KR101561761B1 - 차량 - Google Patents

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KR101561761B1
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신지 이치카와
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도요타지도샤가부시키가이샤
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Abstract

차량은, 차량(100)의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 장치(110)와, 차량 내부에서 전기 기기에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 송전 장치(184)를 포함한다. 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수는 상이하도록 설정된다. 바람직하게는, 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수가 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수보다도 낮아지도록, 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수가 설정된다. 보다 바람직하게는, 수전 장치가 차량 외부에 설치된 외부 송전 장치로부터 비접촉으로 수전하는 전력은, 송전 장치가 비접촉으로 전기 기기에 송전하는 전력보다도 크다.

Description

차량 {VEHICLE}
본 발명은 차량, 전기 기기 및 전력 송수전 시스템에 관한 것이며, 특히, 비접촉으로 송수전을 행하는 차량, 전기 기기 및 전력 송수전 시스템에 관한 것이다.
전기 자동차나 플러그인 하이브리드 자동차 등, 외부로부터 차량 탑재의 축전 장치에 충전이 가능하게 구성된 차량이 실용화되어 있다. 충전을 자동으로 행하는 것이나, 그로 인해 주차 위치를 유도하는 기술도 검토되고 있다. 또한 , 휴대형 전화의 배터리 충전 등을 위하여, 차내 전기 기기에 대하여, 차내에서 급전을 행하는 것에 대한 요구도 있다.
일본 특허 공개 제2007-104868호 공보(특허문헌 1)에는, 차내에서 휴대 전화기의 배터리를 전자 유도에 의해 충전하는 충전 장치가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2007-104868호 공보 일본 특허 공개 제2005-110412호 공보 국제 공개 제2010/052785호 팜플렛
충전이나 급전시에 케이블이나 배선에 의해 접속을 해야만 하는 것은 번거로우므로, 차량의 배터리와 차내 전기 기기에 대하여 비접촉으로 충전 또는 급전하는 것에 대한 요구가 있다. 상기 일본 특허 공개 제2007-104868호 공보에서는, 차량의 배터리에 대하여 외부로부터 충전을 행하는 것에 대해서는 기재되어 있지 않으며, 휴대 전화기와 차량의 배터리를 함께 비접촉으로 충전하는 경우에 대해서는 구체적 검토가 이루어져 있지 않다.
차내 전기 기기에의 송전 방식과 차량의 배터리를 충전하기 위한 수전 방식에 대해서는, 각각의 특징을 고려하지 않으면 효율적으로 송수전할 수 없는 경우도 있다. 예를 들어, 최근, 전자계 공명에 의한 비접촉 송수전이 검토되고 있지만, 차내 전기 기기와 차량의 배터리를 함께 전자계 공명을 이용하여 급전 또는 충전하면, 저출력의 차내 전기 기기에 영향을 주어 기기가 고장날 가능성도 있다.
본 발명의 목적은, 차량의 주행을 위한 전력을 외부로부터 비접촉으로 수전이 가능함과 함께, 차내 전기 기기에 공급하는 전력을 비접촉으로 송전하는 것이 가능한 차량, 전기 기기 및 전력 송수전 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은, 요약하면, 차량이며, 차량의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 장치와, 차량 내부에서 전기 기기에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 송전 장치를 포함한다. 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수는 상이하도록 설정된다.
바람직하게는, 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수가 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수보다도 낮아지도록, 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수가 설정된다.
보다 바람직하게는, 수전 장치가 차량 외부에 설치된 외부 송전 장치로부터 비접촉으로 수전하는 전력은, 송전 장치가 비접촉으로 전기 기기에 송전하는 전력보다도 크다.
더욱 바람직하게는, 차량은, 차량을 구동하는 구동 장치와, 구동 장치에 전력을 공급하는 주 배터리와, 주 배터리와는 별도로 설치된 보조 기계 배터리를 더 포함한다. 보조 기계 배터리의 전압은 주 배터리의 전압보다도 낮으며, 송전 장치는 보조 기계 배터리로부터 전력을 받아 전기 기기에 송전을 행한다.
더욱 바람직하게는, 차량은, 탑승원의 조작에 따라 차량의 동작 상태를 주행 가능 상태와 주행 불가 상태로 설정하는 제어부를 더 포함한다. 제어부는, 주행 가능 상태에 있어서는 수전 장치에 의해 수전된 전력을 주 배터리에 충전하는 것을 허가하고, 또한 송전 장치로부터 전기 기기에 전력을 공급하는 것을 허가하고, 주행 불가 상태에 있어서는 수전 장치에 의해 수전된 전력을 주 배터리에 충전하는 것을 허가하고, 또한 송전 장치로부터 전기 기기에 전력을 공급하는 것을 금지한다.
본 발명은, 다른 국면에서는, 차량 내부에서 사용되는 전기 기기이다. 차량은, 외부 송전 장치로부터 차량의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 장치와, 전기 기기에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 송전 장치를 포함한다. 전기 기기는, 차량의 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와는 상이한 전자계 주파수를 사용하여, 송전 장치로부터 송전되는 전력을 받는 수전부를 포함한다.
바람직하게는, 수전부는, 차량의 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수보다도 높은 전자계 주파수를 사용하여, 송전 장치로부터 송전되는 전력을 받는다.
본 발명은, 또 다른 국면에서는, 전력 송수전 시스템이며, 차량과, 차량에 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 외부 송전 장치와, 차량 내부에서 사용할 수 있는 전기 기기를 포함한다. 차량은, 외부 송전 장치로부터 차량의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 장치와, 전기 기기에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 송전 장치를 포함한다. 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수는 상이하도록 설정된다.
본 발명에 따르면, 차량의 주행을 위한 전력을 외부로부터 비접촉으로 수전하는 것과, 차내 전기 기기에 공급하는 전력을 비접촉으로 송전하는 것을 서로 영향을 미치지 않고 실행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 차량용 급전 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 공명법에 의한 송전의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 전류원(자류원)으로부터의 거리와 전자계의 강도의 관계를 나타낸 도면이다.
도 4는 수전 유닛(110)과 송전 유닛(220)의 사이의 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 실시 형태에 나타내어지는 차량과 급전 장치의 송수전에 관한 개략 구성을 도시한 도면이다.
도 6은 도 1, 도 5에 도시한 차량(100)의 상세를 도시하는 구성도이다.
도 7은 차량측의 수전 유닛(110)과 급전 장치측의 송전 유닛(220)에 대하여, 보다 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 8은 도 6에서의 공명 기기 급전 유닛(184) 및 차내 전기 기기의 수전부의 구성을 도시한 회로도이다.
도 9는 도 8의 공명 기기 급전 유닛(184)의 차량에서의 배치예를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 차내 전기 기기의 코일과 기기 급전 유닛의 코일의 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 도 6의 제어 장치(180)가 실행하는 전력 송수전의 허가와 관련된 제어를 설명하기 위한 흐름도이다.
도 12는 도 6의 제어 장치(180)가 실행하는 전력 송수전의 허가와 관련된 변형예의 제어를 설명하기 위한 흐름도이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한 , 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙여 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 차량용 급전 시스템의 전체 구성도이다.
도 1을 참조하여, 전력 송수전 시스템(10)은 차량(100)과 급전 장치(200)를 포함한다. 차량(100)은 수전 유닛(110)과 통신 유닛(130)을 포함한다.
수전 유닛(110)은, 차체 저면에 설치되어, 급전 장치(200)의 송전 유닛(220)으로부터 송출되는 전력을 비접촉으로 수전하도록 구성된다. 상세하게는, 수전 유닛(110)은, 나중에 설명하는 자기 공진 코일을 포함하며, 송전 유닛(220)에 포함되는 자기 공진 코일과 전자장을 통하여 공명함으로써 송전 유닛(220)으로부터 비접촉으로 수전한다. 통신 유닛(130)은, 차량(100)과 급전 장치(200)의 사이에서 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다.
급전 장치(200)는 고주파 전원 장치(210), 송전 유닛(220), 통신 유닛(240)을 포함한다. 고주파 전원 장치(210)는, 예를 들어 커넥터(212)를 통하여 공급되는 상용 교류 전력을 고주파의 전력으로 변환하여 송전 유닛(220)에 출력한다. 또한 , 고주파 전원 장치(210)가 생성하는 고주파 전력의 주파수는, 예를 들어 1MHz 내지 수십MHz이다.
