KR20160065014A

KR20160065014A - 송전 장치

Info

Publication number: KR20160065014A
Application number: KR1020150166678A
Authority: KR
Inventors: 다카히로 미사와
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2014-11-28
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2016-06-08
Also published as: JP6213485B2; RU2625167C2; BR102015029388B1; JP2016111902A; MY174469A; RU2015150755A; CN105656216A; KR101842102B1; CN105656216B

Abstract

본건에 관련된 상기 송전 장치(130)는, 인버터(142), 송전부(132), 전자 제어 장치(170)를 포함한다. 상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 인버터(142)로부터 상기 송전부(132)에의 출력 전류의 전류 위상이 출력 전압에 대하여 진각하고 있는 것을 검지하였을 때에는 상기 전류 위상의 진각이 작아지는 방향으로 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성된다.

Description

송전 장치{ELECTRIC POWER TRANSMISSION DEVICE}

본 발명은 송전 장치에 관한 것으로서, 상세하게는, 수전 장치에 비접촉으로 전력을 송전하는 송전 장치에 관한 것이다.

종래에, 이 종류의 기술로서는, 송전 장치로부터 수전 장치에 비접촉으로 전력을 송전하는 시스템에 있어서, 규격화 송전 전류에 기초하여 송전 장치의 전원 주파수를 제어하는 것이 제안되어 있다(예를 들면, 일본 공개특허 특개2014-103754호 공보 참조). 규격화 송전 전류는, 제 1 송전 전류의 최대값에 대한 제 2 송전 전류로서 정의되어 있다. 제 1 송전 전류는, 송전 장치와 수전 장치가 무결합 상태에 있어서의 송전 장치의 송전 전류로서 정의되어 있고, 제 2 송전 전류는, 송전 장치와 수전 장치가 유도 결합한 상태에 있어서의 송전 장치의 송전 전류로서 정의되어 있다. 그리고, 규격화 송전 전류가 1/2 이상인 때에는 전원 주파수를 공진 주파수로 설정하고, 규격화 송전 전류가 1/2 미만인 때에는 전원 주파수를 규격화 송전 전류가 1/2이 되도록 가변 제어한다. 이와 같이 제어함으로써, 송전 장치의 전원 주파수의 제어만으로 수전 전력을 크게 하여 전력 효율을 최대한으로 할 수 있다고 되어 있다.

비접촉 송전 시스템에 있어서의 송전 장치에서는, 송전용의 교류 전력의 주파수와 전압을 조정하기 위하여 펄스폭 변조(PWM: pulse width modulation) 제어에 의해 구동하는 인버터를 구비하는 경우가 많다. 이 경우, 인버터는, 일반적으로, 도 8에 나타난 바와 같이, 4개의 스위칭 소자(Q91∼Q94)와, 이 스위칭 소자(Q91∼Q94)에 역 방향으로 병렬 접속된 4개의 다이오드(D91∼D94)에 의해 구성된다. 스위칭 소자(Q91∼Q94)는, 각각 정극 모선과 부극 모선에 대하여 소스측과 싱크측이 되도록 2개씩 페어로 배치되어 있고, 쌍이 되는 스위칭 소자끼리의 접속점의 각각에 송전용 코일의 양 단자가 접속된다.

이러한 인버터를 구비하는 송전 장치에서는, PWM 제어에 의한 교번(交番) 전압에 대하여 전류의 위상이 진행되는(진각(進角)하는) 경우가 있다. 도 9에 스위칭 소자(Q91∼Q94)의 온 오프 상태와 인버터의 출력 전압, 전류의 상태와의 관계의 일례를 나타낸다. 도면의 「인버터 출력 전압, 전류」에 있어서, 실선의 꺾인 선은 출력 전압을 나타내고, 실선의 사인 커브는 전압 위상에 대하여 전류 위상이 진각하고 있는 때의 전류를 나타내고 있다. 여기서, 스위칭 소자(Q91)가 오프 상태로부터 온 상태로 이행하는 때를 생각한다. 스위칭 소자(Q91)가 오프 상태의 시간 T1에서는, 인버터 출력 전압은 값 0이지만, 전류는 위상이 진행되고 있기 때문에 양의 값이 된다. 이 때, 전류는, 도 10a에 나타낸 바와 같이, 송전용 코일측의 아래의 전력 라인으로부터 온 상태의 스위칭 소자(Q94), 온 상태의 스위칭 소자(Q93) 및 다이오드(D93), 송전용 코일측의 위의 전력 라인의 순서로 흐른다. 스위칭 소자(Q91)를 온 한 직후의 시간 T2에서는, 인버터 출력 전압은 양의 값이 되고, 전류는 양의 값을 유지하고 있다. 이 때, 전류는, 도 10b에 나타낸 바와 같이, 정극 모선(상측의 모선)으로부터 온 상태의 스위칭 소자(Q91)를 개재하여 송전용 코일측의 위의 전력 라인으로 흐름과 함께, 송전용 코일측의 아래의 전력 라인으로부터 온 상태의 스위칭 소자(Q94)를 개재하여 부극 모선(하측의 모선)으로 흐른다. 다이오드(D93)에는, 스위칭 소자(Q91)를 오프 상태의 시간 T1에서는 순(順) 바이어스가 부여되고 있고, 스위칭 소자(Q91)가 온 한 직후의 시간 T2에서는 역(逆) 바이어스가 부여되게 된다. 이 때문에, 다이오드의 리커버리 특성에 의해, 다이오드(D93)에는 도 10b의 굵은 화살표로 나타낸 바와 같이 리커버리 전류가 흐른다. 이 리커버리 전류는 단락 전류이기 때문에, 송전 장치의 이상 발열이나 고장의 요인이 될 우려가 있다.

