KR20240043078A

KR20240043078A - 수전 장치 및 비접촉 전력 전송 시스템

Info

Publication number: KR20240043078A
Application number: KR1020230110691A
Authority: KR
Inventors: 료스케 이케무라; 쇼고 츠게; 마사토 마에무라; 도시야 하시모토
Original assignee: 도요타 지도샤（주）
Priority date: 2022-09-26
Filing date: 2023-08-23
Publication date: 2024-04-02
Also published as: US20240106275A1; DE102023123843A1; CN117767584A; JP2024047220A

Abstract

(과제) 스위칭 소자의 동작에 의해 단락 회로를 형성할 때에 전력의 증가를 억제하는 것.
(해결 수단) 송전 코일로부터 비접촉으로 전송된 전력을 수취하는 수전 코일과, 수전 코일과 부하 사이에 형성된 스위칭 소자를 스위칭 동작시켜 수전 코일의 출력단 간을 단락시키는 단락 모드를 실행하는 제어 장치를 구비한 수전 장치에 있어서, 제어 장치는, 수전 장치에 있어서의 전류의 위상과 전압의 위상이 어긋나 있는 경우, 단락 모드에 의해, 부하에 공급되는 전력의 역률이 악화되는 방향으로 전압의 위상이 시프트되도록, 단락 모드에 있어서의 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정한다.

Description

수전 장치 및 비접촉 전력 전송 시스템{POWER RECEPTION DEVICE AND NON-CONTACT POWER TRANSMISSION SYSTEM}

본 발명은, 수전 장치 및 비접촉 전력 전송 시스템에 관한 것이다.

특허문헌 1 에는, 비접촉 전력 전송 시스템의 수전 장치에 전력 제어용의 스위칭 소자를 형성하고, 수전 장치측의 전압이 기준값을 초과한 경우에 스위칭 소자의 동작을 제어하여 단락 회로를 형성함으로써, 충전을 중단하여 과잉의 전압 상승을 회피하는 것이 개시되어 있다.

일본 특허공보 제6361818호

그러나, 본 발명자들의 지견에 의해, 스위칭 소자로 단락 회로를 형성하는 전력 억제 제어를 실시할 때, 반대로 전력이 급증하여 목표값을 초과해 버리는 현상 (오버슈트) 이 일어나는 것을 알 수 있었다. 오버슈트에 의한 정격 초과는 배터리의 열화나 고장을 초래할 우려가 있다. 이 경우, 오버슈트가 일어나는 것을 전제로 하여 정격값과 전력 제어의 목표값 사이에 안전 마진을 형성하는 것을 생각할 수 있지만, 이것으로는, 비접촉 충전시의 수전 전력이 감소하는 것으로 이어져 버린다.

본 발명은, 상기 사정을 감안하여 이루어진 것으로서, 스위칭 소자의 동작에 의해 단락 회로를 형성할 때에 전력의 증가를 억제할 수 있는 수전 장치 및 비접촉 전력 전송 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관련된 수전 장치는, 송전 코일로부터 비접촉으로 전송된 전력을 수취하는 수전 코일과, 상기 수전 코일과 부하 사이에 형성된 스위칭 소자를 스위칭 동작시켜 상기 수전 코일의 출력단 간을 단락시키는 단락 모드를 실행하는 제어 장치를 구비한 수전 장치에 있어서, 상기 제어 장치는, 상기 수전 장치에 있어서의 전류의 위상과 전압의 위상이 어긋나 있는 경우, 상기 단락 모드에 의해, 상기 부하에 공급되는 전력의 역률이 악화되는 방향으로 상기 전압의 위상이 시프트되도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 단락 모드를 실행함으로써 전력의 역률을 악화시킬 수 있으므로, 스위칭 동작에 의한 전력 증가를 억제할 수 있다.

또, 상기 제어 장치는, 상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상보다 지연되고 있는 경우, 전압 구형파의 우측이 좌측보다 많이 깎이도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정하고, 상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상보다 진행하고 있는 경우, 전압 구형파의 좌측이 우측보다 많이 깎이도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정해도 된다.

이 구성에 의하면, 전류의 위상이 전압의 위상보다 지연되고 있는 경우에 전압 구형파의 우측을 많이 깎도록 단락 모드의 위상을 결정할 수 있으므로, 위상 시프트에 의해 역률이 악화되어, 스위칭 동작에 의한 전력 증가를 억제할 수 있다.

