KR20110066945A - 급전 시스템 및 전동 차량 - Google Patents

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Abstract

급전 장치(200)의 일차 자기 공진 코일(240)과 전동 차량(100)의 이차 자기 공진 코일(110)이 전자장을 통해 공명함으로써 급전 장치(200)로부터 전동 차량(100)에 비접촉으로 급전이 행해진다. 이차 자기 공진 코일(110)에 의해 수전된 전력은, 정류기(130)에 의해 정류되고, DC/DC 컨버터(140)에 의해 전압 변환되어 축전 장치(150)에 공급된다. 차량 ECU(180)는, DC/DC 컨버터(140)를 제어함으로써, 정류기(130)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전압을 목표 전압으로 제어한다.

Description

급전 시스템 및 전동 차량{POWER SUPPLY SYSTEM AND ELECTRIC VEHICLE}
본 발명은, 급전 시스템 및 전동 차량에 관한 것으로서, 특히, 차량 외부의 전원으로부터 차량에 비접촉으로 전력을 공급하는 기술에 관한 것이다.
환경을 배려한 차량으로서, 전기 자동차나 하이브리드차 등의 전동 차량이 크게 주목받고 있다. 이들 차량은, 주행 구동력을 발생하는 전동기와, 그 전동기에 공급되는 전력을 축적하는 재충전 가능한 축전 장치를 탑재한다. 또한, 하이브리드차는, 전동기와 함께 내연 기관을 동력원으로서 더 탑재한 차량이나, 차량 구동용의 직류 전원으로서 축전 장치와 함께 연료 전지를 더 탑재한 차량이다.
하이브리드차에 있어서도, 전기 자동차와 마찬가지로, 차량 외부의 전원으로부터 차재(車載)의 축전 장치를 충전할 수 있는 차량이 알려져 있다. 예를 들어, 가옥에 설치된 전원 콘센트와 차량에 설치된 충전구를 충전 케이블로 접속함으로써, 일반 가정의 전원으로부터 축전 장치를 충전할 수 있는 이른바 「플러그인·하이브리드차」가 알려져 있다.
한편, 송전 방법으로서, 전원 코드나 송전 케이블을 사용하지 않는 와이어리스 송전이 최근 주목받고 있다. 이 와이어리스 송전 기술로는, 유력한 것으로서, 전자 유도를 이용한 송전, 전자파를 이용한 송전, 및 공명법에 의한 송전의 세 가지 기술이 알려져 있다.
이 중, 공명법은, 한 쌍의 공명기(예를 들어 한 쌍의 자기 공진 코일)를 전자장(근접장)에 두어 공명시켜, 전자장을 통해 송전하는 비접촉의 송전 기술로서, 수kW의 대전력을 비교적 장거리(예를 들어 수m) 송전하는 것도 가능하다(비특허문헌 1 참조).
일본 공개특허공보 2008-174676호 일본 공개특허공보 평9-102329호 국제공개 제2007/008646호 팜플렛
Andre Kurs et al., "Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances", [online], 2007년 7월 6일, Science, 제317권, p.83-86, [2007년 9월 12일 검색], 인터넷 <URL:http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/317/5834/83.pdf >
상기 「Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances」에 개시되는 와이어리스 송전 기술을 차량에 대한 급전 시스템에 적용하는 경우에는, 급전의 효율을 높이는 전력 제어가 과제이다. 그러나, 상기 문헌에는, 효율적으로 급전하기 위한 구체적인 전력 제어 기술에 대해서는 특별히 개시되어 있지 않다.
그러므로, 본 발명의 목적은, 공명법을 이용하여 급전을 행하는 비접촉의 급전 시스템에 있어서, 효율이 양호한 급전을 실현하는 전력 제어 수법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 공명법을 이용하여 차량 외부의 급전 장치로부터 수전하는 전동 차량에 있어서, 효율이 양호한 수전을 실현하는 전력 제어 수법을 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면, 급전 시스템은, 송전용 공명기와, 수전용 공명기와, 정류기와, 전압 변환기와, 전압 제어 장치를 구비한다. 송전용 공명기는, 전원으로부터 전력을 받아 전자장을 발생한다. 수전용 공명기는, 전자장을 통해 송전용 공명기와 공명함으로써 송전용 공명기로부터 수전한다. 정류기는, 수전용 공명기에 의해 수전된 전력을 정류한다. 전압 변환기는, 정류기에 의해 정류된 전력을 전압 변환하여 부하에 공급한다. 전압 제어 장치는, 정류기와 전압 변환기 사이의 전압을 소정의 목표 전압으로 제어한다.
바람직하게는, 전압 제어 장치는, 수전 전력의 크기에 기초하여 목표 전압을 설정한다.
바람직하게는, 전압 제어 장치는, 수전 전력의 목표값에 목표 임피던스를 곱한 값의 제곱근으로 이루어지는 값으로 목표 전압을 설정한다.
더욱 바람직하게는, 목표 임피던스는, 전원의 임피던스로 설정된다.
바람직하게는, 급전 시스템은, 검지 장치를 더 구비한다. 검지 장치는, 전원으로부터 송전용 공명기에 공급되는 전력의 반사 전력을 검지한다. 전압 제어 장치는, 반사 전력이 감소하도록 목표 전압을 변경한다.
더욱 바람직하게는, 전압 제어 장치는, 반사 전력이 규정값 이상일 때, 규정값 이하의 반사 전력 목표값과 검지 장치에 의해 검지된 반사 전력의 차이에 기초하여 목표 전압의 변경량을 산출한다.
바람직하게는, 검지 장치는, 전원으로부터 송전용 공명기에 공급되는 전력의 전압, 전류, 및 전압과 전류의 위상차에 기초하여 반사 전력을 산출한다.
바람직하게는, 전압 변환기는, 그 입력 전압을 조정할 수 있게 구성된다. 전압 제어 장치는, 전압 변환기를 제어함으로써, 정류기와 전압 변환기 사이의 전압을 목표 전압으로 제어한다.
또한, 바람직하게는, 전압 변환기는, 그 입력 전력을 조정할 수 있게 구성된다. 전압 제어 장치는, 전원을 제어함으로써, 정류기와 전압 변환기 사이의 전압을 목표 전압으로 제어한다.
바람직하게는, 송전용 공명기는, 일차 코일과, 일차 자기 공진 코일을 포함한다. 일차 코일은, 전원으로부터 전력을 받는다. 일차 자기 공진 코일은, 일차 코일로부터 전자 유도에 의해 급전되어, 전자장을 발생한다. 수전용 공명기는, 이차 자기 공진 코일과, 이차 코일을 포함한다. 이차 자기 공진 코일은, 전자장을 통해 일차 자기 공진 코일과 공명함으로써 일차 자기 공진 코일로부터 수전한다. 이차 코일은, 이차 자기 공진 코일에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여, 정류기에 출력한다.
또한, 바람직하게는, 송전용 공명기 및 수전용 공명기 각각은, 고유전체 디스크를 포함한다.
바람직하게는, 부하는, 재충전 가능한 축전 장치를 포함한다.
또한, 바람직하게는, 부하는, 차량에 탑재되어 차량 구동력을 발생하는 전기 구동 장치를 포함한다. 전기 구동 장치는, 전압 변환기로부터 출력되는 전력을 받아 차량 구동력을 발생한다.
또한, 본 발명에 의하면, 전동 차량은, 수전용 공명기와, 정류기와, 전압 변환기와, 전기 구동 장치와, 전압 제어 장치를 구비한다. 수전용 공명기는, 차량 외부에 설치되는 급전 장치에 포함되는 송전용 공명기와 전자장을 통해 공명함으로써 송전용 공명기로부터 수전한다. 정류기는, 수전용 공명기에 의해 수전된 전력을 정류한다. 전압 변환기는, 정류기에 의해 정류된 전력을 전압 변환한다. 전기 구동 장치는, 전압 변환기로부터 출력되는 전력을 이용하여 차량 구동력을 발생한다. 전압 제어 장치는, 정류기와 전압 변환기 사이의 전압을 소정의 목표 전압으로 제어한다.
