JPWO2015104768A1 - 非接触給電装置の制御方法及び非接触給電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、本発明を具体化した第1実施形態の非接触給電装置を図面に従って説明する。
図1は、非接触給電装置の電気的構成を説明する電気ブロック回路図を示す。非接触給電装置は、1次コイルL1を備えた給電装置1と、その給電装置1から非接触給電を受ける2次コイルL2を備えた受電装置2を有している。
図1に示すように、1次コイルL1を備えた給電装置1は、電源回路10、高周波インバータ11、給電側共振回路12、ドライブ回路13、給電側制御部15、給電側通信回路17、給電側アンテナAT1を備えている。
電源回路10は、整流回路及びDC/DCコンバータを有する。電源回路10には、外部の商用交流電源Gから交流電力が供給される。整流回路は、供給された交流電力を整流する。そして、DC/DCコンバータは、整流回路から供給された直流電圧を所望の電圧に変換し、その直流電圧Vddを駆動電圧として高周波インバータ11に出力する。また、電源回路10は、ドライブ回路13、給電側制御部15、給電側通信回路17にも動作電圧を生成し供給するように構成されている。
図2に示すように、高周波インバータ11は、公知のフルブリッジ回路であって、4個のMOSトランジスタQa,Qb,Qc,Qdを有している。4個のMOSトランジスタQa,Qb,Qc,Qdは、1次コイルL1と給電側共振回路12の直列回路からなる給電装置1の1次側回路を挟んで、襷掛けに接続されたMOSトランジスタQa,Qdの組とMOSトランジスタQb,Qcの組とに分かれる。そして、2つの組を交互にオン・オフさせることによって、1次コイルL1に通電する予め定めた給電用駆動周波数fzの高周波電流を生成する。
そして、1次コイルL1が、これら給電用及び試験用駆動周波数fz、ftの高周波電流で励磁駆動されることによって、受電装置2の2次コイルL2に電力が伝送される。そして、その電力は受電装置2において直流の出力電力Pに変換される。
(給電側共振回路12)
図3に示すように、給電側共振回路12では、容量が違う5個のコンデンサC1〜C5に対して双方向スイッチQ1〜Q5がそれぞれ直列に接続され、その5個の直列回路が並列に接続されている。なお、コンデンサとスイッチの直列回路を5個並列接続したが、限定されるものではなくその他複数個の直列回路を並列に接続してもよい。
ドライブ回路13は、給電側制御部15からの駆動制御信号CTSを受け取り、各MOSトランジスタQa〜Qdのゲート端子に出力するための駆動信号PSa,PSb,PSc,PSdを生成する。つまり、給電側制御部15からの駆動制御信号CTSに基づいて、ドライブ回路13は、各組を交互にオン・オフさせる駆動信号PSa〜PSdを生成する。
給電側制御部15は、マイクロコンピュータを有し、1次コイルL1を予め定めた給電用駆動周波数fzの高周波電流で励磁駆動させるための駆動制御信号CTSをドライブ回路13に出力する。
(給電側通信回路17)
給電装置1は、給電側通信回路17を備えている。給電側通信回路17は、受電装置2から送信される出力電力Pの出力電力情報を、給電側アンテナAT1を介して受信するように構成されている。給電側通信回路17は受信した受電装置2からの出力電力Pの出力電力情報を給電側制御部15に出力する。
次に、2次コイルL2を備えた受電装置2について説明する。受電装置2は、給電装置1の1次コイルL1が発生する磁気エネルギーにより伝送された電力を2次コイルL2にて受電し直流変換して負荷としての2次電池20に供給し、同2次電池20を充電する。
受電装置2は、図1に示すように、2次コイルL2と直列に接続された受電側共振回路21を有している。受電側共振回路21は、第1実施形態では共振コンデンサCxよりなり、2次コイルL2と直列に接続されて、受電装置2の2次側回路を構成している。
受電装置2は、整流回路22を有し、2次コイルL2と共振コンデンサCxの直列回路よりなる2次側回路に接続されている。整流回路22は、給電装置1の1次コイルL1の磁気エネルギーを用いて伝送された電力を受電した2次コイルL2に誘起された誘起起電力を全波整流し、次段に設けたコンデンサよりなる平滑回路23に出力して直流電力に変換する。そして、直流電力は、2次電池20に供給される。
2次電池20は、リチウム電池等の2次電池である。
(出力電力検出回路24)
出力電力検出回路24は、平滑回路23と2次電池20の間に設けられ、2次電池20に供給されるその時々の出力電力Pを検出する。出力電力検出回路24は、検出した出力電力Pの検出信号を受電側制御部25に出力する。
受電側制御部25は、マイクロコンピュータを有し、出力電力検出回路24からの出力電力Pの検出信号を出力電力情報として受電側通信回路26に出力する。
受電側通信回路26は、受電側アンテナAT2を介して給電装置1の給電側通信回路17に出力電力情報を送信するように構成されている。
なお、作用を説明するに際して、給電装置1を給電ステーションに設け、受電装置2を電気自動車に搭載してなる電気自動車非接触給電システムに具体化して、非接触給電装置を説明する。