본 발명은, 다이오드에 리커버리 전류가 흐르지 않도록 하여, 송전 장치의 이상 발열이나 고장을 억제하는 송전 장치를 제공한다.

본 발명에 관련된 송전 장치는, 수전부를 포함하는 수전 장치에, 비접촉으로 전력을 송전하는 송전 장치이다. 상기 송전 장치는 인버터, 송전부, 전자 제어 장치를 포함한다. 상기 인버터는 복수의 스위칭 소자와 복수의 다이오드를 갖고, 상기 인버터는 외부 전원 기인(起因)의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 구성된다. 상기 송전부는 상기 인버터로부터의 교류 전력을 상기 수전 장치의 상기 수전부에 송전하도록 구성된다. 상기 전자 제어 장치는 상기 인버터의 복수의 스위칭 소자를 스위칭 제어함으로써 상기 교류 전력을 조정하도록 구성되고, 상기 전자 제어 장치는, 상기 인버터로부터 상기 송전부에의 출력 전류의 전류 위상이 출력 전압에 대하여 진각하고 있음을 검지하였을 때에는 상기 전류 위상의 진각이 작아지는 방향으로 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성된다.

이 송전 장치에서는, 인버터로부터 송전부에의 전류 위상이 출력 전압에 대하여 진각하고 있음을 검지하였을 때에는, 전류 위상의 진각이 작아지는 방향으로 인버터로부터의 교류 전력의 주파수를 조정한다. 이러한 조정을 1회 또는 복수 회 행함으로써, 전류 위상의 출력 전압에 대한 진각이 해소된다. 전류 위상이 출력 전압에 대하여 진각하고 있으면, 스위칭 소자를 온 하는 타이밍에 있어서 다이오드에 리커버리 전류(단락 전류)가 흘러, 송전 장치의 이상 발열이나 고장의 요인이 되는 경우가 생길 우려가 있다. 전류 위상의 출력 전압에 대한 진각을 해소하면, 스위칭 소자를 온 하는 타이밍에 있어서 다이오드에 리커버리 전류(단락 전류)가 흐르지 않도록 할 수 있다. 이 결과, 리커버리 전류(단락 전류)에 기인하는 송전 장치의 이상 발열이나 고장을 억제할 수 있다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 전류 위상의 진각이 해소되도록 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성되어도 된다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 수전부와 상기 송전부의 결합 계수와 상기 교류 전력의 주파수와 상기 출력 전압의 전압 위상에 대한 상기 전류 위상과의 관계를 정한 맵을 갖고 있어도 된다. 상기 전자 제어 장치는, 상기 수전부와 상기 송전부의 결합 계수를 연산하고, 연산된 결합 계수와 상기 맵을 이용하여 상기 전류 위상의 진각이 작아지는 방향으로 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성되어도 된다.

교류 전력에 있어서의 전류의 주파수·위상 특성은, 결합 계수에 따라서 다른 것이 되는 것에 기초한다. 또한, 맵은, 실험 등에 의해 결합 계수를 순차적으로 변경하면서 그 주파수와 전류 위상과의 관계를 구하여 삼차원 맵으로서 작성할 수 있다. 이와 같이, 결합 계수와 맵을 이용하여 주파수를 조정하기 때문에, 보다 적정하게 전류 위상의 진각을 해소할 수 있다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 연산된 결합 계수와 상기 맵으로부터 주파수의 조정량을 구하여 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성되어도 된다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 인버터의 출력 임피던스에 기초하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되어도 된다.

인버터의 출력 임피던스는 결합 계수의 함수라고 간주할 수 있다. 그 때문에, 상기 전자 제어 장치는, 상기 인버터의 출력 임피던스에 기초하여 상기 결합 계수를 연산할 수 있다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 출력 임피던스가 제 1 자기 인덕턴스, 제 2 자기 인덕턴스, 제 1 임피던스 및 상기 결합 계수와의 함수라고 하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되어도 된다. 여기서, 상기 제 1 자기 인덕턴스는, 상기 송전부의 자기 인덕턴스이고, 상기 제 2 자기 인덕턴스는, 상기 수전부의 자기 인덕턴스이며, 상기 제 1 임피던스는, 상기 수전부를 제외한 상기 수전 장치의 임피던스이다. 여기서, 일반적으로, 결합 계수를 산출하는 수법으로서는, 수전 전력과 송전 전력으로부터 산출하는 것을 들 수 있지만, 이 수법에서는, 수전 전력에 관한 정보를 송전 장치측에 송신할 필요가 생긴다. 그 한편으로, 인버터의 출력 임피던스는, 송전 장치 내의 정보만으로 산출할 수 있다. 그 결과, 수전 장치와의 사이의 통신이 불필요하게 된다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 제 2자기 인덕턴스 및 제 1 임피던스를 정수로서 취급하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되어도 된다.

수전 장치가 규격화되어 있고, 수전부의 자기 인덕턴스나 수전부를 제외한 수전 장치의 임피던스가 변화하지 않는 것과 마찬가지인 경우에는, 이들을 정수로서 취급할 수 있기 때문이다. 여기서, 수전부를 제외한 수전 장치의 임피던스는, 수전부로부터 후방의 임피던스를 의미하고 있다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 제 2 자기 인덕턴스와 상기 제 1 임피던스를 상기 수전 장치로부터 취득하여 상기 결합 계수를 연산하거나, 또는, 상기 제 2 자기 인덕턴스와 제 1 임피던스의 비를 상기 수전 장치로부터 취득하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되어도 된다.