또, 상기 제어 장치는, 상기 전류의 위상과 상기 전압의 위상이 어긋나지 않은 경우, 전압 구형파를 좌우 대칭으로 깎도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정해도 된다.

이 구성에 의하면, 전류의 위상이 전압의 위상보다 진행하고 있는 경우에 전압 구형파의 좌측을 많이 깎도록 단락 모드의 위상을 결정할 수 있으므로, 위상 시프트에 의해 역률이 악화되어, 스위칭 동작에 의한 전력 증가를 억제할 수 있다.

본 발명에 관련된 비접촉 전력 전송 시스템은, 상기 발명의 수전 장치와, 상기 송전 코일을 갖는 송전 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이 구성에 의하면, 송전 장치와 수전 장치를 구비하는 비접촉 전력 전송 시스템에 대해, 수전 장치측에서 단락 모드를 실행함으로써 전력의 역률을 악화시킬 수 있으므로, 스위칭 동작에 의한 전력 증가를 억제할 수 있다.

본 발명에서는, 단락 모드를 실행함으로써 전력의 역률을 악화시킬 수 있으므로, 스위칭 동작에 의한 전력 증가를 억제할 수 있다.

도 1 은, 실시형태에 있어서의 비접촉 전력 전송 시스템을 모식적으로 나타내는 도면이다.
도 2 는, 다이오드 모드에 있어서의 전류 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 은, 단락 모드에 있어서의 전류 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4 는, 단락 모드를 실행하였을 때의 정류기의 입력측에 있어서의 전압 및 전류와 배터리에 공급되는 수전 전력을 나타내는 도면이다.
도 5 는, 단락 모드의 듀티와 수전 전력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 실제차를 사용한 와이어리스 급전 시험의 결과를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 배터리의 수전 전력과 단락 모드의 위상과 듀티의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 송전 코일과 수전 코일의 위치 관계에 따른 인덕턴스의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 9 는, 전류의 위상이 전압의 위상보다 지연되는 상태에서 전력 제어를 실행한 경우의 일례를 나타내는 도면이다.
도 10 은, 전력 제어로서 전압 구형파의 좌측을 깎는 단락 위상으로 단락 모드를 실행한 경우에 발생하는 전압 기본파의 위상 시프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 11 은, 전력 제어로서 전압 구형파의 우측을 깎는 단락 위상으로 단락 모드를 실행한 경우에 발생하는 전압 기본파의 위상 시프트를 설명하기 위한 도면이다.
도 12 는, 전력 제어 플로를 나타내는 플로 차트도이다.
도 13 은, 전류의 위상이 전압의 위상보다 지연되고 있는 경우에 전압 구형파의 우측을 많이 깎는 단락 위상으로 단락 모드를 실행한 경우를 나타내는 도면이다.
도 14 는, 전류의 위상이 전압의 위상보다 진행하고 있는 경우에 전압 구형파의 좌측을 많이 깎는 단락 위상으로 단락 모드를 실행한 경우를 나타내는 도면이다.
도 15 는, 전류의 위상과 전압의 위상이 동 위상인 경우에 전압 구형파를 좌우 대칭으로 깎는 단락 위상으로 단락 모드를 실행한 경우를 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 실시형태에 있어서의 수전 장치 및 비접촉 전력 전송 시스템에 대해 구체적으로 설명한다. 또한, 본 발명은, 이하에 설명하는 실시형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1 은, 실시형태에 있어서의 비접촉 전력 전송 시스템을 모식적으로 나타내는 도면이다. 비접촉 전력 전송 시스템 (1) 은, 송전 장치 (10) 와, 수전 장치 (20) 를 구비한다. 비접촉 전력 전송 시스템 (1) 은, 와이어리스 전력 전송 시스템이며, 송전 장치 (10) 의 송전 코일 (L10) 로부터 수전 장치 (20) 의 수전 코일 (L20) 에 비접촉으로 전력을 전송한다. 수전 장치 (20) 에는, 수전측에 있어서의 부하인 배터리 (30) 가 전기적으로 접속되어 있다.

송전 장치 (10) 는, 직류 전원 (11) 과, 평활 콘덴서 (C11) 와, 인버터 (12) 와, 필터 회로 (13) 와, 송전측 공진 회로 (14) 를 구비한다.