바람직하게는, 전압 제어 장치는, 수전 전력의 크기에 기초하여 목표 전압을 설정한다.
바람직하게는, 전압 제어 장치는, 수전 전력의 목표값에 목표 임피던스를 곱한 값의 제곱근으로 이루어지는 값으로 목표 전압을 설정한다.
더욱 바람직하게는, 목표 임피던스는, 급전 장치의 임피던스로 설정된다.
바람직하게는, 전동 차량은, 급전 장치와 통신하기 위한 통신 장치를 더 구비한다. 급전 장치에 있어서 전원으로부터 송전용 공명기에 공급되는 전력의 반사 전력이 검지된다. 전압 제어 장치는, 급전 장치에 있어서 검지된 반사 전력을 통신 장치에 의해 수신하고, 반사 전력이 감소하도록 목표 전압을 변경한다.
더욱 바람직하게는, 전압 제어 장치는, 반사 전력이 규정값 이상일 때, 규정값 이하의 반사 전력 목표값과 통신 장치에 의해 수신된 반사 전력의 차이에 기초하여 목표 전압의 변경량을 산출한다.
바람직하게는, 반사 전력은, 전원으로부터 송전용 공명기에 공급되는 전력의 전압, 전류, 및 전압과 전류의 위상차에 기초하여 산출된다.
바람직하게는, 전압 변환기는, 그 입력 전압을 조정할 수 있게 구성된다. 전압 제어 장치는, 전압 변환기를 제어함으로써, 정류기와 전압 변환기 사이의 전압을 목표 전압으로 제어한다.
또한, 바람직하게는, 전동 차량은, 급전 장치와 통신하기 위한 통신 장치를 더 구비한다. 전압 변환기는, 그 입력 전력을 조정할 수 있게 구성된다. 전압 제어 장치는, 통신 장치를 통해 전원을 제어함으로써, 정류기와 전압 변환기 사이의 전압을 목표 전압으로 제어한다.
바람직하게는, 송전용 공명기는, 일차 코일과, 일차 자기 공진 코일을 포함한다. 일차 코일은, 전원으로부터 전력을 받는다. 일차 자기 공진 코일은, 일차 코일로부터 전자 유도에 의해 급전되어, 전자장을 발생한다. 수전용 공명기는, 이차 자기 공진 코일과, 이차 코일을 포함한다. 이차 자기 공진 코일은, 전자장을 통해 일차 자기 공진 코일과 공명함으로써 일차 자기 공진 코일로부터 수전한다. 이차 코일은, 이차 자기 공진 코일에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여, 정류기에 출력한다.
또한, 바람직하게는, 송전용 공명기 및 수전용 공명기 각각은, 고유전체 디스크를 포함한다.
바람직하게는, 전동 차량은, 전압 변환기로부터 출력되는 전력을 축적하는 축전 장치를 더 구비한다.
본 발명에 있어서는, 전자장에 있어서 공명하는 송전용 공명기 및 수전용 공명기에 의해, 송전용 공명기로부터 수전용 공명기에 전자장을 통해 비접촉으로 송전된다. 수전용 공명기에 의해 수전된 전력은, 정류기에 의해 정류되고, 전압 변환기에 의해 전압 변환되어 부하에 공급된다. 여기서, 본 발명에 있어서는, 정류기와 전압 변환기 사이의 전압을 소정의 목표 전압으로 제어할 수 있으므로, 수전 전력에 따라 송전 측과 수전 측에서 임피던스 매칭을 취할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의하면, 공명법을 이용한 고효율의 비접촉 급전을 실현할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 실시형태 1에 의한 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 도 1에 나타내는 전동 차량의 전체 구성을 나타내는 기능 블록도이다.
도 5는 도 4에 나타내는 DC/DC 컨버터의 회로도이다.
도 6은 도 4에 나타내는 차량 ECU에 의한 DC/DC 컨버터의 제어에 관한 기능 블록도이다.
도 7은 자기 공진 코일의 다른 구성을 나타낸 도면이다.
도 8은 자기 공진 코일의 또 다른 구성을 나타낸 도면이다.
도 9는 자기 공진 코일의 또 다른 구성을 나타낸 도면이다.
도 10은 변형예에 있어서의 차량 ECU에 의한 DC/DC 컨버터의 제어에 관한 기능 블록도이다.
도 11은 시스템의 파라미터 변동에 대한 효율 및 반사 전력의 변화를 나타낸 도면이다.
도 12는 실시형태 2에 있어서의 급전 장치의 기능 블록도이다.
도 13은 실시형태 2에 있어서의 차량 ECU에 의한 DC/DC 컨버터의 제어에 관한 기능 블록도이다.
도 14는 도 13에 나타내는 보정 제어부의 처리를 설명하기 위한 플로우차트이다.
도 15는 실시형태 3에 의한 급전 시스템의 전체 구성도이다.
도 16은 실시형태 3의 변형예에 의한 급전 시스템의 전체 구성도이다.
도 17은 공명체로서 고유전체 디스크를 사용한 급전 시스템의 전체 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙여 그 설명은 반복하지 않는다.
[실시형태 1]
도 1은, 본 발명의 실시형태 1에 의한 급전 시스템의 전체 구성도이다. 도 1을 참조하여, 이 급전 시스템은, 전동 차량(100)과, 급전 장치(200)를 구비한다. 전동 차량(100)은, 이차 자기 공진 코일(110)과, 이차 코일(120)과, 정류기(130)와, DC/DC 컨버터(140)와, 축전 장치(150)를 포함한다. 또한, 전동 차량(100)은, 파워 컨트롤 유닛(이하 「PCU(Power Control Unit)」라고도 칭한다)(160)과, 모터(170)와, 차량 ECU(Electronic Control Unit)(180)와, 통신 장치(190)를 더 포함한다.
이차 자기 공진 코일(110)은, 차체 하부에 설치되는데, 급전 장치(200)가 차량 상방에 설치되어 있으면, 차체 상부에 설치되어도 된다. 이차 자기 공진 코일(110)은, 양단이 오픈(비접속)된 LC 공진 코일로서, 급전 장치(200)의 일차 자기 공진 코일(240)(후술)과 전자장을 통해 공명함으로써 급전 장치(200)로부터 전력을 수전한다. 또한, 이차 자기 공진 코일(110)의 용량 성분은, 코일의 부유 용량으로 하는데, 코일의 양단에 접속되는 컨덴서를 설치해도 된다.
이차 자기 공진 코일(110)은, 급전 장치(200)의 일차 자기 공진 코일(240)과의 거리나, 일차 자기 공진 코일(240) 및 이차 자기 공진 코일(110)의 공명 주파수 등에 기초하여, 일차 자기 공진 코일(240)과 이차 자기 공진 코일(110)의 공명 강도를 나타내는 Q값(예를 들어, Q > 100) 및 그 결합도를 나타내는 κ 등이 커지도록 그 감김수가 적절히 설정된다.
이차 코일(120)은, 이차 자기 공진 코일(110)과 동축 상에 설치되고, 전자 유도에 의해 이차 자기 공진 코일(110)과 자기적으로 결합 가능하다. 이 이차 코일(120)은, 이차 자기 공진 코일(110)에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여 정류기(130)에 출력한다. 정류기(130)는, 이차 코일(120)에 의해 취출된 교류 전력을 정류한다.