이렇게 하면, 수전 장치가 규격화되어 있지 않은 경우에도, 출력 임피던스를 보다 정확하게 연산할 수 있고, 결합 계수를 보다 정확하게 연산할 수 있다. 또한, 수전부의 자기 인덕턴스와 수전부를 제외한 수전 장치의 임피던스와의 비를 취득하는 경우여도 되는 것은, 출력 임피던스는 수전부의 자기 인덕턴스에 비례함과 함께 수전부를 제외한 수전 장치의 임피던스에 반비례하는 관계를 갖기 때문이다.

상기 전자 제어 장치는, 상기 복수의 스위칭 소자 중 어느 하나의 스위칭 소자의 온 또는 오프의 타이밍에 있어서의 전류값에 기초하여 상기 전류 위상의 진각을 검지하도록 구성되어도 된다. 또, 상기 전자 제어 장치는, 상기 인버터로부터 상기 송전부에의 전류의 부호가 변화한 타이밍에 있어서의 상기 교류 전력의 전압에 기초하여 상기 전류 위상의 진각을 검지하도록 구성되어도 된다.

본 발명의 예시적인 실시 형태의 특징, 이점, 및 기술적 그리고 산업적 중요성이 첨부 도면을 참조하여 하기에 기술될 것이며, 첨부 도면에서 동일한 도면 부호는 동일한 요소를 지시한다.
도 1은 실시예의 송전 장치(130)를 구비하는 비접촉 송수전 시스템(10)의 구성의 개략을 나타낸 구성도이다.
도 2는 실시예의 송전 장치(130)를 구비하는 비접촉 송수전 시스템(10)의 구성의 개략을 나타낸 구성도이다.
도 3은 인버터(142)의 구성의 일례를 나타낸 구성도이다.
도 4는 송전 ECU(170)에 의해 실행되는 주파수 조정 처리의 일례를 나타낸 플로우차트이다.
도 5는 인버터(142)의 스위칭 소자(Q1∼Q4)의 온 오프 상태와 인버터(142)의 출력 전압이나 출력 전류의 시간 변화의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 6은 주파수 조정용 맵의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 7a는 도 5의 시간 T1인 때에 인버터에 흐르는 전류를 나타낸 설명도이다.
도 7b는 도 5의 시간 T2인 때에 인버터에 흐르는 전류를 나타낸 설명도이다.
도 8은 종래 예의 인버터의 구성의 일례를 나타낸 구성도이다.
도 9는 종래 예의 인버터의 스위칭 소자(Q91∼Q94)의 온 오프 상태와 인버터 출력 전압·전류의 시간 변화의 일례를 나타낸 설명도이다.
도 10a는 도 9의 시간 T1인 때에 인버터에 흐르는 전류를 나타낸 설명도이다.
도 10b는 도 9의 시간 T2인 때에 인버터에 흐르는 전류를 나타낸 설명도이다.

다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 형태를 실시예를 이용하여 설명한다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예로서의 송전 장치(130)를 구비하는 비접촉 송수전 시스템(10)의 구성의 개략을 나타낸 구성도이다. 실시예의 비접촉 송수전 시스템(10)은, 도 1, 도 2에 나타낸 바와 같이, 주차장 등에 설치된 송전 장치(130)와, 송전 장치(130)로부터 비접촉으로 수전 가능한 수전 장치(30)를 탑재하는 자동차(20)를 구비한다.

송전 장치(130)는, 가정용 전원(예를 들면, 200 V, 50 ㎐ 등) 등의 교류 전원(190)에 접속되는 송전 유닛(131)과, 송전 유닛(131)을 제어하는 송전용 전자 제어 유닛(이하, 「송전 ECU」라고 함)(170)을 구비한다. 또, 송전 장치(130)는, 송전 ECU(170)와 통신함과 함께 자동차(20)의 통신 유닛(80)(후술)과 무선 통신을 행하는 통신 유닛(180)을 구비한다.

송전 유닛(131)은 AC/DC 컨버터(140)와 인버터(142)와 필터(144)와 송전용 공진 회로(132)를 구비한다. AC/DC 컨버터(140)는, 교류 전원(190)으로부터의 교류 전력을 임의의 전압의 직류 전력으로 변환하는 주지(周知)의 AC/DC 컨버터로서 구성되어 있다. 인버터(142)는, 도 3에 예시한 바와 같이, 4개의 스위칭 소자(Q1∼Q4)와, 이 스위칭 소자(Q1∼Q4)에 역방향으로 병렬 접속된 4개의 다이오드(D1∼D4)와, 평활 콘덴서(C)에 의해 구성되어 있다. 4개의 스위칭 소자(Q1∼Q4)로서는, 예를 들면 MOSFET(전계 효과 트랜지스터의 일종: metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)를 이용할 수 있다. 또한, 스위칭 소자(Q1∼Q4)는, 각각 정극 모선과 부극 모선에 대하여 소스측과 싱크측이 되도록 2개씩 페어로 배치되어 있고, 쌍이 되는 스위칭 소자끼리의 접속점의 각각에 송전용 코일의 양 단자가 접속되어 있다. 인버터(142)는, 스위칭 소자(Q1∼Q4)를 스위칭 제어하는 펄스폭 변조(PWM: pulse width modulation) 제어에 의해, AC/DC 컨버터(140)로부터의 직류 전력을 원하는 주파수의 교류 전력으로 변환한다. 필터(144)는, 콘덴서와 인덕터에 의한 고주파 노이즈를 제거하는 주지의 필터로서 구성되어 있고, 인버터(142)로부터의 교류 전력의 고주파 노이즈를 제거한다.