송전 유닛(220)은, 예를 들어 주차장의 바닥면에 설치되어, 고주파 전원 장치(210)로부터 공급되는 고주파 전력을 차량(100)의 수전 유닛(110)에 비접촉으로 송출하도록 구성된다. 상세하게는, 송전 유닛(220)은 자기 공진 코일을 포함하며, 이 자기 공진 코일이 수전 유닛(110)에 포함되는 자기 공진 코일과 전자장을 통하여 공명함으로써 수전 유닛(110)에 비접촉으로 송전한다. 통신 유닛(240)은, 급전 장치(200)와 차량(100)의 사이에서 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다.
여기서, 급전 장치(200)로부터 차량(100)에의 급전시에, 차량(100)을 급전 장치(200)로 유도하여 차량(100)의 수전 유닛(110)과 급전 장치(200)의 송전 유닛(220)의 위치 정렬을 행할 필요가 있다. 즉, 차량(100)은, 후술하는 차내 전기 기기와는 달리 위치 정렬이 간단하지 않다. 차내 전기 기기에서는, 유저가 손으로 들어올려 충전기 등의 급전 유닛의 적절한 위치에 놓는 것을 간단하게 행할 수 있다. 그러나, 차량은, 유저가 차량을 조작하여 적절한 위치에 차량을 정차시킬 필요가 있어, 손으로 들어올려 위치를 조정할 수는 없다.
이로 인해, 급전 장치(200)로부터 차량(100)에의 급전은, 위치 어긋남에 대하여 허용도가 큰 방식을 채용하는 것이 바람직하다. 전자 유도 방식은, 송신 거리는 단거리이며 위치 어긋남에 대해서도 허용도가 작다고 여겨지고 있다. 전자 유도 방식을 차량에의 급전에 채용하고자 하면, 운전자의 정밀도 높은 운전 기술이 요구되거나, 고정밀도의 차량 유도 장치를 차량에 탑재하는 것이 필요해지거나, 어려운 주차 위치에서도 대응 가능하도록 코일 위치를 이동시키는 가동부가 필요해지거나 할 가능성이 있다.
전자계에 의한 공명 방식은, 송신 거리가 수m라도 비교적 대전력을 송신하는 것이 가능하며, 위치 어긋남에 대한 허용도도 전자 유도 방식보다 일반적으로 크다고 여겨지고 있다. 이로 인해, 이 실시 형태에 의한 전력 송수전 시스템(10)에서는, 공명법을 이용하여 급전 장치(200)로부터 차량(100)에의 급전이 행해진다.
도 2는 공명법에 의한 송전의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하여, 이 공명법에서는 2개의 음차가 공명하는 것과 마찬가지로, 동일한 고유 진동수를 갖는 2개의 LC 공진 코일이 전자장(근접장)에 있어서 공명함으로써, 한쪽 코일로부터 다른쪽 코일로 전자장을 통하여 전력이 전송된다.
구체적으로는, 고주파 전원(310)에 1차 코일(320)을 접속하고, 전자 유도에 의해 1차 코일(320)과 자기적으로 결합되는 1차 자기 공진 코일(330)에 1M 내지 수십MHz의 고주파 전력을 급전한다. 1차 자기 공진 코일(330)은, 코일 자체의 인덕턴스와 부유 용량에 의한 LC 공진기이며, 1차 자기 공진 코일(330)과 동일한 공진 주파수를 갖는 2차 자기 공진 코일(340)과 전자장(근접장)을 통하여 공명한다. 그렇게 하면, 1차 자기 공진 코일(330)로부터 2차 자기 공진 코일(340)에 전자장을 통하여 에너지(전력)가 이동한다. 2차 자기 공진 코일(340)로 이동한 에너지(전력)는, 전자 유도에 의해 2차 자기 공진 코일(340)과 자기적으로 결합되는 2차 코일(350)에 의해 취출되어, 부하(360)에 공급된다. 또한 , 공명법에 의한 송전은, 1차 자기 공진 코일(330)과 2차 자기 공진 코일(340)의 공명 강도를 나타내는 Q값이 예를 들어 100보다 클 때 실현된다.
또한 , 도 1과의 대응 관계에 대해서는, 2차 자기 공진 코일(340) 및 2차 코일(350)이 도 1의 수전 유닛(110)에 대응하고, 1차 코일(320) 및 1차 자기 공진 코일(330)이 도 1의 송전 유닛(220)에 대응한다.
도 3은 전류원(자류원)으로부터의 거리와 전자계의 강도의 관계를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하여, 전자계는 3개의 성분을 포함한다. 곡선 k1은 파원으로부터의 거리에 반비례한 성분이며, 「복사 전자계」라고 칭해진다. 곡선 k2는 파원으로부터의 거리의 2승에 반비례한 성분이며, 「유도 전자계」라고 칭해진다. 또한 , 곡선 k3은 파원으로부터의 거리의 3승에 반비례한 성분이며, 「정전 자계」라고 칭해진다.
이 중에서도 파원으로부터의 거리와 함께 급격하게 전자파의 강도가 감소하는 영역이 있는데, 공명법에서는 이 근접장(에바네센트 장)을 이용하여 에너지(전력)의 전송이 행해진다. 즉, 근접장을 이용하여 동일한 고유 진동수를 갖는 한 쌍의 공명기(예를 들어, 한 쌍의 LC 공진 코일)를 공명시킴으로써, 한쪽 공명기(1차 자기 공진 코일)로부터 다른쪽 공명기(2차 자기 공진 코일)에 에너지(전력)를 전송한다. 이 근접장은 먼 곳에 에너지(전력)를 전파하지 않으므로, 먼 곳까지 에너지를 전파하는 「복사 전자계」에 의해 에너지(전력)를 전송하는 전자파에 비하여, 공명법은 보다 적은 에너지 손실로 송전할 수 있다.
도 4는 수전 유닛(110)과 송전 유닛(220)의 사이의 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하여, 수전 유닛(110)과 송전 유닛(220)의 사이의 거리 D1은, 전자 유도 방식의 전송 거리보다도 큰 거리이다. 이 거리 D1은 공명 방식에 의해 송전이 가능한 거리이기도 하다. 또한 , 이 거리 D1은 송전 유닛(220) 및 수전 유닛(110)의 자기 공진 코일의 형상이나 크기를 바꾸면 변경 가능하다.
도 5는 본 실시 형태에 나타내어지는 차량과 급전 장치의 송수전에 관한 개략 구성을 도시한 도면이다.
도 5를 참조하여, 급전 장치(200)는 송전 유닛(220), 고주파 전원 장치(210), 통신 유닛(240)을 포함한다. 차량(100)은 통신 유닛(130), 수전 유닛(110), 정류기(140), 릴레이(146), 저항(144), 수전 전압 계측부(전압 센서(190)) 및 도시하지 않은 축전 장치에 충전을 행하는 충전 장치(DC/DC 컨버터(142))를 포함한다.
통신 유닛(240)과 통신 유닛(130)이 무선으로 통신을 행하여, 수전 유닛(110)과 송전 유닛(220)의 위치 정렬을 행하기 위한 정보를 주고 받는다. 저항(144)을 일시적으로 릴레이(146)로 송전 유닛의 출력에 접속함으로써, 전압 센서(190)의 출력이 수전 조건을 만족하는지의 여부의 전압 정보를 얻을 수 있다. 이 전압 정보를 얻기 위한 미약 전력의 송전 요구가 통신 유닛(130, 240)을 통하여 차량(100)으로부터 급전 장치(200)에 전달된다.
도 6은 도 1, 도 5에 도시한 차량(100)의 상세를 도시하는 구성도이다.
도 6을 참조하여, 차량(100)은 메인 배터리(150), 시스템 메인 릴레이(SMR1), 승압 컨버터(162), 인버터(164, 166), 모터 제너레이터(172, 174), 엔진(176), 동력 분할 장치(177) 및 구동륜(178)을 포함한다.
차량(100)은, 또한 2차 자기 공진 코일(112), 2차 코일(114), 정류기(140), DC/DC 컨버터(142), 시스템 메인 릴레이(SMR2) 및 전압 센서(190)를 포함한다.