DC/DC 컨버터(140)는, 차량 ECU(180)로부터의 제어 신호에 기초하여, 정류기(130)에 의해 정류된 전력을 축전 장치(150)의 전압 레벨로 변환하여 축전 장치(150)에 출력한다. 또한, 차량의 주행 중에 급전 장치(200)로부터 수전하는 경우에는(그 경우에는, 급전 장치(200)는 예를 들어 차량 상방 또는 측방에 설치되어도 된다), DC/DC 컨버터(140)는, 정류기(130)에 의해 정류된 전력을 시스템 전압으로 변환하여 PCU(160)에 직접 공급해도 된다.
축전 장치(150)는, 재충전 가능한 직류 전원으로서, 예를 들어 리튬 이온이나 니켈 수소 등의 이차 전지로 이루어진다. 축전 장치(150)는, DC/DC 컨버터(140)로부터 공급되는 전력을 축적하는 것 외에, 모터(170)에 의해 발전되는 회생 전력도 축적한다. 그리고, 축전 장치(150)는, 그 축적한 전력을 PCU(160)에 공급한다. 또한, 축전 장치(150)로서 대용량의 커패시터도 채용할 수 있고, 급전 장치(200)로부터 공급되는 전력이나 모터(170)로부터의 회생 전력을 일시적으로 축적하여, 그 축적한 전력을 PCU(160)에 공급할 수 있는 전력 버퍼이면 어떠한 것이어도 된다.
PCU(160)는, 축전 장치(150)로부터 출력되는 전력 혹은 DC/DC 컨버터(140)로부터 직접 공급되는 전력에 의해 모터(170)를 구동시킨다. 또한, PCU(160)는, 모터(170)에 의해 발전된 회생 전력을 정류하여 축전 장치(150)에 출력하고, 축전 장치(150)를 충전한다. 모터(170)는, PCU(160)에 의해 구동되고, 차량 구동력을 발생시켜 구동륜에 출력한다. 또한, 모터(170)는, 구동륜이나 도시되지 않은 엔진으로부터 받는 운동 에너지에 의해 발전하고, 그 발전한 회생 전력을 PCU(160)에 출력한다.
차량 ECU(180)는, 급전 장치(200)로부터 전동 차량(100)으로의 급전시, DC/DC 컨버터(140)를 제어함으로써, 정류기(130)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전압을 소정의 목표 전압으로 제어한다. 여기서, 차량 ECU(180)는, 급전 장치(200)로부터 수전하는 전력의 크기에 기초하여, 목표 전압을 다음 식에 의해 설정한다.
VHref = √(P×R) …(1)
여기서, P는, 급전 장치(200)로부터 수전하는 전력의 목표값이고, R은, 목표 임피던스이다. 정류기(130)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전압을 상기 목표 전압(VHref)으로 제어함으로써, 수전 전력에 의존하지 않고 임피던스를 목표 임피던스(R)로 설정할 수 있다. 그리고, 예를 들어 목표 임피던스(R)를 급전 장치(200)의 임피던스값에 기초하여 설정함으로써, 급전 측의 급전 장치(200)와 수전 측의 전동 차량(100)의 임피던스 매칭을 취할 수 있다.
또한, 급전 장치(200)의 임피던스값은, 통신 장치(190)에 의해 급전 장치(200)로부터 취득할 수 있다. 또한, 차량 ECU(180)는, 전동 차량(100)에 있어서의 수전 전력을 검출하고, 그 검출값을 통신 장치(190)에 의해 급전 장치(200)에 송신한다.
또한, 차량 ECU(180)는, 차량의 주행시, 차량의 주행 상황이나 축전 장치(150)의 충전 상태(이하 「SOC(State Of Charge)」라고도 칭한다)에 기초하여 PCU(160)를 제어한다. 통신 장치(190)는, 차량 외부의 급전 장치(200)와 무선 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다.
한편, 급전 장치(200)는, 교류 전원(210)과, 고주파 전력 드라이버(220)와, 일차 코일(230)과, 일차 자기 공진 코일(240)과, 통신 장치(250)와, ECU(260)를 포함한다.
교류 전원(210)은, 차량 외부의 전원으로서, 예를 들어 계통 전원이다. 고주파 전력 드라이버(220)는, 교류 전원(210)으로부터 받는 전력을 고주파의 전력으로 변환하고, 그 변환한 고주파 전력을 일차 코일(230)에 공급한다. 또한, 고주파 전력 드라이버(220)가 생성하는 고주파 전력의 주파수는, 예를 들어 1M∼10 수MHz이다.
일차 코일(230)은, 일차 자기 공진 코일(240)과 동축 상에 설치되고, 전자 유도에 의해 일차 자기 공진 코일(240)과 자기적으로 결합 가능하다. 그리고, 일차 코일(230)은, 고주파 전력 드라이버(220)로부터 공급되는 고주파 전력을 전자 유도에 의해 일차 자기 공진 코일(240)에 급전한다.
일차 자기 공진 코일(240)은, 지면 근방에 설치되는데, 차량 상방으로부터 전동 차량(100)에 급전하는 경우에는 차량 상방에 설치되어도 된다. 일차 자기 공진 코일(240)도, 양단이 오픈(비접속)된 LC 공진 코일로서, 전동 차량(100)의 이차 자기 공진 코일(110)과 전자장을 통해 공명함으로써 전동 차량(100)에 전력을 송전한다. 또한, 일차 자기 공진 코일(240)의 용량 성분도, 코일의 부유 용량으로 하는데, 코일의 양단에 접속되는 컨덴서를 설치해도 된다.
이 일차 자기 공진 코일(240)도, 전동 차량(100)의 이차 자기 공진 코일(110)과의 거리나, 일차 자기 공진 코일(240) 및 이차 자기 공진 코일(110)의 공명 주파수 등에 기초하여, Q값(예를 들어, Q > 100) 및 결합도 κ 등이 커지도록 그 감김수가 적절히 설정된다.
통신 장치(250)는, 급전처의 전동 차량(100)과 무선 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다. ECU(260)는, 전동 차량(100)의 수전 전력이 목표값이 되도록 고주파 전력 드라이버(220)를 제어한다. 구체적으로는, ECU(260)는, 전동 차량(100)의 수전 전력 및 그 목표값을 통신 장치(250)에 의해 전동 차량(100)으로부터 취득하고, 전동 차량(100)의 수전 전력이 목표값에 일치하도록 고주파 전력 드라이버(220)의 출력을 제어한다. 또한, ECU(260)는, 급전 장치(200)의 임피던스값을 전동 차량(100)에 송신할 수 있다.
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, 일방의 코일로부터 타방의 코일에 전자장을 통해 전력이 전송된다.
구체적으로는, 고주파 전원(310)에 일차 코일(320)을 접속하고, 전자 유도에 의해 일차 코일(320)과 자기적으로 결합되는 일차 자기 공진 코일(330)에 1M∼10 수MHz의 고주파 전력을 급전한다. 일차 자기 공진 코일(330)은, 코일 자체의 인덕턴스와 부유 용량에 의한 LC 공진기로서, 일차 자기 공진 코일(330)과 동일한 공진 주파수를 갖는 이차 자기 공진 코일(340)과 전자장(근접장)을 통해 공명한다. 그렇게 하면, 일차 자기 공진 코일(330)로부터 이차 자기 공진 코일(340)에 전자장을 통해 에너지(전력)가 이동한다. 이차 자기 공진 코일(340)에 이동한 에너지(전력)는, 전자 유도에 의해 이차 자기 공진 코일(340)과 자기적으로 결합되는 이차 코일(350)에 의해 취출되어, 부하(360)에 공급된다. 또한, 공명법에 의한 송전은, 일차 자기 공진 코일(330)과 이차 자기 공진 코일(340)의 공명 강도를 나타내는 Q값이 예를 들어 100보다 클 때에 실현된다.