송전용 공진 회로(132)는, 예를 들면 주차장의 바닥면 등에 설치된 송전용 코일(134)과, 송전용 코일(134)에 직렬로 접속된 콘덴서(136)를 갖는다. 이 송전용 공진 회로(132)는, 공진 주파수가 소정 주파수 Fset(수십∼수백 ㎑ 정도)이 되도록 설계되어 있다. 따라서, 인버터(142)에서는, 기본적으로는, AC/DC 컨버터(140)로부터의 직류 전력을 소정 주파수 Fset의 교류 전력으로 변환한다.

송전 ECU(170)는, 도시하지 않지만, CPU를 중심으로 하는 마이크로 프로세서로서 구성되어 있고, CPU 외에, 처리 프로그램을 기억하는 ROM이나 데이터를 일시적으로 기억하는 RAM, 입출력 포트, 통신 포트를 구비한다. 송전 ECU(170)에는, 이하의 전류 및 전압이 입력 포트를 개재하여 입력되고 있다. 인버터(142)에 의해서 변환된 교류 전력의 전류(출력 전류) Is를 검출하는 전류 센서(150)로부터의 출력 전류 Is. 인버터(142)로부터의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 검출하는 전압 검출 유닛(152)으로부터의 전압 Vs. 송전용 공진 회로(132)에 흐르는 교류 전류를 검출하는 전류 센서(154)로부터의 송전용 공진 회로(132)의 전류 Itr. 송전용 공진 회로(132)의 단자 간의 교류 전압을 직류 전압으로 변환하여 검출하는 전압 검출 유닛(156)으로부터의 송전용 공진 회로(132)의 단자 간 전압(송전 전압) Vtr. 또한, 전압 검출 유닛(152, 156)은 정류 회로와 전압 센서를 갖는다. 또, 송전 ECU(170)로부터는, AC/DC 컨버터(140)에의 제어 신호나 인버터(142)에의 제어 신호 등이 출력 포트를 개재하여 출력되고 있다.

자동차(20)는, 전기 자동차로서 구성되어 있고, 주행용의 모터(22)와, 모터(22)를 구동하기 위한 인버터(24)와, 인버터(24)를 개재하여 모터(22)와 전력을 주고받는 배터리(26)를 구비한다. 인버터(24)와 배터리(26) 사이에는 시스템 메인 릴레이(28)가 설치되어 있다. 또, 자동차(20)는, 배터리(26)에 접속되는 수전 유닛(31)과, 차량 전체를 제어하는 차량용 전자 제어 유닛(이하, 「차량 ECU」라고 함)(70)과, 차량 ECU(70)와 통신함과 함께 송전 장치(130)의 통신 유닛(180)과 무선 통신을 행하는 통신 유닛(80)을 구비한다.

수전 유닛(31)은 수전용 공진 회로(32)와 필터(42)와 정류기(44)를 구비한다. 수전용 공진 회로(32)는, 예를 들면 차체 저면(플로어 패널) 등에 설치된 수전용 코일(34)과, 수전용 코일(34)에 직렬로 접속된 콘덴서(36)를 갖는다. 이 수전용 공진 회로(32)는, 공진 주파수가 상술의 소정 주파수 Fset(송전용 공진 회로(132)의 공진 주파수) 부근의 주파수(이상적으로는 소정 주파수 Fset)가 되도록 설계되어 있다. 필터(42)는, 콘덴서와 인덕터에 의한 1단 또는 2단의 고주파 노이즈를 제거하는 주지의 필터로서 구성되어 있고, 수전용 공진 회로(32)에 의해 수전한 교류 전력의 고주파 노이즈를 제거한다. 정류기(44)는, 예를 들면, 4개의 다이오드를 이용한 주지의 정류회로로서 구성되어 있고, 수전용 공진 회로(32)에 의해 수전하여 필터(42)에 의해 고주파 노이즈가 제거된 교류 전력을 직류 전력으로 변환한다. 또한, 수전 유닛(31)은 릴레이(48)에 의해 배터리(26)로부터 분리할 수 있게 되어 있다.

차량 ECU(70)는, 도시하지 않지만, CPU를 중심으로 하는 마이크로 프로세서로서 구성되어 있고, CPU 외에, 처리 프로그램을 기억하는 ROM이나 데이터를 일시적으로 기억하는 RAM, 입출력 포트, 통신 포트를 구비한다. 차량 ECU(70)에는, 모터(22)의 구동 제어에 필요한 데이터가 입력 포트를 개재하여 입력되어 있다. 또, 차량 ECU(70)에는, 정류기(44)로부터 출력된 직류 전력의 전류(수전 전류) Ire를 검출하는 전류 센서(50)로부터의 수전 전류 Ire나, 이 직류 전력의 전압(수전 전압) Vre를 검출하는 전압 센서(52)로부터의 수전 전압 Vre 등이 입력 포트를 개재하여 입력되어 있다. 차량 ECU(70)로부터는, 모터(22)를 구동하기 위하여 인버터(24)의 도시하지 않은 스위칭 소자를 스위칭 제어하기 위한 제어 신호나, 시스템 메인 릴레이(28)에의 온 오프 신호 등이 출력 포트를 개재하여 출력되어 있다. 또한, 차량 ECU(70)는, 배터리(26)에 장착된 도시하지 않은 전류 센서에 의해 검출된 전지 전류 Ib나 배터리(26)에 장착된 도시하지 않은 전압 센서에 의해 검출된 전지 전압 Vb에 기초하여 배터리(26)의 축전 비율 SOC를 연산하고 있다.

