成しているので、移動体１００に受電コイル１０１が存在しない場合には、常に電流がゼロもしくは、非常に小さくできる。

実施の形態２．
<構成>
図１３は、実施の形態２における送電装置の基本的な構成を説明する図である。電流センサ１０を電流センサ８と同じ箇所に備える。ここでの同じ箇所の意味は電流センサ８と同一の電流線路を一括して計測できる位置であることを意味する。またこの電流センサ１０は電流センサ８と異なる分解能設定を有し、電流センサ１０は電流センサ８よりも大きな電流を測定できる。電流センサ１０は受電コイル１０１の検出時に用いず、受電コイル１０１を検出後の定格電力の伝送に用いる。

<基本動作>
実施の形態２における基本的な動作は実施の形態１に記載したものと同様である。電流センサ８で電流を検出し、受電コイル１０１が送電コイル５１～５３上に存在すると判定したのち、高周波インバータ１から高周波電力の定格出力を行う。この際、高周波インバータ１からの出力電力あるいは出力電流の制御に電流センサ１０を用いて行う。

<実施の形態２の効果>
電流センサはその分解能の関係上、大電流と小電流の測定を兼ねることが困難である。そのため、実施の形態１のように、電流センサ８を、受電コイル１０１の検出動作と、定格出力動作時の電力制御で共用すると、測定可能な最小電流値が、小電流用の電流センサに比べて大きくなってしまう。その結果、受電コイル１０１の検出時に、小電流用の電流センサに比べ、高周波インバータ１から大きな電力を送電コイルに供給する必要が有り、不要な漏洩電磁界の強度が増加する。例えば、電流センサ８の分解能が８ビット、電力伝送時の電流値の最大値を１００アンペアとすると、電流センサ８で計測できる電流最小値は、約０．４アンペアとなる。従って、受電コイル１０１を検出する動作を行うときには、０．４アンペア以上の電流を流さないと、受電コイル１０１の検出ができない。

このため、定格出力時の電力制御用に電流センサ１０を用いることで、受電コイル１０１の検出に用いる電流センサ８を、電流センサ１０に比べ、小さな電流の測定が可能な構成にすることができる。この構成によって受電コイル１０１を検出する際の、高周波インバータ１からの供給電力を小さくすることが可能となり、漏洩電磁界を低減できる効果がある。

実施の形態３．
<構成>
図１４は実施の形態３の送電装置を示す図である。電流センサ８とは別に電流センサ１１を備える。電流センサ１１は高周波インバータ１の入力電流を測定できる箇所に備える。またこの電流センサ１１は移動体１００の受電コイル１０１の検出時に用いず、受電コイル１０１を検出後の定格電力伝送時の電力制御に用いる。

<基本動作>
本実施の形態の基本的な動作は実施の形態１に記載したものと同様である。電流センサ８で電流を検出し、移動体１００の受電コイル１０１が送電コイル５１～５３上に存在すると判定したのち、高周波インバータ１から高周波電力の定格出力を行う。このとき高周波インバータ１からの出力電力あるいは出力電流の制御に電流センサ１１を用いる。

<実施の形態３の効果>
（１）実施の形態２で説明したように、電流センサ８のみで受電コイル１０１の検出と伝送電力の制御を行った場合、電流センサの分解能に起因する課題が生じる。これに対して、受電コイル１０１の検出用の電流センサ８とは別に電力制御用の電流センサ１１を別途設けることで、移動体１００に搭載された受電コイル１０１を検出する際には高周波インバータ１からの電力を低出力にすることができ、漏洩磁界の低減が可能となる。

（２）加えて、電流センサ１１を高周波インバータ１の電流入力部に備えているので、定格出力を伝送する際の実効電力を、高精度に制御できる効果がある。実施の形態２では、高周波インバータ１の出力電流を測定しているため、高周波インバータ１の出力部の力率によっては伝送電力の目標値と実際の値の誤差が大きくなる可能性がある。また力率を考慮して伝送電力の実効値を制御することも可能であるが、高周波インバータ１の出力電圧と出力電流の位相差を算出する等、演算が複雑になる。これに対し、本実施の形態では、高周波インバータ１の入力電流を測定することで、実質的に実効電力の測定が可能であるため、前述したような力率による補正は不要となる。移動体１００に対し、高精度な伝送電力制御が要求される場合に、効果的である。すなわち、本実施の形態の構成を用いることにより低力率時にも高精度な電力制御が容易になる。

実施の形態４．
<構成および動作>
本実施の形態における送電装置の基本的な構成は実施の形態１と同一である。本実施の形態の特徴は、実施の形態１において、予め記憶装置９２に記憶していた閾値Ｉｔｈを、予め電流センサ８で測定した測定値を使用することにある。

すなわち、実施の形態１で説明した基本動作の前に、図１５に記載した次の動作を実施する。
受電コイル１０１が存在しないことが明らかな状況において、切替スイッチ４１、４２をオンにし、切替スイッチ４３をオフにする（ステップＳ８）。その後、高周波インバータ１から受電コイル検出時に用いる高周波電力を出力する（ステップＳ９）。電流センサ８の出力を測定し（ステップＳ１０）、測定された電流値Ｉｔｈ０１を記憶装置９２に記録する（ステップＳ１１）。次に、切替スイッチ４２、４３をオンにし、切替スイッチ４１をオフにする（ステップＳ１２）。その後、高周波インバータ１から受電コイル検出時に用いる高周波電力を出力する（ステップＳ１３）。電流センサ８の出力を測定し（ステップＳ７）、測定された電流値（Ｉｔｈ０２）を記憶装置９２に記録する（ステップＳ１４）。