또한, 도 1과의 대응 관계에 대해 설명하면, 도 1의 교류 전원(210) 및 고주파 전력 드라이버(220)는, 도 2의 고주파 전원(310)에 상당한다. 또한, 도 1의 일차 코일(230) 및 일차 자기 공진 코일(240)은, 각각 도 2의 일차 코일(320) 및 일차 자기 공진 코일(330)에 상당하고, 도 1의 이차 자기 공진 코일(110) 및 이차 코일(120)은, 각각 도 2의 이차 자기 공진 코일(340) 및 이차 코일(350)에 상당한다. 그리고, 도 1의 정류기(130) 이후가 부하(360)로서 총괄적으로 나타나 있다.
도 3은, 전류원(자류원)으로부터의 거리와 전자계의 강도의 관계를 나타낸 도면이다. 도 3을 참조하여, 전자계는 세 가지 성분으로 이루어진다. 곡선 k1은, 파원으로부터의 거리에 반비례한 성분으로서, 「복사 전계」라고 칭해진다. 곡선 k2는, 파원으로부터의 거리의 2승에 반비례한 성분으로서, 「유도 전계」라고 칭해진다. 또한, 곡선 k3은, 파원으로부터의 거리의 3승에 반비례한 성분으로서, 「정전계」라고 칭해진다.
「정전계」는, 파원으로부터의 거리와 함께 급격하게 전자파의 강도가 감소하는 영역으로서, 공명법에서는, 이 「정전계」가 지배적인 근접장(에바네센트장 ; evanescent field)을 이용하여 에너지(전력)의 전송이 행해진다. 즉, 「정전계」가 지배적인 근접장에 있어서, 동일한 고유 진동수를 갖는 한 쌍의 공명기(예를 들어 한 쌍의 LC 공진 코일)를 공명시킴으로써, 일방의 공명기(일차 자기 공진 코일)로부터 타방의 공명기(이차 자기 공진 코일)에 에너지(전력)를 전송한다. 이 「정전계」는 원방(遠方)으로 에너지를 전파하지 않으므로, 원방까지 에너지를 전파하는 「복사 전계」에 의해 에너지(전력)를 전송하는 전자파에 비해, 공명법은, 보다 적은 에너지 손실로 송전할 수 있다.
도 4은, 도 1에 나타낸 전동 차량(100)의 파워 트레인 구성을 나타내는 블록도이다. 도 4를 참조하여, 전동 차량(100)은, 축전 장치(150)와, 시스템 메인 릴레이(SMR1)와, 승압 컨버터(162)와, 인버터(164, 166)와, 모터 제너레이터(172, 174)와, 엔진(176)과, 동력 분할 장치(177)와, 구동륜(178)을 포함한다. 또한, 전동 차량(100)은, 이차 자기 공진 코일(110)과, 이차 코일(120)과, 정류기(130)와, DC/DC 컨버터(140)와, 시스템 메인 릴레이(SMR2)와, 차량 ECU(180)와, 통신 장치(190)와, 전압 센서(192)와, 전류 센서(194)를 더 포함한다.
이 전동 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, 전동 차량(100)은, 엔진(176) 및 모터 제너레이터(174) 중 적어도 일방이 발생하는 구동력에 의해 주행한다. 엔진(176)이 발생하는 동력은, 동력 분할 장치(177)에 의해 2경로로 분할된다. 즉, 일방은 구동륜(178)에 전달되는 경로이고, 다른 일방은 모터 제너레이터(172)에 전달되는 경로이다.
모터 제너레이터(172)는, 교류 회전 전기(電機)로서, 예를 들어 로터에 영구 자석이 매설된 3상 교류 동기 전동기로 이루어진다. 모터 제너레이터(172)는, 동력 분할 장치(177)에 의해 분할된 엔진(176)의 운동 에너지를 이용해서 발전한다. 예를 들어, 축전 장치(150)의 SOC가 미리 정해진 값보다 낮아지면, 엔진(176)이 시동하여 모터 제너레이터(172)에 의해 발전이 행해지고, 축전 장치(150)가 충전된다.
모터 제너레이터(174)도, 교류 회전 전기로서, 모터 제너레이터(172)와 마찬가지로, 예를 들어 로터에 영구 자석이 매설된 3상 교류 동기 전동기로 이루어진다. 모터 제너레이터(174)는, 축전 장치(150)에 축적된 전력 및 모터 제너레이터(172)에 의해 발전된 전력 중 적어도 일방을 이용하여 구동력을 발생한다. 그리고, 모터 제너레이터(174) 구동력은, 구동륜(178)에 전달된다.
또한, 차량의 제동시나 하향 경사면에서의 가속도 저감시에는, 운동 에너지나 위치 에너지로서 차량에 축적된 역학적 에너지가 구동륜(178)을 통해 모터 제너레이터(174)의 회전 구동에 이용되어, 모터 제너레이터(174)가 발전기로서 작동한다. 이에 의해, 모터 제너레이터(174)는, 주행 에너지를 전력으로 변환하여 제동력을 발생하는 회생 브레이크로서 작동한다. 그리고, 모터 제너레이터(174)에 의해 발전된 전력은, 축전 장치(150)에 축적된다. 또한, 모터 제너레이터(174)는, 도 1에 있어서의 모터(170)에 상당하다.
동력 분할 장치(177)는, 선 기어와, 피니언 기어와, 캐리어와, 링 기어를 포함하는 유성 톱니바퀴로 이루어진다. 피니언 기어는, 선 기어 및 링 기어와 걸어맞춰진다. 캐리어는, 피니언 기어를 자전 가능하게 지지함과 함께, 엔진(176)의 크랭크샤프트에 연결된다. 선 기어는, 모터 제너레이터(172)의 회전축에 연결된다. 링 기어는 모터 제너레이터(174)의 회전축 및 구동륜(178)에 연결된다.
시스템 메인 릴레이(SMR1)는, 축전 장치(150)와 승압 컨버터(162) 사이에 설치된다. 시스템 메인 릴레이(SMR1)는, 차량 ECU(180)로부터의 신호(SE1)가 활성화되면, 축전 장치(150)를 승압 컨버터(162)와 전기적으로 접속하고, 신호(SE1)가 비활성화되면, 축전 장치(150)와 승압 컨버터(162) 사이의 전로를 차단한다.
승압 컨버터(162)는, 차량 ECU(180)로부터의 신호(PWC)에 기초하여, 축전 장치(150)로부터 출력되는 전압을 승압하여 정극선(PL2)에 출력한다. 또한, 이 승압 컨버터(162)는, 예를 들어 직류 초퍼 회로로 이루어진다.
인버터(164, 166)는, 각각 모터 제너레이터(172, 174)에 대응하여 설치된다. 인버터(164)는, 차량 ECU(180)로부터의 신호(PWI1)에 기초하여 모터 제너레이터(172)를 구동하고, 인버터(166)는, 차량 ECU(180)로부터의 신호(PWI2)에 기초하여 모터 제너레이터(174)를 구동한다. 또한, 인버터(164, 166)는, 예를 들어 3상 브리지 회로로 이루어진다.
또한, 승압 컨버터(162) 및 인버터(164, 166)는, 도 1에 있어서의 PCU(160)에 상당하다.
이차 자기 공진 코일(110), 이차 코일(120), 정류기(130) 및 DC/DC 컨버터(140)는, 도 1에서 설명한 바와 같다. 시스템 메인 릴레이(SMR2)는, DC/DC 컨버터(140)와 축전 장치(150) 사이에 설치된다. 시스템 메인 릴레이(SMR2)는, 차량 ECU(180)로부터의 신호(SE2)가 활성화되면, 축전 장치(150)를 DC/DC 컨버터(140)와 전기적으로 접속하고, 신호(SE2)가 비활성화되면, 축전 장치(150)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전로를 차단한다.