다음으로, 이렇게 하여 구성된 비접촉 송수전 시스템(10)에 있어서의 송전 장치(130)의 동작, 특히 인버터(142)의 주파수 조정시의 동작에 대하여 설명한다. 도 4는 송전 ECU(170)에 의해 실행되는 주파수 조정 처리의 일례를 나타낸 플로우차트이다. 이 처리는 소정 시간마다(예를 들면, 수백 msec 마다) 반복해서 실행된다. 또한, 인버터(142)로부터의 교류 전력의 주파수는, 초기값으로서 공진 주파수가 되는 소정 주파수 Fset이 설정되어 있고, 인버터(142)로부터 소정 주파수 Fset의 교류 전력이 출력되도록 스위칭 소자(Q1∼Q4)가 스위칭 제어된다.

주파수 조정 처리가 실행되면, 송전 ECU(170)는, 먼저, 인버터(142)로부터의 출력 전류 Is의 위상(전류 위상) θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있는지 여부를 검지한다(단계 S100). 전류 위상 θ가 진각하고 있는지 여부의 검지는, 예를 들면 스위칭 소자(Q1)를 온 하는 타이밍에 있어서의 인버터(142)의 출력 전류 Is에 기초하여 검지함으로써 행할 수 있다. 도 5에, 인버터(142)의 스위칭 소자(Q1∼Q4)의 온 오프 상태와 인버터(142)의 출력 전압이나 출력 전류의 시간 변화의 일례를 나타낸다. 도면 내의 「인버터 출력 전압, 전류」에 있어서, 실선의 꺾인 선은 출력 전압을 나타내고, 실선의 사인 커브는 출력 전압에 대하여 전류 위상 θ가 진각하고 있을 때의 전류를 나타내고, 파선의 사인 커브는 출력 전압에 대하여 전류 위상 θ가 지각(遲角)하고 있을 때의 전류를 나타내고 있다. 도시한 바와 같이, 스위칭 소자(Q1)를 온 하는 타이밍의 시간 T2에서는, 출력 전압에 대하여 전류 위상 θ가 진각하고 있을 때에는 출력 전류 Is는 양의 값이 되고, 출력 전압에 대하여 전류 위상 θ가 지각하고 있을 때에는 출력 전류 Is는 음의 값이 된다. 따라서, 스위칭 소자(Q1)를 온 하는 타이밍에 있어서의 인버터(142)의 출력 전류 Is가 양의 값일 때에 전류 위상 θ가 진각하고 있음을 검지할 수 있다. 또한, 도 5로부터 알 수 있는 바와 같이, 전류 위상 θ가 진각하고 있는 것의 검지는, 스위칭 소자(Q1)를 오프 하는 타이밍에 있어서의 인버터(142)의 출력 전류 Is가 음의 값인 것에 의해서도 행할 수 있다. 또, 스위칭 소자(Q3)의 온 오프는 스위칭 소자(Q1)의 온 오프에 대하여 반전하기 때문에, 전류 위상 θ가 진각하고 있는 것의 검지는, 스위칭 소자(Q3)를 오프하는 타이밍이나 스위칭 소자(Q3)를 온 하는 타이밍에 행할 수도 있다. 또한, 전류 위상 θ가 진각하고 있는 것의 검지는, 출력 전류 Is의 부호가 변화할 때(양으로부터 음으로 또는 음으로부터 양으로 변화할 때)의 출력 전압이 값 0인지 여부에 따라서도 행할 수 있다. 또는, 전류 위상 θ가 진각하고 있는 것의 검지는, 역률의 값과 다이오드(D3)의 발열 상황에 기초하여 행할 수도 있다.

여기서, 인버터(142)로부터의 출력 전류의 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하거나 지각하거나 하는 이유에 대하여 설명한다. 송전 장치(130)의 송전용 공진 회로(132)는 공진 주파수가 소정 주파수 Fset이 되도록 설계되어 있고, 자동차(20)에 탑재된 수전 장치(30)의 수전용 공진 회로(32)도 공진 주파수가 소정 주파수 Fset이 되도록 설계되어 있다. 이 때문에, 부품의 제조 오차가 없고, 또한, 송수전시의 송전용 공진 회로(132)와 수전용 공진 회로(32)가 설계상의 위치에 정확하게 있으면, 전류 위상 θ는, 출력 전압에 대하여 진각하는 일도 지각하는 일도 없다. 그러나, 송전용 공진 회로(132)나 수전용 공진 회로(32)의 부품에는 제조 오차가 있고, 주파수·위상 특성이 개체에 따라서 변화한다. 이 때문에, 출력 전압에 대하여 출력 전류 Is의 위상 θ가 진각하거나 지각하거나 한다. 또, 송수전시의 송전용 공진 회로(132)와 수전용 공진 회로(32)의 위치는, 자동차(20)의 주차 위치에 따라서 정해지기 때문에, 설계상의 위치로는 되지 않는 경우가 많다. 송수전시의 송전용 공진 회로(132)와 수전용 공진 회로(32)의 위치가 어긋나면, 결합 계수 k나 인덕턴스가 변화하여, 주파수·위상 특성이 변화한다. 이 때문에, 출력 전압에 대하여 출력 전류 Is의 위상 θ가 진각하거나 지각하거나 한다. 또한, 인버터(142)에 입력된 직류 전력을 펄스폭 변조 제어에 의해 교류 전력으로 변환하고 있는 경우에는, 듀티비의 변경에 따라서 출력 전압의 상승 타이밍이 변화하기 때문에, 이에 의해 전류 파형은 조금도 변화하지 않고 있는데도 출력 전압에 대하여 전류 위상 θ가 진각한 상태가 되어 버리는 경우도 생긴다.