給電装置1の給電側制御部15は、受電装置2からの新たな出力電力情報を取得する。そして、給電側制御部15は、その新たな出力電力情報を内部に設けた記憶回路に記憶し、今までの試験用駆動周波数ftと周波数が異なる新たな試験用駆動周波数ftの高周波電流で1次コイルL1を励磁駆動させる。
(1)給電装置1は、実給電の前に、テストモードを行い、その時の1次コイルL1と2次コイルL2の結合状態での共振特性F1(共振周波数fr)を割り出す。そして、高周波インバータ11の予め定めた給電用駆動周波数fzを、遅相モードの範囲に位置するように、給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を制御し共振特性F1(共振周波数fr)を調整した。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態の非接触給電システムについて説明する。
図5に示すように、給電装置1は、1次電流検出回路14を有している。1次電流検出回路14は、高周波インバータ11と給電側共振回路12の間に設けられている。1次電流検出回路14は、1次コイルL1に流れるその時々の1次電流iを検出する。1次電流検出回路14は、その検出した1次電流iの値を給電側制御部15に出力する。
給電側制御部15は、第1実施形態と同様に、給電用及び試験用駆動周波数fz,ftの高周波電流を生成するための駆動制御信号CTSをドライブ回路13に出力する。
なお、作用を説明するに際して、非接触給電装置を、給電装置1を給電ステーションに設け、受電装置2を電気自動車に搭載してなる電気自動車非接触給電システムに具体化して説明する。
(1)給電装置1と受電装置2との間でデータの授受を行う必要がないために、給電装置1及び受電装置2には通信機器を設けなくてもテストモードを行うことができる。
次に、第3実施形態の非接触給電システムについて説明する。
図6に示すように、第3実施形態では、受電側共振回路21が可変のコンデンサ容量(共振パラメータ)を有し、受電装置2に設けられた受電側制御部25が、受電側共振回路21のコンデンサ容量を調整するように構成されている。これにより、給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を固定にした。
なお、作用を説明するに際して、給電装置1を給電ステーションに設け、受電装置2を電気自動車に搭載してなる電気自動車非接触給電システムに具体化して、非接触給電装置を説明する。
○図8に示すように、非接触給電装置において、給電装置1に給電側通信回路17を設けるとともに、受電装置2に受電側通信回路26を設ける。受電装置2の受電側制御部25の記憶回路に予め記憶された受電装置情報を、受電側通信回路26を介して給電装置1に送信する。この受電装置情報を給電側通信回路17が受信し、給電側制御部15に出力する。これによって、給電側制御部15は、この受電装置情報に基づいてテストモードの処理を変更してより効率のよい実給電が実現させてもよい。
例えば、受電装置情報が、受電装置2に設けた2次コイルL2のコイル径、線径、巻数、コイル形状、設置高さ、インダクタンス、受電側共振回路21のコンデンサ容量等の情報を含む。この場合、給電側制御部15は、これら情報と予め試験、実験、計算等で求めたデータに基づいて1次コイルL1と2次コイルL2との結合係数を推定する。給電側制御部15は、推定された結合係数から共振特性F1(共振周波数fr)を推定する。
また、給電ステーションに設けた給電装置1の給電側制御部15に内蔵した記憶回路に、車種毎の上記した各種の受電装置情報のデータを記憶する。そして、電気自動車に設けた受電装置2は、自身の車種情報のみを受電装置情報として給電装置1に送信してもよい。
これに対し、図9に示すように、給電側共振回路12は、コンデンサC0とスイッチQy1の直列回路30を複数個ラダー状にスイッチQy2を介して接続して構成されてもよい。給電側制御部15は、スイッチQy1とスイッチQy2を適宜選択してオンさせて給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を調整してもよい。
これに対し、図10に示すように、給電側共振回路12は、共振用の複数のコイルLr1〜Lr5を並列に接続し、その並列回路にコンデンサC0を直列に接続して構成されてもよい。給電側制御部15は、スイッチQ1〜Q5を適宜オン・オフさせて給電側共振回路12のインダクタンス(共振パラメータ)を調整して、予め定めた給電用駆動周波数fzが遅相モードに位置するように制御してもよい。
さらに、複数のコイルLr1〜Lr5が、同じ値のインダクタンスを有し、給電側制御部15は、同時に複数個のコイルを選択し給電側共振回路12のインダクタンス(共振パラメータ)を制御してもよい。