직류 전원 (11) 은, 직류 전력을 인버터 (12) 에 공급한다. 직류 전원 (11) 과 인버터 (12) 사이에는, 평활 콘덴서 (C11) 가 형성되어 있다. 평활 콘덴서 (C11) 는, 인버터 (12) 와 병렬로 접속되어 있다.

인버터 (12) 는, 직류 전원 (11) 으로부터 공급되는 직류 전력을 교류 전력으로 변환시키는 전력 변환 장치이다. 인버터 (12) 는, 4 개의 스위칭 소자 (SW11, SW12, SW13, SW14) 가 풀 브릿지 접속된 풀 브릿지 회로에 구성되어 있다. 각 스위칭 소자 (SW11 ∼ SW14) 에는 다이오드가 병렬로 접속되어 있다. 각 스위칭 소자 (SW11 ∼ SW14) 는 IGBT 에 의해 구성되어 있고, 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 실시한다. 인버터 (12) 는 변환된 교류 전력을 필터 회로 (13) 에 공급한다.

필터 회로 (13) 는, 인버터 (12) 로부터 입력되는 교류 전류에 포함되는 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 교류 전력을 송전측 공진 회로 (14) 에 출력한다. 필터 회로 (13) 는, 코일 (L11) 과 콘덴서 (C12) 와 코일 (L12) 이 T 형으로 배치된 T 형 필터이다.

송전측 공진 회로 (14) 는, 송전 코일 (L10) 과, 공진 콘덴서 (C13) 를 구비한다. 송전 코일 (L10) 은, 필터 회로 (13) 로부터 공급된 교류 전력을 비접촉으로 수전 장치 (20) 에 전송한다. 송전 코일 (L10) 은, 공진 콘덴서 (C13) 와 함께 LC 공진 회로를 형성한다. 공진 콘덴서 (C13) 는, 송전 코일 (L10) 의 일방단에 직렬로 접속되고, LC 공진 회로의 공진 주파수를 조정한다.

수전 장치 (20) 는, 수전측 공진 회로 (21) 와, 필터 회로 (22) 와, 정류기 (23) 와, 평활 콘덴서 (C21) 와, 전류 센서 (24) 와, 전압 센서 (25) 와, 제어 장치 (26) 를 구비한다. 수전 장치 (20) 는, 송전 장치 (10) 로부터의 전력을 비접촉으로 수취한다.

수전측 공진 회로 (21) 는, 수전 코일 (L20) 과, 공진 콘덴서 (C22) 를 구비한다. 수전 코일 (L20) 은, 송전 코일 (L10) 로부터 비접촉으로 전송된 전력을 수취한다. 수전 코일 (L20) 은 공진 콘덴서 (C22) 와 함께 LC 공진 회로를 형성한다. 공진 콘덴서 (C22) 는, LC 공진 회로의 공진 주파수를 조정한다.

필터 회로 (22) 는, 수전측 공진 회로 (21) 로부터 입력되는 교류 전류에 포함되는 노이즈를 제거하고, 노이즈가 제거된 교류 전력을 정류기 (23) 에 출력한다. 필터 회로 (22) 는, 코일 (L21) 과 콘덴서 (C23) 와 코일 (L22) 이 T 형으로 배치된 T 형 필터이다.

정류기 (23) 는, 필터 회로 (22) 로부터 입력된 교류 전력을 직류 전력으로 변환시켜 배터리 (30) 에 출력하는 정류 회로이다. 정류기 (23) 는, 정류 소자로서 4 개의 다이오드 (D21, D22, D23, D24) 가 풀 브릿지 접속된 풀 브릿지 회로에 구성되어 있다. 다이오드 (D21) 의 애노드와 다이오드 (D22) 의 캐소드 사이의 접속점에 필터 회로 (22) 의 일방단이 접속되어 있다. 다이오드 (D23) 의 애노드와 다이오드 (D24) 의 캐소드 사이의 접속점에 필터 회로 (22) 의 타방단이 접속되어 있다.

각 다이오드 (D21, D22, D23, D24) 에는 스위칭 소자가 병렬 접속되어 있다. 다이오드 (D21) 에는 스위칭 소자 (SW21) 가 병렬 접속되어 있다. 다이오드 (D22) 에는 스위칭 소자 (SW22) 가 병렬 접속되어 있다. 다이오드 (D23) 에는 스위칭 소자 (SW23) 가 병렬 접속되어 있다. 다이오드 (D24) 에는 스위칭 소자 (SW24) 가 병렬 접속되어 있다. 각 스위칭 소자 (SW21 ∼ SW24) 는 IGBT 에 의해 구성되어 있고, 제어 장치 (26) 로부터의 제어 신호에 따라 스위칭 동작을 실시한다.