차량(100)은, 또한 제어 장치(180), 차량 기동 버튼(120), 통신 유닛(130) 및 급전 버튼(122)을 포함한다.
이 차량(100)은 엔진(176) 및 모터 제너레이터(174)를 동력원으로서 탑재한다. 엔진(176) 및 모터 제너레이터(172, 174)는 동력 분할 장치(177)에 연결된다. 그리고, 차량(100)은, 엔진(176) 및 모터 제너레이터(174) 중 적어도 한쪽이 발생하는 구동력에 의해 주행한다. 엔진(176)이 발생하는 동력은, 동력 분할 장치(177)에 의해 2 경로로 분할된다. 즉, 한쪽은 구동륜(178)에 전달되는 경로이고, 다른 한쪽은 모터 제너레이터(172)에 전달되는 경로이다.
모터 제너레이터(172)는 교류 회전 전기 기기이며, 예를 들어 로터에 영구 자석이 매설된 3상 교류 동기 전동기를 포함한다. 모터 제너레이터(172)는, 동력 분할 장치(177)에 의해 분할된 엔진(176)의 운동 에너지를 이용하여 발전한다. 예를 들어, 메인 배터리(150)의 충전 상태(「SOC(State Of Charge)」라고도 칭해짐)가 미리 정해진 값보다도 낮아지면, 엔진(176)이 시동하여 모터 제너레이터(172)에 의해 발전이 행해져, 메인 배터리(150)가 충전된다.
모터 제너레이터(174)도 교류 회전 전기 기기이며, 모터 제너레이터(172)와 마찬가지로, 예를 들어 로터에 영구 자석이 매설된 3상 교류 동기 전동기를 포함한다. 모터 제너레이터(174)는, 메인 배터리(150)에 축적된 전력 및 모터 제너레이터(172)에 의해 발전된 전력 중 적어도 한쪽을 이용하여 구동력을 발생시킨다. 그리고, 모터 제너레이터(174)의 구동력은 구동륜(178)에 전달된다.
또한 , 차량의 제동시나 내리막 경사면에서의 가속도 저감시에는, 운동 에너지나 위치 에너지로서 차량에 축적된 역학적 에너지가 구동륜(178)을 통하여 모터 제너레이터(174)의 회전 구동에 사용되어, 모터 제너레이터(174)가 발전기로서 작동한다. 이에 의해, 모터 제너레이터(174)는, 주행 에너지를 전력으로 변환하여 제동력을 발생시키는 회생 브레이크로서 작동한다. 그리고, 모터 제너레이터(174)에 의해 발전된 전력은 메인 배터리(150)에 축적된다.
동력 분할 장치(177)는 선 기어, 피니언 기어, 캐리어 및 링 기어를 포함하는 유성 기어를 사용할 수 있다. 피니언 기어는 선 기어 및 링 기어와 걸어 맞춘다. 캐리어는, 피니언 기어를 자전 가능하게 지지함과 함께, 엔진(176)의 크랭크 샤프트에 연결된다. 선 기어는 모터 제너레이터(172)의 회전축에 연결된다. 링 기어는 모터 제너레이터(174)의 회전축 및 구동륜(178)에 연결된다.
메인 배터리(150)는 재충전 가능한 직류 전원이며, 예를 들어 리튬 이온 전지나 니켈 수소 전지 등의 2차 전지를 포함한다. 메인 배터리(150)는, DC/DC 컨버터(142)로부터 공급되는 전력을 축적하는 것 외에, 모터 제너레이터(172, 174)에 의해 발전되는 전력도 축적한다. 그리고, 메인 배터리(150)는, 그 축적한 전력을 승압 컨버터(162)에 공급한다. 또한 , 메인 배터리(150)로서 대용량의 캐패시터도 채용 가능하다. 메인 배터리(150)는, 급전 장치(200)(도 1)로부터 공급되는 전력이나 모터 제너레이터(172, 174)로부터의 회생 전력을 일시적으로 축적하여, 그 축적된 전력을 승압 컨버터(162)에 공급 가능한 전력 버퍼이면 어떠한 것이어도 된다.
시스템 메인 릴레이(SMR1)는, 메인 배터리(150)와 승압 컨버터(162)의 사이에 배치된다. 시스템 메인 릴레이(SMR1)는, 제어 장치(180)로부터의 신호 SE1이 활성화되면, 메인 배터리(150)를 승압 컨버터(162)와 전기적으로 접속하며, 신호 SE1이 비활성화되면, 메인 배터리(150)와 승압 컨버터(162)의 사이의 전로를 차단한다. 승압 컨버터(162)는, 제어 장치(180)로부터의 신호 PWC에 기초하여, 정극선 PL2의 전압을 메인 배터리(150)로부터 출력되는 전압 이상의 전압으로 승압한다. 또한 , 이 승압 컨버터(162)는, 예를 들어 직류 초퍼 회로를 포함한다.
인버터(164, 166)는 각각 모터 제너레이터(172, 174)에 대응하여 설치된다. 인버터(164)는 제어 장치(180)로부터의 신호 PWI1에 기초하여 모터 제너레이터(172)를 구동하고, 인버터(166)는 제어 장치(180)로부터의 신호 PWI2에 기초하여 모터 제너레이터(174)를 구동한다. 또한 , 인버터(164, 166)는, 예를 들어 3상 브리지 회로를 포함한다.
2차 자기 공진 코일(112)은, 양단이 스위치(릴레이(113))를 통하여 콘덴서(111)에 접속되어 있으며, 스위치(릴레이(113))가 도통 상태로 되었을 때 급전 장치(200)의 1차 공진 코일과 전자장을 통하여 공명한다. 이 공명에 의해 도 1, 도 5의 급전 장치(200)로부터 수전이 행해진다. 또한 , 도 6에서는 콘덴서(111)를 설치한 예를 도시하였지만, 콘덴서 대신에 코일의 부유 용량에 의해 공진하도록 1차 자기 공진 코일과의 조정을 행하여도 된다.
또한 , 2차 자기 공진 코일(112)에 대해서는, 급전 장치(200)의 1차 자기 공진 코일과의 거리나, 1차 자기 공진 코일과 2차 자기 공진 코일(112)의 공명 강도를 나타내는 Q값(예를 들어 Q>100)이 커지며, 또한 그 결합도를 나타내는 κ가 작아지도록 그 권취수가 적절하게 설정된다.
2차 코일(114)은, 2차 자기 공진 코일(112)과 동축 상에 배치되며, 전자 유도에 의해 2차 자기 공진 코일(112)과 자기적으로 결합 가능하다. 이 2차 코일(114)은, 2차 자기 공진 코일(112)에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여 정류기(140)에 출력한다. 또한 , 2차 자기 공진 코일(112) 및 2차 코일(114)은, 도 1에 도시한 수전 유닛(110)을 형성한다.
정류기(140)는, 2차 코일(114)에 의해 취출된 교류 전력을 정류한다. DC/DC 컨버터(142)는, 제어 장치(180)로부터의 신호 PWD에 기초하여, 정류기(140)에 의해 정류된 전력을 메인 배터리(150)의 전압 레벨로 변환하여 메인 배터리(150)에 출력한다.
시스템 메인 릴레이(SMR2)는, DC/DC 컨버터(142)와 메인 배터리(150)의 사이에 배치된다. 시스템 메인 릴레이(SMR2)는, 제어 장치(180)로부터의 신호 SE2가 활성화되면, 메인 배터리(150)를 DC/DC 컨버터(142)와 전기적으로 접속하며, 신호 SE2가 비활성화되면, 메인 배터리(150)와 DC/DC 컨버터(142)의 사이의 전로를 차단한다. 전압 센서(190)는, 정류기(140)와 DC/DC 컨버터(142)의 사이의 전압 VR을 검출하여, 그 검출값을 제어 장치(180)에 출력한다.
정류기(140)와 DC/DC 컨버터(142)의 사이에는 직렬로 접속된 저항(144) 및 릴레이(146)가 설치된다. 릴레이(146)는, 차량(100)이 비접촉 급전을 행하는 경우에 차량 위치를 조정할 때 제어 장치(180)에 의해 도통 상태로 제어된다.