○各実施形態では、共振特性F1が1つの共振周波数frを有する場合に、給電側制御部15は、給電用駆動周波数fzがその時の共振特性F1の共振周波数frより高い周波数領域である遅相モードの範囲にあるように、給電側共振回路12を制御した。共振特性が2つの直列共振点(山部)と1つの並列共振点(谷部)とを有する場合、つまり双峰性を有する場合、給電側制御部15は、給電用駆動周波数fzがその時の共振特性の2つの直列共振周波数のうちの高い直列共振周波数の周波数領域における遅相モードの範囲にあるように、または給電用駆動周波数fzがその時の共振特性の2つの直列共振周波数のうちの低い直列共振周波数の周波数領域における遅相モードの範囲にあるように、給電側共振回路12を制御してもよい。これにより、共振特性が双峰性を有する場合でも、高周波インバータ11におけるパワー制御用途のMOSトランジスタQa〜Qdのハードスイッチングは回避され、損失増加が未然に防止されるとともに素子の損傷が未然に防止される。
ここで、各双方向スイッチQz1,Qz2は、第1ゲート端子G1及び第2ゲート端子G2からなるダブルゲートを有したGaN(窒化ガリウム)双方向スイッチデバイスとしてもよい。
まず、第1双方向スイッチQz1は、第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオフ信号が出力されて第4モードになってオフする。一方、第2双方向スイッチQz2は、第1及び第2ゲート端子G1,G2に共にオン信号が出力されて第3モードになってオンする。これによって、給電側共振回路12の両端子間は短絡された状態になる。
以上の動作を、高周波電流(給電用駆動周波数fz)の1周期の間に、1回又は複数回行うとともに充放電時間を制御する。これによって、コンデンサCzの見かけ上の容量、即ち、図11及び図12に示す給電側共振回路12のコンデンサ容量(共振パラメータ)を可変することができる。
これに対し、図13に示すように、受電側共振回路21は、共振用の複数のコイルLx1〜Lx5を並列に接続し、その並列回路にコンデンサCx0を直列にして構成されてもよい。受電側制御部25は、スイッチQx1〜Qx5を適宜オン・オフさせて受電側共振回路21のインダクタンス(共振パラメータ)を調整してもよい。
さらに、複数のコイルLx1〜Lx5が、同じ値のインダクタンスを有し、受電側制御部25は、同時に複数個のコイルを選択し受電側共振回路21のインダクタンス(共振パラメータ)を制御してもよい。
また、受電側共振回路21を、図11又は図12に示す回路構成にして、受電側制御部25は、受電側共振回路21のコンデンサ容量(共振パラメータ)を調整してもよい。
Claims (14)
- 給電側共振回路と、該給電側共振回路に接続された1次コイルとを含む給電装置と、受電側共振回路と、該受電側共振回路に接続され、磁気エネルギーを用いて前記1次コイルから電力を受電可能な2次コイルと、該2次コイルにて受電された電力を整流して出力電力を生成し負荷に供給する整流回路とを含む受電装置とを備える非接触給電装置の制御方法であって、
複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電させてその時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定する手法、または前記負荷に供給される出力電力に基づいて、その時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定する手法の少なくとも1つの手法を用いる非接触給電装置の制御方法。 - 請求項1に記載の非接触給電装置の制御方法において、
複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電する際に前記1次コイルに流れる1次電流に基づいて、その時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定することを備える非接触給電装置の制御方法。 - 請求項1に記載の非接触給電装置の制御方法において、
複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルが通電されることによって前記負荷に供給される出力電力に基づいて、その時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定することを備える非接触給電装置の制御方法。 - 請求項1に記載の非接触給電装置の制御方法において、
複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電する際に前記1次コイルに流れる1次電流、もしくは前記1次コイルが通電されることによって前記負荷に供給される出力電力に基づいて、その時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定すること、
特定された共振特性の共振周波数に基づいて、前記給電側共振回路又は前記受電側共振回路の少なくとも一方の共振パラメータを制御してその共振特性の共振周波数を偏倚させることを備える非接触給電装置の制御方法。 - 請求項1に記載の非接触給電装置の制御方法において、