정류기 (23) 는 변환된 직류 전력을 배터리 (30) 에 공급한다. 정류기 (23) 와 배터리 (30) 사이에는, 평활 콘덴서 (C21) 가 형성되어 있다. 평활 콘덴서 (C21) 는, 정류기 (23) 와 병렬로 접속되어 있다.

전류 센서 (24) 는, 정류기 (23) 의 입력 전류를 검출한다. 전류 센서 (24) 는 필터 회로 (22) 와 정류기 (23) 사이에 형성되어 있다. 전류 센서 (24) 는, 정류기 (23) 에 흐르는 전류를 검출하고, 그 검출 신호를 제어 장치 (26) 에 출력한다.

전압 센서 (25) 는, 정류기 (23) 의 입력 전압을 검출한다. 전압 센서 (25) 는 필터 회로 (22) 와 정류기 (23) 사이에 형성되고, 정류기 (23) 와 병렬로 접속되어 있다. 전압 센서 (25) 는 정류기 (23) 에 입력되는 전압을 검출하고, 그 검출 신호를 제어 장치 (26) 에 출력한다.

제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 를 제어하는 전자 제어 장치이다. 제어 장치 (26) 에는, 수전 장치 (20) 에 형성된 각종 센서로부터의 신호가 입력된다. 그리고, 제어 장치 (26) 는 각종 센서로부터 입력된 신호에 기초하여 각종 제어를 실행한다.

예를 들어, 제어 장치 (26) 는, 비접촉 충전시에 배터리 (30) 에 공급되는 전력을 제어하는 전력 제어를 실행한다. 비접촉 전력 전송 시스템 (1) 에서는, 수전측에 있어서의 부하의 보호를 목적으로 하여, 비접촉 충전시에 수전 장치 (20) 의 스위칭 소자 (SW21 ∼ SW24) 를 사용해서 단락 경로를 형성하여, 부하에 공급되는 전력량을 억제하도록 구성되어 있다. 그 때문에, 제어 장치 (26) 는 비접촉 충전시에 전력 제어를 실행하여, 정류기 (23) 의 각 스위칭 소자 (SW21 ∼ SW24) 를 제어한다.

전력 제어에는, 다이오드 모드와 단락 모드가 포함된다. 제어 장치 (26) 는, 다이오드 모드와 단락 모드를 전환시킬 수 있다.

다이오드 모드는, 배터리 (30) 에 전류가 흘러, 수전 장치 (20) 로부터 배터리 (30) 에 수전 전력이 공급되는 상태로 하는 제어이다. 다이오드 모드에서는, 정류기 (23) 의 모든 스위칭 소자 (SW21, SW22, SW23, SW24) 를 오프 상태로 제어한다. 다이오드 모드에 있어서의 전류의 경로는, 도 2 에 화살표로 나타내는 바와 같이, 다이오드 (D21), 배터리 (30), 다이오드 (D24) 를 경유하여 귀환하는 경로가 된다. 또한, 도 2 에서는, 전류 센서 (24) 와 전압 센서 (25) 가 생략되어 있다. 또, 배터리 (30) 의 전류를 배터리 전류로 기재하는 경우가 있다.

단락 모드는, 전류가 환류되어, 배터리 (30) 에 전류가 유입되지 않는 상태로 하는 제어이다. 즉, 단락 모드는, 정류기 (23) 에서 수전 코일 (L20) 측으로 전류가 환류되는 모드이다. 단락 모드에서는, 정류기 (23) 의 스위칭 소자 (SW21, SW22, SW24) 를 오프 상태로 제어하고, 또한 스위칭 소자 (SW23) 를 온 상태로 제어한다. 단락 모드에 있어서의 전류의 경로는, 도 3 에 화살표로 나타내는 바와 같이, 다이오드 (D21), 스위칭 소자 (SW23) 를 경유하여 귀환하는 경로가 된다. 또한, 도 3 에서는, 전류 센서 (24) 와 전압 센서 (25) 가 생략되어 있다.