제어 장치(180)는, 액셀러레이터 개방도나 차량 속도, 그 밖의 다양한 센서로부터의 신호에 기초하여, 승압 컨버터(162) 및 모터 제너레이터(172, 174)를 각각 구동하기 위한 신호 PWC, PWI1, PWI2를 생성한다. 제어 장치(180)는, 생성된 신호 PWC, PWI1, PWI2를 각각 승압 컨버터(162) 및 인버터(164, 166)에 출력한다. 그리고, 차량의 주행시, 제어 장치(180)는 신호 SE1을 활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR1)를 온시킴과 함께, 신호 SE2를 비활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR2)를 오프시킨다.
미약 전력을 송신하여 전압 VR에 기초하여 수전 상태를 판단할 수 있다. 따라서, 운전자 또는 차량 유도 시스템은, 전압 VR에 기초하여 차량의 위치 정렬을 행한다.
차량의 위치 정렬이 완료되면, 제어 장치(180)는, 통신 유닛(130)을 통하여 급전 장치(200)에 급전 명령을 송신함과 함께, 신호 SE2를 활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR2)를 온시킨다. 그리고, 제어 장치(180)는, DC/DC 컨버터(142)를 구동하기 위한 신호 PWD를 생성하며, 그 생성된 신호 PWD를 DC/DC 컨버터(142)에 출력한다.
차량(100)은, 또한 보조 기계 배터리(182)와, 전력선 PL1, NL과 보조 기계 배터리(182)의 사이에 설치되어, 메인 배터리(150)의 전압을 강압시켜 보조 기계 부하 및 보조 기계 배터리(182)에 공급하는 DC/DC 컨버터(181)와, 공명 기기 급전 유닛(184)을 포함한다.
공명 기기 급전 유닛(184)은 보조 기계 부하 중 하나이지만, 비접촉으로 차내 전기 기기에 급전을 행한다. 본 실시 형태에서는 공명 기기 급전 유닛(184)의 비접촉의 급전 방식은 공명 방식을 채용하고 있다. 대표예로서는, 차내 전기 기기는 휴대 전화이며, 기기 급전 유닛은 휴대 전화 배터리에 충전을 행하는 유닛이지만, 반드시 차내 전기 기기는 배터리를 탑재하고 있을 필요는 없으며, 비접촉으로 급전이 행해지는 것이면 된다. 차내 전기 기기의 다른 예로서는, 퍼스널 컴퓨터, 음악 기기, 디지털 카메라, 비디오 카메라, 게임기, 무선 통신 기기 등을 들 수 있다. 이것들은 한정되지 않지만, 휴대가 가능한 소형의 것인 경우가 많다.
바람직하게는, 수전 유닛(110)이 차량 외부에 설치된 외부 송전 장치로부터 비접촉으로 수전하는 전력은, 공명 기기 급전 유닛(184)이 비접촉으로 차내 전기 기기에 송전하는 전력보다도 크다. 또한 , 차량의 메인 배터리(150)의 용량은, 차내 전기 기기 예를 들어 휴대 전화 등에 내장되어 있는 배터리의 용량보다도 훨씬 크다.
차량의 메인 배터리(150)에 충전하는 경우에는 공명법을 채용하고, 차내 전기 기기에 급전하는 경우에는 메인 배터리(150)의 충전과는 주파수가 상이한 전자파를 사용한 공명법을 채용함으로써, 2개의 비접촉 송수전에 있어서 서로의 영향을 없앨 수 있다. 공명법의 경우에는, 공명부의 공명 주파수를 일반적인 차내 전기 기기의 공명 주파수와는 상이하도록 선택해 둠으로써, 차내 전기 기기에 영향을 주지 않고 차량의 메인 배터리(150)에 충전을 행할 수 있다. 공명부(수전 유닛(110)의 2차 자기 공진 코일(112))의 공진 주파수는, 코일 직경에 관련된 수전 유닛의 인덕턴스 L과 코일에 접속하는 콘덴서의 용량 C에 의해 정해지는 LC 성분으로 결정된다. 휴대형 차내 전기 기기는, 차량만큼 크기가 크지 않으므로 차량측에 일반 차내 전기 기기에 탑재가 불가능할 정도의 인덕턴스 L을 탑재하도록 하여도 된다.
도 7은 차량측의 수전 유닛(110)과 급전 장치측의 송전 유닛(220)에 대하여, 보다 상세하게 설명하기 위한 회로도이다.
도 7을 참조하여, 고주파 전원 장치(210)는, 고주파 교류 전원(213)과, 전원의 임피던스를 나타내는 저항(211)으로 표시된다.
송전 유닛(220)은, 고주파 전원 장치(210)에 접속되는 1차 코일(232)과, 전자 유도에 의해 1차 코일(232)과 자기적으로 결합되는 1차 자기 공진 코일(234)과, 1차 자기 공진 코일(234)의 양단에 접속된 콘덴서(242)를 포함한다.
수전 유닛(110)은, 1차 자기 공진 코일(234)과 전자장을 통하여 공명하는 2차 자기 공진 코일(112)과, 2차 자기 공진 코일(112)의 양단에 직렬로 접속되는 콘덴서(111) 및 릴레이(113)를 포함한다. 릴레이(113)는 수전하는 경우에 도통 상태로 제어된다.
수전 유닛(110)은, 2차 자기 공진 코일(112)과 자기적으로 결합되는 2차 코일(114)을 더 포함한다. 2차 코일(114)에서 수전된 교류 전력은 정류기(140)에서 정류된다. 정류기(140)의 출력에는 콘덴서 C1이 접속되어 있으며, 차량과 급전 설비의 위치를 조정하는 경우에 사용되는 릴레이(146) 및 저항(144)이 콘덴서 C1의 전극간에 접속되어 있다. 정류기(140)의 출력측에는 충전기(DC/DC 컨버터(142))가 더 접속되어 적절한 충전 전압으로 전압이 변환되고, 변환 후의 충전 전압은 배터리(메인 배터리(150))에 제공된다.
저항(144)은, 예를 들어 50Ω의 임피던스로 설정되어 있으며, 이 값은 고주파 전원 장치(210)의 저항(211)으로 표시되는 임피던스와 매칭되도록 조정되어 있다.
전압 센서(190)는, 차량에 비접촉 급전이 행해질 때, 차량의 정지 위치를 조정할 때에는 저항(144)의 양단의 전압을 검출하여, 검출값 VR을 제어 장치(180)에 출력한다.
한편, 차량 위치의 조정이 완료되어 외부 전원으로부터 차량에 비접촉 급전에 의해 충전이 행해지고 있는 경우에는, DC/DC 컨버터(142)에 대한 입력 전압을 검출값 VR로서 전압 센서(190)가 검출한다.
도 8은 도 6에서의 공명 기기 급전 유닛(184) 및 차내 전기 기기의 수전부의 구성을 도시한 회로도이다.
도 8을 참조하여, 차량의 송수전 시스템은, 전기 기기의 충전을 행하는 차량에 내장된 공명 기기 급전 유닛(184)과, 공명 기기 급전 유닛(184)에 의해 급전되는 차내 전기 기기(400)에 내장된 수전부(410)를 포함하여 구성된다.
차내 전기 기기(400)는, 예를 들어 휴대 전화, 퍼스널 컴퓨터, 디지털 카메라, PDA, 휴대형 음악 플레이어, 그 밖의 휴대형 전기 기기이다.
차내 전기 기기(400)는 수전부(410), 통신부(460), 정류기(480), 충전 접속 회로(470), 배터리(490), 전원 스위치(415), 부하 회로(420), 기기 제어부(402), 전류 센서(471) 및 전압 센서(472)를 포함한다. 수전부(410)는 2차 공명 코일(411), 콘덴서(412) 및 2차 코일(413)을 포함한다.
2차 공명 코일(411)은, 공명 기기 급전 유닛(184)에 포함되는 1차 공명 코일(521)로부터 전자장을 이용하여 전자 공명에 의해 수전한다.
이 2차 공명 코일(411)에 대해서는, 공명 기기 급전 유닛(184)의 1차 공명 코일(521)과의 거리나, 1차 공명 코일(521) 및 2차 공명 코일(411)의 공명 주파수 등에 기초하여, 1차 공명 코일(521)과 2차 공명 코일(411)의 공명 강도를 나타내는 Q값(예를 들어, Q>100)이 커지도록, 및 그 결합도를 나타내는 κ 등이 작아지도록 그 권취수가 적절하게 설정된다.