複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電させることによってその時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定すること、
特定された共振特性の共振周波数に基づいて、給電用駆動周波数が、その共振特性の共振周波数より高い周波数領域の遅相モードの範囲に位置するように、前記給電側共振回路又は前記受電側共振回路の少なくとも一方の共振パラメータを制御してその共振特性の共振周波数を偏倚させること、
共振特性の共振周波数を偏倚させた後、前記給電用駆動周波数の高周波電流で前記1次コイルを通電することによって給電を開始することを備える非接触給電装置の制御方法。 - 非接触給電装置であって、
給電側共振回路と、該給電側共振回路に接続された1次コイルとを含む給電装置と、
受電側共振回路と、該受電側共振回路に接続され、磁気エネルギーを用いて前記1次コイルから電力を受電可能な2次コイルと、該2次コイルにて受電された電力を整流して出力電力を生成し負荷に供給する整流回路とを含む受電装置と、
前記1次コイルに流すための高周波電流を生成する高周波インバータと、
前記高周波インバータに対して、複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流を生成させ、生成された複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電させる試験駆動制御回路と、
複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電する際の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定する共振周波数特定回路と、
給電用駆動周波数が、特定された共振特性の共振周波数より高い周波数領域の遅相モードの範囲に位置するように、前記給電側共振回路又は前記受電側共振回路の少なくとも一方の共振パラメータを制御してその共振特性の共振周波数を偏倚させるパラメータ制御回路と
を備える、非接触給電装置。 - 請求項6に記載の非接触給電装置において、
前記給電装置は、
複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電する際に前記1次コイルに流れる1次電流を検出する1次電流検出回路を含み、
前記共振周波数特定回路は、前記給電装置に設けられ、1次電流検出回路により検出された1次電流に基づいて、その時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定する、非接触給電装置。 - 請求項6に記載の非接触給電装置において、
前記共振周波数特定回路は、複数の試験用駆動周波数の各々の高周波電流で前記1次コイルを通電することにより前記負荷に供給される出力電力に基づいて、その時の前記1次コイルと前記2次コイルとの結合状態における共振特性の共振周波数を特定する、非接触給電装置。 - 請求項8に記載の非接触給電装置において、
前記受電装置は、
前記負荷に出力される出力電力を検出し、出力電力情報を生成する出力電力検出回路と、
前記出力電力検出回路から供給された出力電力情報を前記給電装置に送信する受電側通信回路とを備え、
前記給電装置は、前記受電側通信回路からの前記出力電力情報を受信し、前記共振周波数特定回路に出力する給電側通信回路を含む、非接触給電装置。 - 請求項6〜9のいずれか1つに記載の非接触給電装置において、
前記給電側共振回路は、前記1次コイルに対して直列に接続された可変コンデンサを含み、
前記共振パラメータは、前記可変コンデンサのコンデンサ容量を含む、非接触給電装置。 - 請求項6〜10のいずれか1つに記載の非接触給電装置において、
前記給電側共振回路は、前記1次コイルに対して直列に接続された可変コイルを含み、
前記共振パラメータは、可変コイルのインダクタンスを含む、非接触給電装置。 - 請求項6〜11のいずれ1つに記載の非接触給電装置において、
前記受電側共振回路は、前記2次コイルに対して直列に接続された可変コンデンサを含み、
前記共振パラメータは、前記可変コンデンサのコンデンサ容量を含む、非接触給電装置。 - 請求項6〜12のいずれか1つに記載の非接触給電装置において、
前記受電側共振回路は、前記2次コイルに対して直列に接続された可変コイルを含み、
前記共振パラメータは、前記可変コイルのインダクタンスを含む、非接触給電装置。 - 請求項6〜12のいずれか1つに記載の非接触給電装置において、
前記受電装置は、
受電側通信回路と、自身の受電装置情報を記憶しその受電装置情報を、前記受電側通信回路を介して前記給電装置に送信する受電側制御回路とを含み、
前記給電装置は、
前記受電側通信回路から送信された前記受電装置情報を受信する給電側通信回路と、前記給電側通信回路により受信された前記受電装置情報に基づいて前記試験駆動制御回路、前記共振周波数特定回路、前記パラメータ制御回路の少なくとのいずれか1つの処理動作を制御する制御回路とを含む、非接触給電装置。
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