제어 장치 (26) 가 단락 모드를 실행함으로써, 배터리 (30) 에 공급되는 전력량을 줄일 수 있다. 제어 장치 (26) 는, 배터리 (30) 의 수전 전력을 줄일 때에 다이오드 모드와 단락 모드를 전환시키는 제어를 실행한다. 제어 장치 (26) 는, 도 3 에 나타내는 바와 같이, 스위칭 소자 (SW23) 를 오프 상태와 온 상태로 전환시키는 스위칭 제어를 실행한다.

또, 단락 모드의 동안, 도 4 에 나타내는 바와 같이, 정류기 (23) 의 입력측에 있어서의 전류 파형은 크게 변하지 않고, 전압이 제로가 된다. 요컨대, 다이오드 모드와 단락 모드에서는, 정류기 (23) 에 있어서의 전류 파형은 크게 변하지 않는다. 그리고, 단락 모드의 동안에는, 정류기 (23) 의 출력 전압이 제로가 되기 때문에 배터리 (30) 의 수전 전력이 제로가 된다.

또, 제어 장치 (26) 는, 전압 구형파에 있어서의 단락 모드가 차지하는 비율인 듀티를 0 ∼ 100 ％ 로 제어한다. 제어 장치 (26) 는, 도 5 에 나타내는 바와 같이, 단락 모드의 듀티를 조작함으로써 배터리 (30) 의 수전 전력을 0 ％ ∼ 100 ％ 의 사이에서 제어한다.

이와 같이 구성된 비접촉 전력 전송 시스템 (1) 에서는, 제어 장치 (26) 가 비접촉 충전시에 전력 제어를 실행함으로써, 배터리 (30) 의 전력 증가를 억제하여, 배터리 (30) 를 보호할 수 있다.

예를 들어, 송전 장치 (10) 가 지상에 설치된 지상측 유닛이고, 수전 장치 (20) 가 차량에 탑재된 차량측 유닛인 경우, 비접촉 전력 전송 시스템 (1) 은 주행 중의 차량에 와이어리스 급전을 실시하는 것이 가능하게 구성된 시스템이다. 이 차량은 배터리 (30) 를 탑재한 전동 차량이기 때문에, 주행 중에 회생을 실시함으로써 배터리 (30) 에 대한 회생 충전이 가능하다. 그 때문에, 주행 중에 회생과 비접촉 충전이 동시에 실시되는 경우, 배터리 (30) 에 과잉의 전력이 공급되게 되어, 배터리 (30) 의 열화나 고장을 초래할 우려가 있다. 이것을 방지하기 위해, 제어 장치 (26) 는 전력 제어를 실행하여, 비접촉 충전에 의한 수전 전력을 줄인다. 요컨대, 제어 장치 (26) 는 회생을 우선하고 비접촉 충전을 대기시키도록 제어한다.

그런데, 본 발명자들에 의해, 실제차를 사용한 와이어리스 급전 시험을 실시한 결과, 수전 장치 (20) 측의 스위칭 소자를 사용한 전력 제어를 시도하였을 때에, 배터리 (30) 의 수전 전력이 목표값을 2 배 가까이 상회하는 오버슈트가 발생하는 것을 알 수 있었다.

도 6 은, 실제차를 사용한 와이어리스 급전 시험의 결과를 나타내는 도면이다. 또한, 도 6 에는, 수전 코일 (L20) 을 탑재한 차량이 송전 코일 (L10) 상을 통과하였을 때의 주행 중 급전의 시험 결과가 예시되어 있다. 또, 도 6 의 상단에는, 전력 제어의 유무에 따른 배터리 전류의 변화가 도시되어 있다. 도 6 의 중단에는, 도 6 의 상단의 일부를 확대한 것으로서, 전력 제어를 실행하였을 때의 배터리 전류의 변화가 도시되어 있다. 도 6 의 하단에는, 도 6 의 중단에 대응하는 듀티의 변화가 도시되어 있다.

도 6 의 상단에 나타내는 바와 같이, 비접촉 충전시에 전력 제어를 실행하지 않는 경우, 배터리 (30) 의 전류 (배터리 전류) 가 상한을 초과하여 자연히 증가하기 때문에, 배터리 (30) 의 수전 전력이 자연히 증가해 버린다. 이것을 회피하기 위해 비접촉 충전시에 전력 제어를 실행하는 경우, 제어 장치 (26) 는, 비접촉 충전시에 배터리 전류가 상한에 도달하면 전력 제어를 개시한다 (시각 t1).