콘덴서(412)는, 2차 공명 코일(411)의 양단에 접속되어, 2차 공명 코일(411)과 함께 LC 공진 회로를 형성한다. 콘덴서(412)의 용량은, 2차 공명 코일(411)이 갖는 인덕턴스에 따라, 소정의 공명 주파수가 되도록 적절하게 설정된다. 또한 , 2차 공명 코일(411) 자체가 갖는 부유 용량으로 원하는 공진 주파수가 얻어지는 경우에는, 콘덴서(412)가 생략되는 경우가 있다.
2차 코일(413)은, 2차 공명 코일(411)과 동축 상에 설치되어, 전자 유도에 의해 2차 공명 코일(411)과 자기적으로 결합 가능하다. 이 2차 코일(413)은, 2차 공명 코일(411)에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여 정류기(480)에 출력한다.
정류기(480)는, 2차 코일(413)로부터 받는 교류 전력을 정류하고, 그 정류된 직류 전력을 충전 접속 회로(470)를 통하여 배터리(490)에 출력한다. 정류기(480)로서는, 예를 들어 다이오드 브리지 및 평활용 콘덴서(모두 도시하지 않음)를 포함하는 구성으로 할 수 있다. 정류기(480)로서, 스위칭 제어를 이용하여 정류를 행하는, 소위 스위칭 레귤레이터를 사용하는 것도 가능하지만, 정류기(480)가 수전부(410)에 포함되는 경우도 있어, 발생하는 전자장에 수반하는 스위칭 소자의 오동작 등을 방지하기 위하여, 다이오드 브리지와 같은 정지형 정류기로 하는 것이 보다 바람직하다.
또한 , 본 실시 형태에 있어서는, 정류기(480)에 의해 정류된 직류 전력이 배터리(490)에 직접 출력되는 구성으로 되어 있지만, 정류 후의 직류 전압이, 배터리(490)가 허용할 수 있는 충전 전압과 상이한 경우에는, 정류기(480)와 배터리(490)의 사이에 전압 변환을 위한 DC/DC 컨버터(도시하지 않음)가 설치되어도 된다.
전압 센서(472)는 정류기(480)와 배터리(490)를 연결하는 전력선쌍 사이에 설치된다. 전압 센서(472)는, 정류기(480)의 2차측 직류 전압, 즉 공명 기기 급전 유닛(184)으로부터 수전한 수전 전압을 검출하여, 그 검출값 VC를 기기 제어부(402)에 출력한다.
전류 센서(471)는 정류기(480)와 배터리(490)를 연결하는 전력선에 설치된다. 전류 센서(471)는 배터리(490)에의 충전 전류를 검출하여, 그 검출값 IC를 기기 제어부(402)에 출력한다.
충전 접속 회로(470)는 정류기(480)와 배터리(490)에 전기적으로 접속된다. 충전 접속 회로(470)는, 기기 제어부(402)로부터의 제어 신호 SE12에 의해 제어되어, 정류기(480)로부터 배터리(490)에의 전력의 공급과 차단을 전환한다.
배터리(490)는 충방전 가능하게 구성된 전력 저장 요소이다. 배터리(490)는, 예를 들어 리튬 이온 전지, 니켈 수소 전지 혹은 납 축전지 등의 2차 전지나, 전기 이중층 캐패시터 등의 축전 소자를 포함하여 구성된다.
배터리(490)는 충전 접속 회로(470)를 통하여 정류기(480)와 접속된다. 배터리(490)는 수전부(410)에서 수전되어 정류기(480)에서 정류된 전력을 축전한다. 또한 , 배터리(490)는 전원 스위치(415)를 통하여 부하 회로(420)와도 접속된다. 배터리(490)는 차량 구동력을 발생시키기 위한 전력을 부하 회로(420)에 공급한다. 배터리(490)의 출력은 예를 들어 3.6V 정도이다.
배터리(490)에는, 모두 도시하지 않았지만, 배터리(490)의 전압 VB 및 입출력되는 전류 IB를 검출하기 위한 전압 센서 및 전류 센서가 설치된다. 이들 검출값은 기기 제어부(402)에 출력된다. 기기 제어부(402)는, 이 전압 VB 및 전류 IB에 기초하여 배터리(490)의 충전 상태(「SOC(State Of Charge)」라고도 칭해짐)를 연산 또는 추정한다.
전원 스위치(415)는 배터리(490)와 부하 회로(420)를 연결하는 전력선에 설치된다. 그리고, 전원 스위치(415)는, 기기 제어부(402)로부터의 제어 신호 SE11에 의해 제어되어, 배터리(490)와 부하 회로(420)의 사이에서의 전력의 공급과 차단을 전환한다.
통신부(460)는, 차내 전기 기기(400)와 공명 기기 급전 유닛(184)의 사이에서 무선 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다. 통신부(460)는, 기기 제어부(402)로부터의 배터리(490)에 대한 SOC를 포함하는 배터리 정보 INFO를 공명 기기 급전 유닛(184)에 출력한다. 또한 , 통신부(460)는, 공명 기기 급전 유닛(184)으로부터의 송전의 개시 및 정지를 지시하는 신호 STRT, STP를 공명 기기 급전 유닛(184)에 출력한다.
기기 제어부(402)는, 모두 도 1에는 도시하지 않았지만, CPU(Central Processing Unit), 기억 장치 및 입출력 버퍼를 포함하며, 각 센서 등으로부터의 신호의 입력이나 각 기기에의 제어 신호의 출력을 행함과 함께, 차내 전기 기기(400) 및 각 기기의 제어를 행한다. 또한 , 이들 제어에 대해서는 소프트웨어에 의한 처리에 한정되지 않고, 전용 하드웨어(전자 회로)로 처리하는 것도 가능하다.
기기 제어부(402)는, 유저의 조작이나 위치 정렬 완료 등에 의한 충전 개시 신호 TRG를 받으면, 소정의 조건이 성립된 것에 기초하여, 송전의 개시를 지시하는 신호 STRT를, 통신부(460)를 통하여 공명 기기 급전 유닛(184)에 출력한다. 또한 , 기기 제어부(402)는, 배터리(490)가 만충전된 것 또는 유저에 의한 조작 등에 기초하여, 송전의 정지를 지시하는 신호 STP를, 통신부(460)를 통하여 공명 기기 급전 유닛(184)에 출력한다.
공명 기기 급전 유닛(184)은 전원 장치(510)와 송전부(520)를 포함한다. 전원 장치(510)는 통신부(530), 제어 장치인 송전 ECU(540), 고주파 전원부(550) 및 정합기(560)를 포함한다. 또한 , 송전부(520)는 1차 공명 코일(521), 콘덴서(522) 및 1차 코일(523)을 포함한다.
고주파 전원부(550)는, 송전 ECU(540)로부터의 제어 신호 MOD에 의해 제어되어, 도 6의 보조 기계 배터리(182) 또는 DC/DC 컨버터(181)로부터 받는 전력을 고주파(주파수 f=f2) 전력으로 변환한다.
그리고, 고주파 전원부(550)는, 그 변환된 고주파 전력을 정합기(560)를 통하여 1차 코일(523)에 공급한다. 또한 , 고주파 전원부(550)가 생성하는 고주파 전력의 주파수 f2는, 예를 들어 1M 내지 수십MHz이다. 이 주파수 f2는, 도 5의 고주파 전원 장치의 주파수 f1과 상이하도록 주파수 f1, f2가 설정된다. 주파수 f2를 주파수 f1보다도 낮게 설정하여도 되지만, 주파수 f2는, 도 5의 고주파 전원 장치의 주파수 f1보다도 높게 설정되는 쪽이 바람직하다.
정합기(560)는, 공명 기기 급전 유닛(184)과 차내 전기 기기(400)의 사이의 임피던스를 매칭시키기 위한 회로이다. 정합기(560)는 가변 콘덴서 및 가변 인덕터를 포함하여 구성된다. 정합기(560)는, 차내 전기 기기(400)로부터 송신되는 배터리 정보 INFO에 기초하여 송전 ECU(540)로부터 제공되는 제어 신호 ADJ에 의해 제어되며, 공명 기기 급전 유닛(184)의 임피던스가 차내 전기 기기(400)측의 임피던스에 합치하도록 가변 콘덴서 및 가변 인덕터가 조정된다. 또한 , 정합기(560)는 임피던스 조정이 완료된 것을 나타내는 신호 COMP를 송전 ECU(540)에 출력한다.