전압 센서(192)는, 정류기(130)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전압(VH)을 검출하고, 그 검출값을 차량 ECU(180)에 출력한다. 전류 센서(194)는, 정류기(130)로부터 출력되는 전류(I1)를 검출하고, 그 검출값을 차량 ECU(180)에 출력한다.
차량 ECU(180)는, 액셀 개도나 차량 속도, 기타 각 센서로부터의 신호에 기초하여, 승압 컨버터(162) 및 모터 제너레이터(172, 174)를 각각 구동하기 위한 신호(PWC, PWI1, PWI2)를 생성하고, 그 생성한 신호(PWC, PWI1, PWI2)를 각각 승압 컨버터(162) 및 인버터(164, 166)에 출력한다.
또한, 차량 ECU(180)는, 차량의 주행시, 신호(SE1)를 활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR1)를 온시킴과 함께, 신호(SE2)를 비활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR2)를 오프시킨다. 또한, 차량의 주행 중에 급전 장치로부터 수전 가능한 경우에는, 차량 ECU(180)는, 신호(SE1, SE2)를 활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR1, SMR2)를 모두 온시켜도 된다.
한편, 차량 외부의 급전 장치(200)로부터의 수전시, 차량 ECU(180)는, 신호(SE1)를 비활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR1)를 오프시킴과 함께, 신호(SE2)를 활성화하여 시스템 메인 릴레이(SMR2)를 온시킨다.
또한, 차량 ECU(180)는, 전압(VH)의 목표값을 나타내는 목표 전압(VHref)을 상기 식 (1)에 기초하여 산출한다. 또한, 차량 ECU(180)는, 급전 장치(200)의 임피던스값을 통신 장치(190)에 의해 급전 장치(200)로부터 취득하고, 그 취득한 임피던스값을 이용하여 식 (1)에 기초하여 목표 전압(VHref)을 산출해도 된다. 그리고, 차량 ECU(180)는, 전압(VH)이 목표 전압(VHref)에 일치하도록 DC/DC 컨버터(140)를 제어하기 위한 신호(PWD)를 생성하고, 그 생성한 신호(PWD)를 DC/DC 컨버터(140)에 출력한다.
또한, 차량 ECU(180)는, 전압 센서(192)로부터의 전압(VH) 및 전류 센서(194)로부터의 전류(I1)에 기초하여 급전 장치(200)로부터의 수전 전력을 산출하고, 그 산출값을 수전 전력의 목표값과 함께 통신 장치(190)에 의해 급전 장치(200)에 송신한다.
도 5는, 도 4에 나타낸 DC/DC 컨버터(140)의 회로도이다. 도 5를 참조하여, DC/DC 컨버터(140)는, 직교 변환부(142)와, 트랜스부(144)와, 정류부(146)를 포함한다. 직교 변환부(142)는, 차량 ECU(180)로부터의 신호(PWD)에 기초하여 온오프 구동되는 스위칭 소자를 포함하고, 정류기(130)(도시 생략)로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 트랜스부(144)에 출력한다.
트랜스부(144)는, 직교 변환부(142)와 정류부(146)를 절연함과 함께, 코일 감김수 비에 따른 전압 변환을 행한다. 정류부(146)는, 트랜스부(144)로부터 출력되는 교류 전력을 직류 전력으로 정류하여 축전 장치(150)(도시 생략)에 출력한다.
이 DC/DC 컨버터(140)에 있어서는, 차량 ECU(180)로부터의 신호(PWD)에 기초하여 직교 변환부(142)의 변조율을 제어함으로써, 직교 변환부(142)의 입력 전압 즉 전압(VH)을 제어할 수 있다.
도 6은, 도 4에 나타낸 차량 ECU(180)에 의한 DC/DC 컨버터(140)의 제어에 관한 기능 블록도이다. 도 6을 참조하여, 차량 ECU(180)는, 목표 전압 설정부(181)와, DC/DC 컨버터 제어부(182)를 포함한다. 목표 전압 설정부(181)는, 급전 장치(200)(도 1)로부터 수전하는 전력의 목표값(P)과 목표 임피던스에 기초하여, 상기 식 (1)에 따라 목표 전압(VHref)을 산출한다.
DC/DC 컨버터 제어부(182)는, 전압 센서(192)(도 4)에 의해 검출된 전압(VH)이 목표 전압(VHref)에 일치하도록 DC/DC 컨버터(140)를 구동하기 위한 PWM(Pulse Width Modulation) 신호를 생성하고, 그 생성한 PWM 신호를 신호(PWD)로서 DC/DC 컨버터(140)에 출력한다.
다시 도 1을 참조하여, 이 급전 시스템에 있어서는, 급전 장치(200)의 일차 자기 공진 코일(240) 및 전동 차량(100)의 이차 자기 공진 코일(110)을 전자장(근접장)을 통해 공명시킴으로써, 급전 장치(200)로부터 전동 차량(100)으로의 급전이 행해진다. 급전 장치(200)에 있어서는, 전동 차량(100)으로부터 송신되는 수전 전력 및 그 목표값에 기초하여 전력 제어가 행해지고, 전동 차량(100)에 있어서는, DC/DC 컨버터(140)를 제어함으로써 정류기(130)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전압(VH)을 목표 전압(VHref)으로 제어하는 전압 제어가 행해진다. 목표 전압(VHref)은, 상기 식 (1)에 기초하여 설정된다. 식 (1)에 있어서 목표 임피던스(R)를 급전 장치(200)의 임피던스값에 기초하여 설정하면, 송전 측의 급전 장치(200)와 수전 측의 전동 차량(100)의 각각에 있어서 임피던스 매칭을 취할 수 있다.
또한, 상기에 있어서는, 이차 자기 공진 코일(110) 및 일차 자기 공진 코일(240)의 각각의 용량 성분은, 각 공진 코일의 부유 용량으로 하였으나, 도 7에 나타내는 바와 같이, 이차 자기 공진 코일(110) 및 일차 자기 공진 코일(240)의 각각에 있어서, 코일 단부 사이에 컨덴서(380)를 접속하여 용량 성분을 구성해도 된다.
또한, 상기에 있어서는, 이차 코일(120)을 사용하여 전자 유도에 의해 이차 자기 공진 코일(110)로부터 전력을 취출하고, 일차 코일(230)을 사용하여 전자 유도에 의해 일차 자기 공진 코일(240)로의 급전을 행하는 것으로 하였으나, 도 8에 나타내는 바와 같이, 이차 코일(120)을 설치하지 않고 이차 자기 공진 코일(110)로부터 정류기(130)에 전력을 직접 취출하고, 고주파 전력 드라이버(220)로부터 일차 자기 공진 코일(240)에 직접 급전해도 된다.
또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 도 8의 구성에 있어서, 코일에 병렬로 컨덴서(380)를 접속하여 용량 성분을 형성해도 된다.
이상과 같이, 이 실시형태 1에 있어서는, 전동 차량(100)에 있어서, 정류기(130)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전압(VH)을 목표 전압(VHref)으로 제어할 수 있으므로, 급전 장치(200)로부터의 수전 전력에 의존하지 않고 임피던스를 설정할 수 있다. 그리고, 이 임피던스를 급전 장치(200)의 임피던스값에 기초하여 설정함으로써, 송전 측의 급전 장치(200)와 수전 측의 전동 차량(100)의 각각에서 임피던스 매칭을 취할 수 있다. 따라서, 이 실시형태 1에 의하면, 공명법을 이용한 고효율의 비접촉 급전을 실현할 수 있다.