送電コイルが４つ以上存在する場合には、上述の手順を繰り返し、順次、隣り合う送電コイル２つに同時に高周波電流を流し、電流センサ８で測定された電流値（Ｉｔｈｘ）を記録していく（ステップＳ１５）。Ｉｔｈｘのｘは、０１から送電コイルの数を示す。

次に、図１６に示すように、実施の形態１の動作を行う。切替スイッチ４１、４２をオンにし、切替スイッチ４３をオフにする（ステップＳ１）。このうちオンにする２つの切替スイッチ４１、４２は、移動体１００の進行方向Ｘに対して隣接する送電コイル５１、５２が接続されたスイッチである。一定の時間間隔をもって、受電コイル１０１を検出するために高周波インバータ１から送電コイル５１、５２に電力を出力する（ステップＳ２）。

電流センサ８で測定された電流値Ｉｄｅｔ（ステップＳ３）と、記憶装置９２に記録された電流値Ｉｔｈ０１を比較する（ステップＳ１６）。電流値Ｉｄｅｔが電流値Ｉｔｈ０１と同等あるいは、それ以下の場合には、受電コイル１０１は送電コイル５１上に存在しないと判定し、受電コイルの検出を続行する。電流センサ８で測定される電流値Ｉｄｅｔが電流値Ｉｔｈ０１よりも大きい場合には受電コイル１０１は送電コイル５１上に存在すると判定し（ステップＳ１７）、切替スイッチ４２をオフにし（ステップＳ１８）、オンしている切替スイッチ４１に接続された送電コイル５１から受電コイル１０１に定格出力を開始する（ステップＳ１９）。受電コイル１０１が送電コイル５１の直上を脱した後は、切替スイッチ４２,４３をオン、切替スイッチ４１をオフにして、次の送電コイル５２、５３に対する電流値Ｉｄｅｔに対し、記録されている電流値Ｉｔｈ０２との比較を行い、上述と同様の動作を送電コイルの数ｘ分繰り返す。

<実施の形態４の効果>
複数の送電コイル５１～５３は、製造時の誤差、敷設箇所の違い、または送電コイルの敷設箇所から高周波インバータの距離の違い等に起因して、異なるインダクタンス値を持ち得る。この場合、送電コイル直上に受電コイル１０１がない状態で２つの隣り合う送電コイル５１、５２に高周波電流を流しても、電流センサ８で検出される電流は、０にはならず、インダクタンスの差異の分、電流値が検出される場合がある。この電流値を無くすために、送電コイル製造時のスクリーニングおよびパラメータ調整を行うことが考えられる。しかし、そのような対策は手間がかかりコストが増加する。本実施の形態の方法を用いれば、送電コイル５１～５３のそれぞれのインダクタンスの相違、または敷設によるインダクタンスの誤差がある場合でも、受電コイル１０１が無い場合に測定された電流値Ｉｔｈｘ（本実施の形態の場合、ｘ＝０１～０３）を全て記録しているので、受電コイル１０１の存在または不存在の判定の精度向上を図ることができる。
これにより、送電コイルの製造時の誤差の許容性、または敷設時のインダクタンス値変化に対する許容性も向上させることができる。

本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１：高周波インバータ、２：インダクタ、３：キャパシタ、４：切替スイッチ部、５：送電コイル部、８、１０、１１：電流センサ、９：制御部、１００：移動体、１０１：受電コイル

Claims

交流電力を出力するインバータ、
前記インバータと接続された複数の送電コイル、
前記インバータと前記送電コイルとの導通、切断を行う切替スイッチ、
を備え、移動体に搭載された受電コイルと前記送電コイルとの間で非接触給電を行う送電装置において、
前記移動体の移動方向に配置された前記複数の送電コイルのうち、隣り合う送電コイルのそれぞれの切替スイッチを導通させたとき、互いに逆方向に電流が流れるように前記インバータと前記送電コイルとは接続されており、この逆方向に流れる電流の差分を測定する電流センサ、
前記電流センサの測定値と閾値とを比較することにより、前記受電コイルが前記送電コイルから給電できる範囲に存在するか否かを判断する制御部、
を備えたことを特徴とする送電装置。
前記受電コイルが前記送電コイルから給電できる範囲に存在すると前記制御部が判断したとき、前記隣り合う送電コイルのうちの前記受電コイルが存在しない側の送電コイルと前記インバータとの接続を切断するとともに、前記受電コイルに給電するために、前記インバータと導通している送電コイルに前記インバータから電力を供給するように制御することを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
前記電流センサは、前記インバータと導通している送電コイルに電力を供給する電流も検出することを特徴とする請求項２に記載の送電装置。
前記インバータと導通している送電コイルに電力を供給するための電流を検出し、前記電流センサと分解能の異なる別の電流センサを、前記逆方向に流れる電流の差分を測定できる前記電流センサと同じ箇所に配置したことを特徴とする請求項２に記載の送電装置。
前記インバータと導通している送電コイルに電力を供給する際の電流を制御するために前記インバータの入力電流を測定する電流センサを備えたことを特徴とする請求項２に記載の送電装置。
前記閾値は、前記受電コイルが存在しないときの隣り合う送電コイルに逆方向に流れる電流の差分を予め測定した値であることを特徴とする請求項１に記載の送電装置。