1차 공명 코일(521)은, 차내 전기 기기(400)의 수전부(410)에 포함되는 2차 공명 코일(411)에 전자 공명에 의해 전력을 전송한다.
이 1차 공명 코일(521)에 대해서는, 차내 전기 기기(400)의 2차 공명 코일(411)과의 거리나, 1차 공명 코일(521) 및 2차 공명 코일(411)의 공명 주파수 등에 기초하여, 1차 공명 코일(521)과 2차 공명 코일(411)의 공명 강도를 나타내는 Q값(예를 들어, Q>100)이 커지도록, 또한 그 결합도를 나타내는 κ 등이 작아지도록 그 권취수가 적절하게 설정된다.
콘덴서(522)는, 1차 공명 코일(521)의 양단에 접속되어, 1차 공명 코일(521)과 함께 LC 공진 회로를 형성한다. 콘덴서(522)의 용량은, 1차 공명 코일(521)이 갖는 인덕턴스에 따라, 소정의 공명 주파수가 되도록 적절하게 설정된다. 또한 , 1차 공명 코일(521) 자체가 갖는 부유 용량으로 원하는 공진 주파수가 얻어지는 경우에는, 콘덴서(522)가 생략되는 경우가 있다.
1차 코일(523)은, 1차 공명 코일(521)과 동축 상에 설치되어, 전자 유도에 의해 1차 공명 코일(521)과 자기적으로 결합 가능하다. 1차 코일(523)은, 정합기(560)를 통하여 공급된 고주파 전력을 전자 유도에 의해 1차 공명 코일(521)에 전달한다.
통신부(530)는, 상술한 바와 같이, 공명 기기 급전 유닛(184)과 차내 전기 기기(400)의 사이에서 무선 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다. 통신부(530)는, 차내 전기 기기(400)측의 통신부(460)로부터 송신되는 배터리 정보 INFO, 및 송전의 개시 및 정지를 지시하는 신호 STRT, STP를 수신하여, 이들 정보를 송전 ECU(540)에 출력한다. 또한 , 통신부(530)는, 정합기(560)로부터의 임피던스 조정이 완료된 것을 나타내는 신호 COMP를 송전 ECU(540)로부터 받아, 그것을 차내 전기 기기(400)측에 출력한다.
송전 ECU(540)는, 모두 도 8에는 도시하지 않았지만, CPU, 기억 장치 및 입출력 버퍼를 포함하며, 각 센서 등으로부터의 신호의 입력이나 각 기기에의 제어 신호의 출력을 행함과 함께, 전원 장치(510)에서의 각 기기의 제어를 행한다. 또한 , 이들 제어에 대해서는 소프트웨어에 의한 처리에 한정되지 않고, 전용 하드웨어(전자 회로)로 처리하는 것도 가능하다.
또한 , 본 실시 형태에서는, 차내 전기 기기(400)로서 배터리(490)를 내장하는 예를 나타내었지만, 차내 전기 기기(400)에 반드시 배터리(490)는 필요하지 않다. 차내 전기 기기(400)에 비접촉으로 급전을 행하는 것이면, 차내 전기 기기(400)에 배터리(490)를 내장하지 않아도 된다.
도 9는 도 8의 공명 기기 급전 유닛(184)의 차량에서의 배치예를 설명하기 위한 도면이다.
도 9를 참조하여, 공명 기기 급전 유닛(184)은, 운전석(502)이나 조수석(504)으로부터도 사용할 수 있는 차 실내의 위치에 배치하는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 센터 콘솔(506)의 트레이나 대시 보드의 포켓 등에 공명 기기 급전 유닛(184)을 설치하면 된다.
이러한 위치로 하면, 도 1에 도시한 수전 유닛(110)으로부터도 멀기 때문에, 차내 전기 기기에의 급전과 수전 유닛(110)에서의 수전이 서로 영향을 줄 가능성이 낮아진다. 어디까지나 예시이며 한정되는 것은 아니지만, 도 9에는 센터 콘솔(506)에 공명 기기 급전 유닛(184)을 설치하고, 차내 전기 기기(400)를 두는 트레이 저면을 기기 배치면(191)으로 한 예를 도시한다.
도 10은 차내 전기 기기의 코일과 기기 급전 유닛의 코일과의 거리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하여, 차내 전기 기기(400)에 내장 또는 장착된 수전측 코일(404)은, 공명 기기 급전 유닛(184)의 급전측 코일(194)과의 거리가 거리 D2로 되도록 차내 전기 기기(400) 및 공명 기기 급전 유닛(184)의 하우징이 설계되어 있다. 도 10에서는 거리 D2가 도 4에서 나타낸 거리 D1보다도 작은 예가 도시된다. 단, 공명 방식은 전자 유도 방식과는 달리 비접촉 전력 전송을 행하는 거리가 3 내지 4m라도 실용적인 효율이 얻어진다. 따라서, 공명 기기 급전 유닛(184)이 차내 전기 기기(400)에 송전하는 전력이 충분히 작은 경우에는, 도 9, 도 10에 도시한 바와 같이 차내 전기 기기(400)를 지정된 부분에 놓지 않아도, 예를 들어 유저가 손에 든 상태로도 충전이 가능하다.
또한 , 바람직하게는, 위치 정렬을 정확하게 행한 쪽이 전력 전송 효율이 좋다. 차내 전기 기기(400)는, 전기적으로는 공명 기기 급전 유닛(184)과는 비접촉이지만, 물리적으로는 하우징끼리 접촉하는 기기 배치면(191)을 공명 기기 급전 유닛(184)에 설치한다. 하우징에는 위치 정렬을 위한 요철이나 자석 등이 설치되어 있으며, 유저는 차내 전기 기기(400)를 손으로 들어올려 공명 기기 급전 유닛(184)의 기기 배치면(191) 상에 놓고 위치 조정을 손으로 행함으로써 용이하게 위치 어긋남이 없는 상태로 할 수 있다. 이 점이 도 1의 송전 유닛(220)과 수전 유닛(110)의 위치 정렬과는 크게 상이하다.
이상 설명한 바와 같이, 차량 탑재 배터리에의 수전과 차내 전기 기기에의 급전을 양쪽 모두 비접촉으로 행하는 경우, 서로 상이한 주파수의 공명 주파수를 사용한 공명 방식을 사용한다. 이에 의해 저출력의 차내 기기가 차량 탑재 배터리에의 수전용 공명 주파수와 공명하여 차내 기기가 수전되어 버리는 것을 피할 수 있다. 그리고, 차량 탑재 배터리에의 수전을 행하면서, 차내에 있어서도 차내 전기 기기에의 비접촉 급전을 행하는 것이 가능하게 된다.
또한 , 일반적으로 공명 주파수를 저주파수화하면, 특히 대전력을 취급하는 경우에 공명 코일 등의 유닛 비용을 저감할 수 있다. 반대로 소전력을 취급하는 경우에는, 공명 주파수를 고주파수화하기 쉽다. 따라서, 소전력인 차내 전기 기기에의 급전 유닛의 공명 주파수보다도, 대전력의 차량 탑재 배터리에의 수전 유닛의 공명 주파수를 낮게 설정함으로써, 종합적인 차량 비용을 저감시킬 수 있다.
도 11은 도 6의 제어 장치(180)가 실행하는 전력 송수전의 허가와 관련된 제어를 설명하기 위한 흐름도이다. 이 흐름도의 처리는, 차량 제어의 메인 루틴으로부터 일정 시간마다 또는 소정의 조건이 성립할 때마다 호출되어 실행된다.
도 6, 도 11을 참조하여, 우선, 처리가 개시되면, 제어 장치(180)는 스텝 S1에 있어서 차량이 차량 주행 불가 상태인지의 여부를 판단한다.