[변형예]
상기 실시형태 1에서는, 급전 장치(200)에 있어서 전력 제어가 행해지고, 전동 차량(100)에 있어서 전압(VH)의 전압 제어가 행해지는 것으로 하였으나, 전동 차량(100)에 있어서 전력 제어를 행하고, 급전 장치(200)에 있어서 전압 제어를 행해도 된다.
도 10은, 이 변형예에 있어서의 차량 ECU(180A)에 의한 DC/DC 컨버터(140)의 제어에 관한 기능 블록도이다. 도 10을 참조하여, 이 차량 ECU(180A)는, 목표 전압 설정부(181)와, DC/DC 컨버터 제어부(182A)와, 제어 지령 생성부(183)를 포함한다.
목표 전압 설정부(181)는, 상기 서술한 바와 같이, 급전 장치(200)로부터 수전하는 전력의 목표값(P)과 목표 임피던스에 기초하여, 상기의 식 (1)에 의해 목표 전압(VHref)을 산출한다. 제어 지령 생성부(183)는, 전압 센서(192)(도 4)에 의해 검출된 전압(VH)이 목표 전압(VHref)에 일치하도록 급전 장치(200)의 고주파 전력 드라이버(220)(도 1)를 구동하기 위한 제어 신호(CNTL)를 생성하고, 그 생성한 제어 신호(CNTL)를 통신 장치(190)(도 1)에 의해 급전 장치(200)에 송신한다. 그리고, 급전 장치(200)에 있어서, 제어 신호(CNTL)에 기초하여 고주파 전력 드라이버(220)가 제어되고, 전압(VH)이 목표 전압(VHref)으로 제어된다.
한편, DC/DC 컨버터 제어부(182A)는, 전압(VH)과 전류 센서(194)(도 4)에 의해 검출된 전류(I1)에 기초하여 수전 전력을 산출한다. 그리고, DC/DC 컨버터 제어부(182A)는, 그 산출된 수전 전력이 목표값(P)에 일치하도록 DC/DC 컨버터(140)를 구동하기 위한 신호(PWD)를 생성하고, 그 생성된 신호(PWD)를 DC/DC 컨버터(140)에 출력한다.
이와 같이, 이 변형예에서는, 전동 차량(100)에 있어서, 수전 전력을 목표값으로 제어하기 위한 전력 제어가 행해지고, 전동 차량(100)에 있어서의 전압(VH)을 목표 전압(VHref)으로 제어하기 위한 전압 제어는, 급전 장치(200)의 고주파 전력 드라이버(220)를 제어함으로써 행해진다.
[실시형태 2]
급전 장치나 공명 유닛(일차 자기 공진 코일(240) 및 이차 자기 공진 코일(110))의 온도 변화 등에 의해 시스템의 파라미터가 변동되면, 최적의 급전 효율을 실현하는 동작점이 변화한다.
도 11은, 시스템의 파라미터 변동에 대한 효율 및 반사 전력의 변화를 나타낸 도면이다. 도 11을 참조하여, 곡선 k11은, 전동 차량에 의해 수전된 전력의 전압을 나타내는 전압(VH)과 효율의 관계를 나타내고, 곡선 k21은, 곡선 k11과 동일 조건 하에서의 전압(VH)과 반사 전력의 관계를 나타낸다. 반사 전력이 최소일 때 효율은 최대가 되고, 이 조건 하에서는, 전압(VH)이 V1일 때 효율이 최대가 된다.
급전 장치나 공명 유닛의 온도 변화 등에 의해 시스템의 파라미터가 변동되면, 전압(VH)과 효율의 관계는 곡선 k11에서 곡선 k12로 변화하고, 전압(VH)과 반사 전력의 관계는 곡선 k21에서 k22로 변화한다. 그리고, 효율이 최대가 되는 전압(VH)은 V1에서 V2가 된다.
그래서, 이 실시형태 2에서는, 시스템의 파라미터 변동에 대해 전압(VH)을 변화시켜, 파라미터 변동에 대한 임피던스 매칭이 행해진다. 구체적으로는, 급전 장치에 있어서 반사 전력이 검지되고, 반사 전력이 감소하도록 전압(VH)을 변화시킨다.
실시형태 2에 의한 급전 시스템의 전체 구성은, 도 1에 나타낸 구성과 기본적으로 동일하다.
도 12는, 실시형태 2에 있어서의 급전 장치(200A)의 기능 블록도이다. 도 12를 참조하여, 이 급전 장치(200A)는, 실시형태 1에 있어서의 급전 장치(200)의 구성에 있어서, 반사 전력 검지 장치(270)를 더 포함하고, ECU(260) 대신에 ECU(260A)를 포함한다. 반사 전력 검지 장치(270)는, 고주파 전력 드라이버(220)의 출력선에 설치되고, 반사 전력(PR)을 검지하여 ECU(260A)에 출력한다. 또한, 이 반사 전력 검지 장치(270)에는, 공지된 반사 전력 검지 장치를 이용할 수 있다.
그리고, ECU(260A)는, 반사 전력 검지 장치(270)로부터 반사 전력(PR)의 검지값을 받고, 그 받은 검지값을 통신 장치(250)에 의해 전동 차량에 송신한다. 또한, ECU(260A)의 그 밖의 기능은, 실시형태 1에 있어서의 ECU(260)와 동일하다.
도 13은, 실시형태 2에 있어서의 차량 ECU(180B)에 의한 DC/DC 컨버터(140)의 제어에 관한 기능 블록도이다. 도 13을 참조하여, 이 차량 ECU(180B)는, 감산부(184)와, 비례 적분(PI) 제어부(185)와, 보정 제어부(186)와, 가산부(187)와, DC/DC 컨버터 제어부(182)를 포함한다.
감산부(184)는, 통신 장치(190)에 의해 수신된 반사 전력(PR)의 검지값을 미리 정해진 반사 전력의 목표값(PRref)으로부터 감산하고, 그 연산 결과를 PI 제어부(185)에 출력한다. PI 제어부(185)는, 반사 전력의 목표값(PRref)과 반사 전력(PR)의 차이를 입력값으로 하여 비례 적분 연산을 행하고, 그 연산 결과를 제어 출력(α)으로 하여 보정 제어부(186)에 출력한다.
보정 제어부(186)는, 후술하는 방법에 의해, PI 제어부(185)로부터의 제어 출력(α) 및 반사 전력(PR)에 기초하여 전압(VH)의 보정값을 산출한다. 가산부(187)는, 보정 제어부(186)로부터의 출력을 목표 전압(VHref)에 가산하여 DC/DC 컨버터 제어부(182)에 출력한다. DC/DC 컨버터 제어부(182)는, 가산부(187)로부터 출력되는 수정 후의 목표 전압에 전압(VH)이 일치하도록, DC/DC 컨버터(140)를 제어하기 위한 신호(PWD)를 생성하고, 그 생성한 신호(PWD)를 DC/DC 컨버터(140)에 출력한다.
도 14는, 도 13에 나타낸 보정 제어부(186)의 처리를 설명하기 위한 플로우차트이다. 또한, 이 플로우차트의 처리는, 일정 시간마다 또는 소정의 조건이 성립할 때마다 메인 루틴으로부터 호출되어 실행된다.
도 14를 참조하여, 보정 제어부(186)는, 반사 전력(PR)이 미리 정해진 규정값보다 큰지의 여부를 판정한다(단계 S10). 또한, 이 규정값에는, 예를 들어 반사 전력(PR)의 목표값(PRref)이 설정된다. 반사 전력(PR)이 규정값 이하라고 판정되면(단계 S10에 있어서 NO), 보정 제어부(186)는, 목표 전압(VHref)의 보정을 행하지 않는다(단계 S20). 즉, 보정 제어부(186)는, 가산부(187)로의 출력을 0으로 한다.