인버터(142)로부터의 출력 전류의 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있는 경우의 문제점이란, 인버터(142)를 구성하는 다이오드(D3)에 리커버리 전류가 흐르고, 이것이 단락 전류가 되기 때문에 송전 장치(130)의 이상 발열이나 고장의 요인이 되는 경우가 생기는 것이다.

단계 S100의 전류 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있는지 여부의 검지에 의해 전류 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있는 것을 검지할 수 없었을 경우에는, 주파수를 조정할 필요가 없다고 판단하고(단계 S110), 본 처리를 종료한다. 한편, 전류 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있는 것을 검지한 경우에는, 이하의 처리에 의해 주파수 조정을 행한다.

먼저, 송전 ECU(170)는, 전류 센서(150)로부터의 인버터(142)의 출력 전류 Is와 전압 검출 유닛(152)으로부터의 전압 Vs를 입력하고(단계 S120), 출력 전류 Is와 출력 전압 Vs에 기초하여 인버터(142)로부터의 출력 임피던스 Zs를 계산한다(단계 S130). 여기서, 임피던스 Zs를 계산할 때의 출력 전류 Is로서는 실효값을 이용한다. 그리고, 출력 임피던스 Zs에 기초하여 결합 계수 k를 구한다(단계 S140). 출력 임피던스 Zs는 다음 식 (1)에 나타낸 바와 같이, 결합 계수 k의 함수로서 나타낼 수 있다. 식 (1) 중, 「ω」는 각(角) 주파수, 「L1」은 송전용 코일(134)의 자기 인덕턴스, 「L2」는 수전용 코일(34)의 자기 인덕턴스, 「RL」은 수전용 공진 회로(32)로부터 후방(필터(42)측)의 임피던스, 즉 수전용 공진 회로(32)를 제외한 수전 장치(30)의 임피던스이다. 여기서, 수전용 코일(34)의 자기 인덕턴스 L2와 수전용 공진 회로(32)로부터 후방(필터(42)측)의 임피던스 RL에 대해서는 정수로서 취급할 수 있다. 수전 장치(30)는 자동차(20)에 탑재되기 위하여, 그 사양을 다른 것으로 할 수도 있지만, 송수전의 효율을 양호하게 유지하기 위해서는 일정한 규격의 수전 장치(30)로 할 필요가 있다. 이 때문에, 규격화된 수전 장치(30)를 생각하면, 자기 인덕턴스 L2와 임피던스 RL은 정수로서 취급할 수 있는 것이다. 또한, 실시예의 비접촉 송수전 시스템(10)에서는, 수전 장치(30)와 송전 장치(130)는 통신 유닛(80)와 통신 유닛(180)에 의해 통신하고 있기 때문에, 송전 장치(130)는, 자기 인덕턴스 L2 및 임피던스 RL(또는 자기 인덕턴스 L2와 임피던스 RL의 비(L2/RL))을, 통신에 의해 자동차(20)로부터 취득하는 것으로 해도 된다.

결합 계수 k를 구하면, 결합 계수 k에 기초하여 주파수의 조정 방향과 조정량을 결정한다(단계 S150). 주파수의 조정 방향은, 전류 위상 θ의 출력 전압에 대한 진각이 작아지는 방향, 즉, 전류 위상 θ를 지각시키는 방향이다. 주파수의 조정 방향과 조정량의 결정은, 실시예에서는, 결합 계수 k와 주파수와 전류 위상 θ의 관계를 실험 등에 의해 미리 조사하여 주파수 조정용 맵으로서 기억해 두고, 결합 계수 k가 주어지면, 주파수의 조정 방향과 조정량이 도출됨으로써 행하는 것으로 하였다. 주파수 조정용 맵의 일례를 도 6에 나타낸다. 도면 중, 전류 위상 θ는, 양의 값일 때가 출력 전압에 대하여 지각하고 있는 경우이고, 음의 값일 때가 진각하고 있는 경우이다. 도 6에 나타낸 바와 같이, 결합 계수 k가 클 때에는, 인버터(142)의 출력 전압의 주파수를 작게 하면 전류 위상 θ가 지각하고, 주파수를 크게 하면 전류 위상 θ가 진각한다. 그리고, 결합 계수 k가 클 때에는, 주파수의 조정량을 비교적 크게 하더라도 전류 위상 θ의 진각량이나 지각량은 작다. 한편, 결합 계수 k가 작을 때에는, 인버터(142)의 출력 전압의 주파수를 작게 하면 전류 위상 θ가 진각하고, 주파수를 크게 하면 전류 위상 θ가 지각한다. 그리고, 결합 계수 k가 작을 때에는, 주파수의 조정량이 작더라도 전류 위상 θ의 진각량이나 지각량은 크다. 단계 S150에서는, 결합 계수 k에 따라 주파수와 전류 위상 θ의 관계가 정해지기 때문에, 주파수의 조정 방향으로서는 전류 위상 θ의 출력 전압에 대한 진각이 작아지는 방향, 즉 전류 위상 θ를 지각시키는 방향으로 결정할 수 있다. 또, 조정량으로서는 소정 지각량(예를 들면, 지각량이 5도나 7도 등)이 되도록 결정할 수 있다. 예를 들면, 도 6의 맵의 「k = 작음」일 때에는, 주파수의 조정 방향은 주파수를 크게 하는 방향이 되고, 조정량은 근소한 양(예를 들면, 0.2 ㎑나 0.5 ㎑ 등)이 된다. 또, 도 6의 맵의 「k = 큼」일 때에는, 주파수의 조정 방향은 주파수를 작게 하는 방향이 되고, 조정량은 비교적 큰 양(예를 들면, 2 ㎑나 5 ㎑ 등)이 된다. 도 6의 맵의 「k = 중간」일 때에는, 주파수의 조정 방향은 주파수를 크게 하는 방향이 되고, 조정량은 중간적인 양(예를 들면, 1 ㎑나 1.5 ㎑ 등)이 된다.