예를 들어, 차량은, 차량이 차량 주행 불가 상태(Ready-OFF 상태)인 경우에 차량 기동 버튼(120)을 한번 누름으로써 차량이 주행 가능 상태(Ready-ON 상태)로 되어, 시프트 레인지를 드라이브 레인지로 설정하여 액셀러레이터 페달을 밟으면 차량이 발진 가능하게 된다.
그리고, 차량이 주행 가능 상태(Ready-ON 상태)인 경우에 차량 기동 버튼(120)을 한번 더 누름으로써, 차량이 차량 주행 불가 상태(Ready-OFF 상태)로 되어, 액셀러레이터 페달을 밟아도 차량이 발진하지 않는 상태가 된다.
주행 가능 상태에서는 도 6의 시스템 메인 릴레이(SMR1)는 도통되어 있으며, 모터 제너레이터(172, 174)에 통전이 가능하고, 엔진(176)도 운전이 가능하다.
한편, 주행 불가 상태에서는 도 6의 시스템 메인 릴레이(SMR1)는 비도통이며, 모터 제너레이터(172, 174)에 통전이 금지되고, 엔진(176)도 운전이 금지되어 있다.
스텝 S1에 있어서, 차량이 주행 불가 상태(Ready-OFF)이면 스텝 S2로 처리가 진행되고, 차량이 주행 가능 상태(Ready-ON)이면 스텝 S7로 처리가 진행된다.
스텝 S2에 있어서는, 제어 장치(180)는, 메인 배터리(150)에 대하여 충전 요구가 있는지의 여부를 판단한다. 메인 배터리(150)에 대한 충전 요구는, 예를 들어 운전자가 조작하는 입력 장치(도 6의 급전 버튼(122) 등)로부터 제공되어도 되고, 도 1의 송전 유닛(220)과 수전 유닛(110)의 위치 결정이 완료된 것을 나타내는 신호와 메인 배터리(150)의 충전 상태 SOC(State Of Charge)에 기초하여 제어 장치(180) 자신이 발생시켜도 된다.
스텝 S2에 있어서, 메인 배터리(150)에 대한 충전 요구가 있는 경우에는 스텝 S2로부터 스텝 S3으로 처리가 진행되고, 충전 요구가 없는 경우에는 스텝 S2로부터 스텝 S5로 처리가 진행된다.
스텝 S3에서는, 시스템 메인 릴레이(SMR2)가 온 상태로 되는 한편, 시스템 메인 릴레이(SMR1)는 오프 상태로 제어된다. 그리고, 스텝 S4에 있어서, 메인 배터리(150)의 충전은 허가되는 한편, 차내 전기 기기에의 급전은 금지된다. 이 상태에서는 메인 배터리(150)를 충전 중에 운전자가 차량으로부터 떨어져 있는 상태도 상정된다.
스텝 S5에서는, 시스템 메인 릴레이(SMR1 및 SMR2)는 모두 오프 상태로 제어된다. 그리고, 스텝 S6에 있어서, 메인 배터리(150)의 충전 및 차내 전기 기기에의 급전은 모두 금지된다.
스텝 S1에 있어서, 차량이 주행 가능 상태(Ready-ON)이며, 스텝 S7로 처리가 진행된 경우에는, 시스템 메인 릴레이(SMR1)는 온 상태로 제어되고, 차량은 모터 제너레이터(172, 174)에 통전 가능한 상태로 된다. 이 상태에서는 차내에 운전자가 머무르고 있는 것이 상정되며, 도시하지 않은 에어컨이나 오디오 기기 등의 보조 기계류도 사용 가능하게 된다. 그리고, 스텝 S8에 있어서 메인 배터리(150)에의 충전 요구가 있는지의 여부가 판단된다.
스텝 S8에 있어서, 메인 배터리(150)에의 충전 요구가 있는 경우에는 스텝 S9로 처리가 진행되고, 충전 요구가 없는 경우에는 스텝 S11로 처리가 진행된다.
스텝 S9에서는, 시스템 메인 릴레이(SMR1 및 SMR2)는 모두 온 상태로 제어된다. 그리고, 스텝 S10에 있어서, 메인 배터리(150)의 충전 및 차내 전기 기기에의 급전은 모두 허가된다.
스텝 S11에서는, 시스템 메인 릴레이(SMR2)가 오프 상태로 되는 한편, 시스템 메인 릴레이(SMR1)는 온 상태로 제어된다. 그리고, 스텝 S12에 있어서, 메인 배터리(150)의 충전은 금지되는 한편, 차내 전기 기기에의 급전은 허가된다.
스텝 S4, S6, S10, S12 중 어느 하나의 처리가 종료되면, 스텝 S13에 있어서 제어는 메인 루틴으로 복귀된다.
도 12는 도 6의 제어 장치(180)가 실행하는 전력 송수전의 허가와 관련된 변형예의 제어를 설명하기 위한 흐름도이다. 이 흐름도의 처리는, 차량 제어의 메인 루틴으로부터 일정 시간마다 또는 소정의 조건이 성립할 때마다 호출되어 실행된다.
도 6, 도 12를 참조하여, 우선, 처리가 개시되면, 제어 장치(180)는 스텝 S21에 있어서 메인 배터리(150)에 대하여 충전 중인지의 여부를 판단한다. 스텝 S21에 있어서, 메인 배터리(150)의 충전 중이 아니면 스텝 S24로 처리가 진행되고, 메인 배터리(150)의 충전 중이면 스텝 S22로 처리가 진행된다.
스텝 S22에서는, 현재 차량의 상태가 주행 불가 상태(Ready-OFF 상태)인지의 여부가 판단된다. 스텝 S22에 있어서, 차량의 상태가 주행 불가 상태인 경우에는 스텝 S23으로 처리가 진행되고, 주행 불가 상태가 아닌 경우, 즉 주행 가능 상태(Ready-ON 상태)인 경우에는 스텝 S24로 처리가 진행된다.
스텝 S23에서는, 메인 배터리(150)가 충전 가능하며 차내 전기 기기에 대하여 급전이 금지된 상태가 되도록, 제어 장치(180)는 시스템 메인 릴레이(SMR1, SMR2), DC/DC 컨버터(142), 공명 기기 급전 유닛(184)을 제어한다.
한편, 스텝 S24에서는, 메인 배터리(150)에의 충전 요구가 접수 가능하며 차내 전기 기기에 대하여 급전 요구가 접수 가능하도록, 제어 장치(180)는 시스템 메인 릴레이(SMR1, SMR2), DC/DC 컨버터(142), 공명 기기 급전 유닛(184)을 제어한다.
일반적으로, 메인 배터리(150)의 충전 중에 운전자가 차량으로부터 떨어진 경우에는, 그 전에 운전자가 차량을 주행 불가 상태로 설정한다. 이러한 경우에는, 차내 전기 기기에의 급전이 금지됨으로써, 운전자 등의 탑승원이 부재인 경우에 차내 전기 기기에 급전이 이루어져 예측하지 못한 사태가 발생하는 것을 피할 수 있다.
또한 , 메인 배터리(150)의 충전 중에 운전자 등이 차량 내부에 대기하고 있어, 냉난방을 작동시키거나 음향 장치를 작동시키거나 하는 경우도 생각할 수 있다. 이렇게 탑승원이 차 실내에 있는 경우가 상정되는 경우에는, 차내 전기 기기에의 비접촉 급전도 허가하여 편리성을 높일 수 있다.
마지막으로, 본 실시 형태에 대하여 다시 도면을 참조하면서 총괄한다. 도 6을 참조하여, 차량(100)은, 차량(100)의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 유닛(110)과, 차량 내부에서 전기 기기에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 공명 기기 급전 유닛(184)을 포함한다. 수전 유닛(110)이 수전에 사용하는 전자계 주파수와 공명 기기 급전 유닛(184)이 송전에 사용하는 전자계 주파수는 상이하도록 설정된다.
바람직하게는, 수전 유닛(110)이 수전에 사용하는 전자계 주파수(도 5의 f1)가 공명 기기 급전 유닛(184)이 송전에 사용하는 전자계 주파수(도 8의 f2)보다도 낮아지도록, 수전 유닛(110)이 수전에 사용하는 전자계 주파수(도 5의 f1)와 공명 기기 급전 유닛(184)이 송전에 사용하는 전자계 주파수(도 8의 f2)가 설정된다.