단계 S10에 있어서 반사 전력(PR)이 규정값보다 크다고 판정되면(단계 S10에 있어서 YES), 보정 제어부(186)는, PI 제어부(185)로부터의 제어 출력(α)만큼 목표 전압(VHref)을 보정한다(단계 S30). 그리고, 보정 제어부(186)는, 단계 S30에 있어서의 목표 전압(VHref)의 보정에 의해 반사 전력(PR)이 감소하였는지의 여부를 판정한다(단계 S40).
단계 S40에 있어서 반사 전력(PR)이 감소하였다고 판정되면(단계 S40에 있어서 YES), 보정 제어부(186)는, PI 제어부(185)로부터의 제어 출력(α)에 기초하여 목표 전압(VHref)을 보정한다(단계 S50). 한편, 단계 S40에 있어서 반사 전력(PR)이 증가하였다고 판정되면(단계 S40에 있어서 NO), 보정 제어부(186)는, 제어 출력(α)의 부호를 반전한 값(-α)에 기초하여 목표 전압(VHref)을 보정한다(단계 S60).
이상과 같이, 이 실시형태 2에 있어서는, 급전 장치나 공명 유닛의 온도 변화 등에 의한 시스템의 파라미터 변동에 대해, 반사 전력이 감소하도록 전압(VH)이 제어된다. 따라서, 이 실시형태 2에 의하면, 항상 최적의 급전 효율을 달성할 수 있다.
[실시형태 3]
이 실시형태 3에서는, 전동 차량이 급전 장치로부터 수전하고 있을 때에 수전 중인 것을 나타내는 표시 수단이 설치된다.
도 15는, 실시형태 3에 의한 급전 시스템의 전체 구성도이다. 도 15를 참조하여, 실시형태 3에 의한 급전 시스템은, 도 1에 나타낸 실시형태 1에 의한 급전 시스템의 구성에 있어서, 전동 차량(100) 대신에 전동 차량(100A)을 구비한다. 전동 차량(100A)은, 도 1에 나타낸 전동 차량(100)의 구성에 있어서, 표시등(196)을 더 포함한다.
표시등(196)은, 정류기(130)와 DC/DC 컨버터(140) 사이의 전력선에 접속되고, 정류기(130)로부터 출력되는 전력을 이용하여 발광한다. 즉, 표시등(196)은, 급전 장치(200)로부터의 수전 전력을 이용하여 발광한다. 따라서, 표시등(196)은, 급전 장치(200)로부터의 수전에 따라 자동적으로 발광하고, 비수전시에는 자동적으로 소등된다.
이 실시형태 3에 의하면, 전동 차량에 있어서 급전 장치(200)로부터의 수전 중임을 나타내는 표시 수단을 간이하고 또한 저렴하게 실현할 수 있다. 또한, 급전 장치(200)로부터의 수전에 따라 자동적으로 점등/비점등이 되므로, 점등/비점등을 제어하기 위한 수단을 별도 구비할 필요가 없고, 이 수전 표시 시스템은 시스템 페일에 강하다.
[변형예]
도 16은, 실시형태 3의 변형예에 의한 급전 시스템의 전체 구성도이다. 도 16을 참조하여, 이 변형예에 있어서의 전동 차량(100B)도, 표시등(196)을 포함한다. 표시등(196)은, 이차 코일(120)과 정류기(130) 사이의 전력선에 접속되고, 이차 코일(120)로부터 출력되는 전력을 이용하여 발광한다. 즉, 이 변형예에 있어서도, 표시등(196)은, 급전 장치(200)로부터의 수전 전력을 이용하여 발광한다. 따라서, 표시등(196)은, 급전 장치(200)로부터의 수전에 따라 자동적으로 발광하고, 비수전시에는 자동적으로 소등된다.
이 변형예에 의해서도, 상기 실시형태 3과 동일한 효과가 얻어진다.
또한, 상기 각 실시형태에 있어서는, 한 쌍의 자기 공진 코일을 공명시켜 송전하는 것으로 하였으나, 공명체로서 자기 공진 코일 대신에 고유전체 디스크를 사용해도 된다.
도 17은, 공명체로서 고유전체 디스크를 사용한 급전 시스템의 전체 블록도이다. 도 17을 참조하여, 급전 장치(200B)는, 도 1에 나타낸 급전 장치(200)의 구성에 있어서, 일차 자기 공진 코일(240) 및 일차 코일(230) 대신에 일차 고유전체 디스크(410)를 포함하고, 전동 차량(100C)은, 도 1에 나타낸 전동 차량(100)의 구성에 있어서, 이차 자기 공진 코일(110) 및 이차 코일(120) 대신에 이차 고유전체 디스크(420)를 포함한다. 일차 고유전체 디스크(410) 및 이차 고유전체 디스크(420) 각각은, 고유전율재로 이루어지고, 예를 들어 TiO2나 BaTi4O9, LiTaO3 등으로 이루어진다. 그리고, 일차 고유전체 디스크(410) 및 이차 고유전체 디스크(420)를 전장(근접장)을 통해 공명시킴으로써 급전 장치(200B)로부터 전동 차량(100C)에 송전할 수 있다.
또한, 상기 각 실시형태에 있어서는, 전동 차량으로서, 동력 분할 장치(177)에 의해 엔진(176)의 동력을 분할하여 구동륜(178)과 모터 제너레이터(172)에 전달 가능한 시리즈/패럴렐형의 하이브리드차에 대해 설명하였으나, 본 발명은, 그 밖의 형식의 하이브리드차에도 적용할 수 있다. 즉, 예를 들어, 모터 제너레이터(172)를 구동하기 위해서만 엔진(176)을 사용하고, 모터 제너레이터(174)로만 차량의 구동력을 발생하는, 이른바 시리즈형의 하이브리드차나, 엔진(176)이 생성한 운동 에너지 중 회생 에너지만이 전기 에너지로서 회수되는 하이브리드차, 엔진을 주동력으로 하고 필요에 따라 모터가 어시스트하는 모터 어시스트형의 하이브리드차 등에도 본 발명은 적용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 엔진(176)을 구비하지 않고 전력만으로 주행하는 전기 자동차나, 직류 전원으로서 축전 장치(150)에 추가하여 연료 전지를 더 구비하는 연료 전지차에도 적용할 수 있다. 또한, 본 발명은, 승압 컨버터(162)를 구비하지 않는 전동 차량에도 적용할 수 있다.
또한, 상기에 있어서, DC/DC 컨버터(140)는, 본 발명에 있어서의 「전압 변환기」의 일 실시예에 대응하고, 차량 ECU(180, 180A, 180B)는, 본 발명에 있어서의 「전압 제어 장치」의 일 실시예에 대응한다. 또한, 반사 전력 검지 장치(270)는, 본 발명에 있어서의 「검지 장치」의 일 실시예를 형성하고, PCU(160) 및 모터(170)(승압 컨버터(162), 인버터(164, 166) 및 모터 제너레이터(174))는, 본 발명에 있어서의 「전기 구동 장치」의 일 실시예를 형성한다.