이렇게 하여 주파수의 조정 방향과 조정량을 결정하면, 결정한 주파수의 조정 방향과 조정량을 이용하여 인버터(142)의 출력 전압의 주파수를 조정하고(단계 S160), 본 처리를 종료한다. 인버터(142)의 출력 전압의 주파수의 조정은, 스위칭 소자(Q1∼Q4)의 스위칭 제어의 주기를 변경함으로써 행할 수 있다.

이러한 주파수 조정 처리를 행하더라도 인버터(142)의 출력 전류 Is의 위상 θ의 출력 전압에 대한 진각이 해소되지 않는 때에는, 다시 주파수 조정 처리가 실행되기 때문에, 출력 전류 Is의 위상 θ의 출력 전압에 대한 진각이 해소된다. 즉, 전류 위상 θ는 출력 전압에 대하여 지각하게 된다. 전류 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있을 때(도 5의 실선의 사인 커브일 때)에는, 도 10a 및 도 10b를 이용하여 이미 설명한 바와 같이 전류가 흐른다. 즉, 도 5에 있어서 스위칭 소자(Q1)(도 10a, 도 10b에서는 Q91)가 온이 되기 직전의 시간 T1에서는 도 10a에 나타낸 바와 같이 전류가 흐르고, 스위칭 소자(Q1)(도 10a 및 도 10b에서는 Q91)가 온이 된 직후의 시간 T2에서는 도 10b에 나타낸 바와 같이 전류가 흐른다. 다이오드(D3)(도 10a 및 도 10b에서는 D93)에는, 스위칭 소자(Q1)를 온 하기 직전의 시간 T1에서는 순 바이어스가 부여되고 있고, 스위칭 소자(Q1)가 온 한 직후의 시간 T2에서는 역 바이어스가 부여되게 된다. 이 때문에, 다이오드의 리커버리 특성에 의해, 다이오드(D3)(도 10a 및 도 10b에서는 D93)에는 도 10b의 굵은 화살표에 나타낸 바와 같이 리커버리 전류가 흐른다. 전류 위상 θ가 출력 전압에 대하여 지각하고 있을 때(도 5의 파선의 사인 커브일 때)에는, 이하와 같이 전류가 흐른다. 도 5에 있어서 스위칭 소자(Q1)가 온이 되기 직전의 시간 T1에서는, 전류는, 도 7a에 나타낸 바와 같이, 송전용 코일측의 위의 전력 라인으로부터 온 상태의 스위칭 소자(Q3), 온 상태의 스위칭 소자(Q4) 및 다이오드(D4)를 개재하여 송전용 코일측의 아래의 전력 라인으로 흐른다. 도 5에 있어서 스위칭 소자(Q1)가 온이 된 직후의 시간 T2에서는, 전류는, 도 7b에 나타낸 바와 같이, 송전용 코일측의 위의 전력 라인으로부터 온 상태의 스위칭 소자(Q1)를 개재하여 전원측의 정극 모선으로 흐름과 함께 전원측의 부극 모선으로부터 온 상태의 스위칭 소자(Q4) 및 다이오드(D4)를 개재하여 송전용 코일측의 아래의 전력 라인으로 흐른다. 다이오드(D3)에는, 스위칭 소자(Q1)를 온 하기 직전의 시간 T1에서도 스위칭 소자(Q1)가 온 한 직후의 시간 T2에서도 역 바이어스가 부여되기 때문에, 리커버리 전류는 흐르지 않는다. 따라서, 전류 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있을 때에, 주파수 조정 처리를 행하여 전류 위상 θ의 출력 전압에 대한 진각을 해소함으로써, 다이오드(D3)에 리커버리 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다. 상술한 바와 같이, 스위칭 소자(Q1)를 온 하는 타이밍에 다이오드(D3)에 흐르는 리커버리 전류는, 단락 전류가 되기 때문에, 주파수 조정 처리를 행함으로써, 단락 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다.

이상에서 설명한 실시예의 비접촉 송수전 시스템(10)에 있어서의 송전 장치(130)에서는, 인버터(142)의 출력 전류 Is의 위상 θ가 출력 전압에 대하여 진각하고 있는 것을 검지하였을 때에는, 인버터(142)의 출력 임피던스 Zs를 계산하고, 출력 임피던스 Zs에 기초하여 결합 계수 k를 구한다. 그리고, 결합 계수 k에 기초하여 전류 위상 θ의 진각이 작아지는 방향으로 인버터(142)의 출력 전압의 주파수를 조정한다. 이에 의해, 전류 위상 θ의 진각을 해소하고, 스위칭 소자(Q1)가 온이 되는 타이밍에 있어서 다이오드(D3)에 리커버리 전류가 흐르지 않도록 할 수 있다. 스위칭 소자(Q1)가 온이 되는 타이밍에 있어서의 다이오드(D3)의 리커버리 전류는 단락 전류가 되기 때문에, 이를 해소함으로써, 단락 전류에 기인하는 송전 장치(130)의 이상 발열이나 고장 등을 억제할 수 있다.

실시예의 송전 장치(130)에서는, 주파수의 조정량으로서 소정 지각량만큼 조정하는 것으로 하였지만, 주파수의 조정량으로서 소정 주파수(예를 들면, 0.5 ㎑나 1 ㎑ 등)만큼 조정하는 것으로 해도 된다. 또, 결합 계수 k에 기초하여 조정량의 소정 주파수를 변경하여 이용해도 된다. 예를 들면, 도 6의 「k = 큼」일 때에는 조정량으로서 2 ㎑를 이용하고, 도 6의 「k = 작음」일 때에는 조정량으로서 0.1 ㎑를 이용하는 것으로 해도 된다.