보다 바람직하게는, 수전 유닛(110)이 차량 외부에 설치된 급전 장치(200)로부터 비접촉으로 수전하는 전력은, 공명 기기 급전 유닛(184)이 비접촉으로 차내 전기 기기(400)에 송전하는 전력보다도 크다.
더욱 바람직하게는, 차량(100)은, 차량(100)을 구동하는 모터 제너레이터(172, 174)와, 모터 제너레이터(172, 174)에 전력을 공급하는 메인 배터리(150)와, 메인 배터리(150)와는 별도로 설치된 보조 기계 배터리(182)를 더 포함한다. 보조 기계 배터리(182)의 전압은, 메인 배터리(150)의 전압보다도 낮으며, 공명 기기 급전 유닛(184)은 보조 기계 배터리(182)로부터 전력을 받아 차내 전기 기기(400)에 송전을 행한다.
더욱 바람직하게는, 차량은, 기동 버튼(120) 등에의 탑승원의 조작에 따라 차량의 동작 상태를 주행 가능 상태(Ready-ON 상태)와 주행 불가 상태(Ready-OFF 상태)로 설정하는 제어 장치(180)를 더 포함한다. 도 12에 도시한 바와 같이, 제어 장치(180)는, 주행 가능 상태에 있어서는(스텝 S22에서 "아니오") 수전 유닛(110)에 의해 수전된 전력을 메인 배터리(150)에 충전하는 것을 허가하면서, 공명 기기 급전 유닛(184)으로부터 차내 전기 기기(400)에 전력을 공급하는 것을 허가한다. 또한 , 제어 장치(180)는, 주행 불가 상태에 있어서는(스텝 S22에서 "예") 수전 유닛(110)에 의해 수전된 전력을 메인 배터리(150)에 충전하는 것을 허가하고, 또한 공명 기기 급전 유닛(184)으로부터 차내 전기 기기(400)에 전력을 공급하는 것을 금지한다.
본 발명은 다른 국면에서는 차량 내부에서 사용되는 차내 전기 기기(400)이다. 차량(100)은, 급전 장치(200)로부터 차량(100)의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 유닛(110)과, 차내 전기 기기(400)에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 공명 기기 급전 유닛(184)을 포함한다. 차내 전기 기기(400)는, 차량(100)의 수전 유닛(110)이 수전에 사용하는 전자계 주파수보다도 높은 전자계 주파수를 사용하여, 공명 기기 급전 유닛(184)으로부터 송전되는 전력을 받는 수전부(410)를 포함한다.
본 발명은 또 다른 국면에서는 전력 송수전 시스템이며, 차량(100)과, 차량(100)에 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 급전 장치(200)와, 차량 내부에서 사용할 수 있는 차내 전기 기기(400)를 포함한다. 차량(100)은, 외부의 급전 장치(200)로부터 차량의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 유닛(110)과, 차내 전기 기기(400)에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 공명 기기 급전 유닛(184)을 포함한다. 수전 유닛(110)이 수전에 사용하는 전자계 주파수와 공명 기기 급전 유닛(184)이 송전에 사용하는 전자계 주파수는 상이하도록 설정된다.
또한 , 본 실시 형태에서는, 도 6, 도 7 등에 2차 자기 공진 코일(112)과 2차 코일(114)을 포함하는 예를 도시하였지만, 본원 발명은 이러한 구성에 한정되는 것이 아니며, 전자 유도에 의해 2차 자기 공진 코일(112)과 2차 코일(114)의 사이의 송전을 행하지 않는 것이라도 적용 가능하다. 즉, 차량의 수전에 공명 방식을 사용하는 것이면 되며, 전자 유도에 의한 수전을 행하는 코일이 없는 것에도 적용 가능하다.
또한 , 본 실시 형태에서는, 도 6, 도 7, 도 8 등에 1차 자기 공진 코일, 1차 코일, 2차 자기 공진 코일, 2차 코일을 포함하는 예를 도시하였지만, 본원 발명은 이러한 구성에 한정되는 것이 아니며, 전자 유도에 의해 2차 자기 공진 코일(112)과 2차 코일(114)의 사이의 송전이나 1차 코일(232)과 1차 자기 공진 코일(234)의 사이의 송전을 행하지 않는 것, 및 전자 유도에 의해 2차 자기 공진 코일(411)과 2차 코일(413)의 사이의 송전이나 1차 코일(523)과 1차 자기 공진 코일(521)의 사이의 송전을 행하지 않는 것이라도 적용 가능하다. 즉, 차량에의 송수전이나 차내 전기 기기에의 송수전에 공명 방식을 사용하는 것이면 되며, 공명 방식의 송수전의 경로 상에 전자 유도에 의한 송수전을 행하는 코일이 없는 것에도 적용 가능하다.
금회 개시된 실시 형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타내어지며, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
10: 전력 송수전 시스템
100: 차량
110: 수전 유닛
111, 242, 412, 522, C1: 콘덴서
112, 340: 2차 자기 공진 코일
113, 146: 릴레이
114, 350, 413: 2차 코일
120: 차량 기동 버튼
122: 급전 버튼
130, 240: 통신 유닛
140, 480: 정류기
142, 181: DC/DC 컨버터
144, 211: 저항
150: 메인 배터리
162: 승압 컨버터
164, 166: 인버터
172, 174: 모터 제너레이터
176: 엔진
177: 동력 분할 장치
178: 구동륜
180: 제어 장치
182: 보조 기계 배터리
184: 공명 기기 급전 유닛
190, 472: 전압 센서
191: 기기 배치면
194: 급전측 코일
200: 급전 장치
210: 고주파 전원 장치
212: 커넥터
213: 고주파 교류 전원
220: 송전 유닛
232, 320, 523: 1차 코일
234, 330: 1차 자기 공진 코일
310: 고주파 전원
360: 부하
400: 차내 전기 기기
402: 기기 제어부
404: 수전측 코일
410: 수전부
411: 2차 공명 코일
415: 전원 스위치
420: 부하 회로
460, 530: 통신부
470: 충전 접속 회로
471: 전류 센서
490: 배터리
502: 운전석
504: 조수석
506: 센터 콘솔
510: 전원 장치
520: 송전부
521: 1차 공명 코일
550: 고주파 전원부
560: 정합기
PL1, NL: 전력선
PL2: 정극선
SMR1, SMR2: 시스템 메인 릴레이

Claims (8)

  1. 차량(100)의 주행을 위한 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 수전하는 수전 장치(110)와,
    상기 차량의 내부에서 전기 기기에 공급하는 전력을 전자계 공명에 의해 비접촉으로 송전하는 송전 장치(184)와,
    차량을 구동하는 구동 장치(172, 174)와,
    상기 구동 장치에 전력을 공급하는 주 배터리(150)와,
    상기 주 배터리와는 별도로 설치된 보조 기계 배터리(182)와,
    탑승원의 조작에 따라 차량의 동작 상태를 주행 가능 상태와 주행 불가 상태로 설정하는 제어부(180)를 구비하고,
    상기 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와 상기 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수는 상이하도록 설정되고,
    상기 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수가 상기 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수보다도 낮아지도록, 상기 수전 장치가 수전에 사용하는 전자계 주파수와 상기 송전 장치가 송전에 사용하는 전자계 주파수가 설정되고,
    상기 수전 장치가 차량 외부에 설치된 외부 송전 장치로부터 비접촉으로 수전하는 전력은, 상기 송전 장치가 비접촉으로 상기 전기 기기에 송전하는 전력보다도 크고,
    상기 보조 기계 배터리의 전압은, 상기 주 배터리의 전압보다도 낮고,
    상기 송전 장치는 상기 보조 기계 배터리로부터 전력을 받아 상기 전기 기기에 송전을 행하고,
    상기 제어부는, 상기 주행 가능 상태에 있어서는 상기 수전 장치에 의해 수전된 전력을 상기 주 배터리에 충전하는 것을 허가하고, 또한 상기 송전 장치로부터 상기 전기 기기에 전력을 공급하는 것을 허가하며, 상기 주행 불가 상태에 있어서는 상기 수전 장치에 의해 수전된 전력을 상기 주 배터리에 충전하는 것을 허가하고, 또한 상기 송전 장치로부터 상기 전기 기기에 전력을 공급하는 것을 금지하는, 차량.
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