이번에 개시된 실시형태는, 모든 점에서 예시이며 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시형태의 설명이 아니라 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
100, 100A∼100C 전동 차량
110, 340 이차 자기 공진 코일
120, 350 이차 코일
130 정류기
140 DC/DC 컨버터
142 직교 변환부
144 트랜스부
146 정류부
150 축전 장치
160 PCU
162 승압 컨버터
164, 166 인버터
170 모터
172, 174 모터 제너레이터
176 엔진
177 동력 분할 장치
178 구동륜
180, 180A, 180B 차량 ECU
181 목표 전압 설정부
182, 182A DC/DC 컨버터 제어부
183 제어 지령 생성부
184 감산부
185 PI 제어부
186 보정 제어부
187 가산부
190, 250 통신 장치
192 전압 센서
194 전류 센서
196 표시등
200, 200A, 200B 급전 장치
210 교류 전원
220 고주파 전력 드라이버
230, 320 일차 코일
240, 330 일차 자기 공진 코일
260, 260A ECU
262 제로 크로스 검출부
264 위상차 산출부
266 반사 전력 산출부
270 반사 전력 검지 장치
310 고주파 전원
360 부하
380 컨덴서
410 일차 고유전체 필터
420 이차 고유전체 필터
SMR1, SMR2 시스템 메인 릴레이

Claims (25)

  1. 전원으로부터 전력을 받아 전자장을 발생하는 송전용 공명기(230, 240 ; 410)와,
    상기 전자장을 통해 상기 송전용 공명기와 공명함으로써 상기 송전용 공명기로부터 수전하는 수전용 공명기(110, 120 ; 420)와,
    상기 수전용 공명기에 의해 수전된 전력을 정류하는 정류기(130)와,
    상기 정류기에 의해 정류된 전력을 전압 변환하여 부하에 공급하는 전압 변환기(140)와,
    상기 정류기와 상기 전압 변환기 사이의 전압을 소정의 목표 전압으로 제어하기 위한 전압 제어 장치(180, 180A, 180B)를 구비하는 급전 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 전압 제어 장치는, 수전 전력의 크기에 기초하여 상기 목표 전압을 설정하는 급전 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 전압 제어 장치는, 수전 전력의 목표값에 목표 임피던스를 곱한 값의 제곱근으로 이루어지는 값으로 상기 목표 전압을 설정하는 급전 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 목표 임피던스는, 상기 전원의 임피던스로 설정되는 급전 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 전원으로부터 상기 송전용 공명기에 공급되는 전력의 반사 전력을 검지하는 검지 장치(270)를 더 구비하고,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 반사 전력이 감소하도록 상기 목표 전압을 변경하는 급전 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 반사 전력이 규정값 이상일 때, 상기 규정값 이하의 반사 전력 목표값과 상기 검지 장치에 의해 검지된 반사 전력의 차이에 기초하여 상기 목표 전압의 변경량을 산출하는 급전 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 검지 장치는, 상기 전원으로부터 상기 송전용 공명기에 공급되는 전력의 전압, 전류, 및 상기 전압과 상기 전류의 위상차에 기초하여 상기 반사 전력을 산출하는 급전 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환기는, 그 입력 전압을 조정할 수 있게 구성되고,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 전압 변환기를 제어함으로써, 상기 정류기와 상기 전압 변환기 사이의 전압을 상기 목표 전압으로 제어하는 급전 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압 변환기는, 그 입력 전력을 조정할 수 있게 구성되고,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 전원을 제어함으로써, 상기 정류기와 상기 전압 변환기 사이의 전압을 상기 목표 전압으로 제어하는 급전 시스템.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 송전용 공명기는,
    상기 전원으로부터 전력을 받는 일차 코일(230)과,
    상기 일차 코일로부터 전자 유도에 의해 급전되어, 상기 전자장을 발생하는 일차 자기 공진 코일(240)을 포함하고,
    상기 수전용 공명기는,
    상기 전자장을 통해 상기 일차 자기 공진 코일과 공명함으로써 상기 일차 자기 공진 코일로부터 수전하는 이차 자기 공진 코일(110)과,
    상기 이차 자기 공진 코일에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여, 상기 정류기에 출력하는 이차 코일(120)을 포함하는 급전 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 송전용 공명기 및 상기 수전용 공명기 각각은, 고유전체 디스크(410, 420)를 포함하는 급전 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 부하는, 재충전 가능한 축전 장치(150)를 포함하는 급전 시스템.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 부하는, 차량에 탑재되어 차량 구동력을 발생하는 전기 구동 장치(160, 170)를 포함하고,
    상기 전기 구동 장치는, 상기 전압 변환기로부터 출력되는 전력을 받아 상기 차량 구동력을 발생하는 급전 시스템.
  14. 차량 외부에 설치되는 급전 장치(200, 200A, 200B)에 포함되는 송전용 공명기(230, 240 ; 410)와 전자장을 통해 공명함으로써 상기 송전용 공명기로부터 수전하는 수전용 공명기(110, 120 ; 420)와,
    상기 수전용 공명기에 의해 수전된 전력을 정류하는 정류기(130)와,
    상기 정류기에 의해 정류된 전력을 전압 변환하는 전압 변환기(140)와,
    상기 전압 변환기로부터 출력되는 전력을 이용하여 차량 구동력을 발생하는 전기 구동 장치(160, 170)와,
    상기 정류기와 상기 전압 변환기 사이의 전압을 소정의 목표 전압으로 제어하는 전압 제어 장치(180, 180A, 180B)를 구비하는 전동 차량.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 전압 제어 장치는, 수전 전력의 크기에 기초하여 상기 목표 전압을 설정하는 전동 차량.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 전압 제어 장치는, 수전 전력의 목표값에 목표 임피던스를 곱한 값의 제곱근으로 이루어지는 값으로 상기 목표 전압을 설정하는 전동 차량.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 목표 임피던스는, 상기 급전 장치의 임피던스로 설정되는 전동 차량.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 급전 장치와 통신하기 위한 통신 장치(190)를 더 구비하고,
    상기 급전 장치에 있어서 전원으로부터 상기 송전용 공명기에 공급되는 전력의 반사 전력이 검지되고,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 급전 장치에 있어서 검지된 상기 반사 전력을 상기 통신 장치에 의해 수신하고, 상기 반사 전력이 감소하도록 상기 목표 전압을 변경하는 전동 차량.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 반사 전력이 규정값 이상일 때, 상기 규정값 이하의 반사 전력 목표값과 상기 통신 장치에 의해 수신된 상기 반사 전력의 차이에 기초하여 상기 목표 전압의 변경량을 산출하는 전동 차량.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 반사 전력은, 상기 전원으로부터 상기 송전용 공명기에 공급되는 전력의 전압, 전류, 및 상기 전압과 상기 전류의 위상차에 기초하여 산출되는 전동 차량.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 전압 변환기는, 그 입력 전압을 조정할 수 있게 구성되고,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 전압 변환기를 제어함으로써, 상기 정류기와 상기 전압 변환기 사이의 전압을 상기 목표 전압으로 제어하는 전동 차량.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 급전 장치와 통신하기 위한 통신 장치(190)를 더 구비하고,
    상기 전압 변환기는, 그 입력 전력을 조정할 수 있게 구성되고,
    상기 전압 제어 장치는, 상기 통신 장치를 통해 상기 전원을 제어함으로써, 상기 정류기와 상기 전압 변환기 사이의 전압을 상기 목표 전압으로 제어하는 전동 차량.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 송전용 공명기는,
    전원으로부터 전력을 받는 일차 코일(230)과,
    상기 일차 코일로부터 전자 유도에 의해 급전되어, 상기 전자장을 발생하는 일차 자기 공진 코일(240)을 포함하고,
    상기 수전용 공명기는,
    상기 전자장을 통해 상기 일차 자기 공진 코일과 공명함으로써 상기 일차 자기 공진 코일로부터 수전하는 이차 자기 공진 코일(110)과,
    상기 이차 자기 공진 코일에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여, 상기 정류기에 출력하는 이차 코일(120)을 포함하는 전동 차량.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 송전용 공명기 및 상기 수전용 공명기 각각은, 고유전체 디스크(410, 420)를 포함하는 전동 차량.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 전압 변환기로부터 출력되는 전력을 축적하는 축전 장치(150)를 더 구비하는 전동 차량.
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