실시예에서는, 자동차(20)에 탑재된 수전 장치(30)와 송전 장치(130)를 갖는 비접촉 송수전 시스템(10)에 있어서의 송전 장치(130)로서 설명하였지만, 자동차 이외의 차량이나 이동체에 탑재된 수전 장치와 송전 장치를 갖는 비접촉 송수전 시스템에 있어서의 송전 장치의 형태로 하거나, 이동체 이외의 설비에 조립된 수전 장치와 송전 장치를 갖는 비접촉 송수전 시스템에 있어서의 송전 장치의 형태로 해도 된다.

또한, 수전 장치(30)가 「수전 장치」의 일례이고, 송전 장치(130)가 「송전 장치」의 일례이며, 스위칭 소자(Q1∼Q4)가 「복수의 스위칭 소자」의 일례이고, 다이오드(D1∼D4)가 「복수의 다이오드」의 일례이며, 인버터(142)가 「인버터」의 일례이고, 수전용 공진 회로(32)가 「수전부」의 일례이며, 송전용 공진 회로(132)가 「송전부」의 일례이고, 송전 ECU(170)가 「전자 제어 장치」의 일례이다.

또한, 상기의 대응은, 발명을 실시하기 위한 형태를 구체적으로 설명하기 위한 일례이기 때문에, 발명의 요소를 한정하는 것은 아니다. 즉, 발명에 대한 해석은 그 난의 기재에 기초하여 행해져야 하는 것이며, 실시예는 발명의 구체적인 일례에 불과한 것이다.

이상으로, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 실시예를 이용하여 설명하였지만, 본 발명은 이러한 실시예에 하등 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서, 여러 가지 형태로 실시할 수 있음은 물론이다.

본 발명은, 비접촉 송수전 시스템의 송전 장치의 제조 산업 등에 이용 가능하다.

Claims

수전부(32)를 포함하는 수전 장치(30)에, 비접촉으로 전력을 송전하는 송전 장치(130)로서,
복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3 및 Q4)와 복수의 다이오드(D1, D2, D3 및 D4)를 갖는 인버터(142) - 상기 인버터(142)는 외부 전원 기인의 직류 전력을 교류 전력으로 변환하도록 구성됨 - 와,
상기 인버터(142)로부터의 교류 전력을 상기 수전 장치(30)의 상기 수전부(32)에 송전하도록 구성되는 송전부(132)와,
상기 인버터(142)의 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3 및 Q4)를 스위칭 제어함으로써 상기 교류 전력을 조정하도록 구성되는 전자 제어 장치(170) - 상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 인버터(142)로부터 상기 송전부(132)에의 출력 전류의 전류 위상이 출력 전압에 대하여 진각하고 있는 것을 검지하였을 때에는 상기 전류 위상의 진각이 작아지는 방향으로 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성됨 -
를 구비하는 것을 특징으로 하는 상기 송전 장치(130).
제 1 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 전류 위상의 진각이 해소되도록 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성되는, 상기 송전 장치(130).
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 수전부(32)와 상기 송전부(132)의 결합 계수와 상기 교류 전력의 주파수와 상기 출력 전압의 전압 위상에 대한 상기 전류 위상과의 관계를 정한 맵을 갖고,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 수전부(32)와 상기 송전부(134)의 결합 계수를 연산하고,
상기 전자 제어 장치(170)는, 연산된 결합 계수와 상기 맵을 이용하여 상기 전류 위상의 진각이 작아지는 방향으로 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성되는 상기 송전 장치(130).
제 3 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 연산된 결합 계수와 상기 맵으로부터 주파수의 조정량을 구하여 상기 교류 전력의 주파수를 조정하도록 구성되는 상기 송전 장치(130).
제 3 항 또는 제 4 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 인버터(142)의 출력 임피던스에 기초하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되는 상기 송전 장치(130).
제 5 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 출력 임피던스가 제 1 자기 인덕턴스, 제 2 자기 인덕턴스, 제 1 임피던스 및 상기 결합 계수와의 함수라고 하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되고,
상기 제 1 자기 인덕턴스는, 상기 송전부(132)의 자기 인덕턴스이고, 상기 제 2 자기 인덕턴스는, 상기 수전부(32)의 자기 인덕턴스이며, 상기 제 1 임피던스는, 상기 수전부(32)를 제외한 상기 수전 장치(30)의 임피던스인 상기 송전 장치(130).
제 6 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 제 2 자기 인덕턴스 및 제 1 임피던스를 정수로서 취급하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되는 상기 송전 장치(130).
제 7 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 제 2 자기 인덕턴스와 상기 제 1 임피던스를 상기 수전 장치로부터 취득하여 상기 결합 계수를 연산하거나, 또는, 상기 제 2 자기 인덕턴스와 제 1 임피던스의 비를 상기 수전 장치로부터 취득하여 상기 결합 계수를 연산하도록 구성되는 상기 송전 장치(130).
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 복수의 스위칭 소자(Q1, Q2, Q3 및 Q4) 중 어느 하나의 스위칭 소자의 온 또는 오프의 타이밍에 있어서의 전류값에 기초하여 상기 전류 위상의 진각을 검지하도록 구성되는 상기 송전 장치(130).
제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 제어 장치(170)는, 상기 인버터(142)로부터 상기 송전부(132)에의 전류의 부호가 변화한 타이밍에 있어서의 상기 교류 전력의 전압에 기초하여 상기 전류 위상의 진각을 검지하도록 구성되는 상기 송전 장치(130).