그런데, 시각 t1 직후, 제어 장치 (26) 가 전력 제어를 개시하고, 정류기 (23) 의 조작량인 듀티를 증가시키기 시작한 순간에, 배터리 전류가 급격하게 증가하기 시작하고, 수전 전력의 증가가 시작되었다. 그 때, 배터리 전류는 상한에 대하여 2 배 가까이 오버하였다. 상세하게는, 듀티가 0 ％ 내지 50 ％ 부근까지 한창 증가하고 있을 때, 특히 10 ％ ∼ 20 ％ 의 부근에서 배터리 전류가 계속해서 급증하여 상한의 2 배 가까운 값에 도달하고, 듀티의 증가가 진정되면 배터리 전류는 상한 부근의 값까지 감소한다. 이 동안, 수전 전력은 배터리 전류의 증가에 수반하여 증가하였다. 이 현상에 대해, 전력 증가의 기세는, 전력 제어를 실행하지 않는 상태에서 송전 코일 (L10) 상을 차량이 통과하였을 때의 전력 파형과 비교해도 파형이 특이하였다. 이 점에서, 정류기 (23) 를 사용한 단락 모드를 실행한 것이 원인이 되어, 본래의 목적 (전력 감소) 과는 반대로 전력 증가를 초래한 것으로 생각된다.

그래서, 본 발명자들은, 정류기 (23) 에 의한 단락 회로의 형성이 수전 전력의 증가를 일으키는 메커니즘에 대해 검토하였다.

먼저, 본 발명자들은, 단락 모드의 듀티가 증가할 때에 수전 전력이 증가하는 현상에 주목하여, 듀티의 크기와 수전 전력의 관계를 검토하였다. 그 결과, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 듀티가 0 ％ 보다 큼에도 불구하고, 듀티가 0 ％ 인 경우의 수전 전력과 비교하여, 전력 증가를 일으키는 듀티와 위상의 조합이 존재하는 것을 알 수 있었다.

예를 들어, 듀티가 60 ％ 이상인 경우, 즉 듀티가 어느 정도 큰 경우에는, 어느 위상에서도 수전 전력이 감소한다. 한편, 듀티가 40 ％ 이하인 경우, 즉 듀티가 작은 경우에는, 특정한 위상에 있어서 수전 전력이 증가한다. 특히, 듀티가 10 ∼ 20 ％ 인 경우에 전력 증가가 특히 커지는 것을 알 수 있었다. 또, 전력 증가가 일어나는 위상은, 0 ∼ 40 deg 와 160 ∼ 180 deg 의 범위를 포함한다.

요컨대, 제 1 요인으로서, 듀티가 작은 경우에는 특정한 위상에 있어서 듀티가 0 ％ 인 경우보다 수전 전력이 커지는 조건이 존재하는 것을 들 수 있다. 전력 제어에 의해 듀티가 50 ％ 로 제어되는 경우, 도 6 에 나타내는 바와 같이, 듀티가 0 ％ 에서부터 서서히 증가한다. 그 과정에서 듀티는, 도 7 에 나타내는 바와 같은 수전 전력의 증가를 초래하는 40 ％ 이하의 범위를 통과하게 된다. 이 범위에는, 도 7 에 나타내는 바와 같이, 단락 모드를 실행하는 위상 (스위칭 타이밍) 에 따라서는, 듀티가 0 ％ 인 경우의 수전 전력보다 전력이 커지는 조건이 존재한다. 그 때문에, 듀티가 그 범위를 통과할 때에, 단락 모드의 위상이 0 ∼ 40 deg 나 160 ∼ 180 deg 로 설정되면, 전력 제어에 의해 수전 전력이 증가해 버린다.

또한, 본 발명자들은, 정류기 (23) 에 의한 단락 회로의 형성이 수전 전력의 증가를 일으키는 메커니즘의 검토를 계속하였다. 그 결과, 이하의 제 2 ∼ 제 5 요인을 들 수 있다.

제 2 요인으로서, 콘덴서의 용량이나 코일의 권취수 등에 의한 특성의 편차나, 송전 코일 (L10) 과 수전 코일 (L20) 의 페라이트 코어끼리의 상호 작용을 들 수 있다. 이 특성의 편차나 페라이트 코어끼리의 상호 작용에 의해, 인덕턴스 등의 회로 정수가 설계값으로부터 어긋나고, 회로의 공진 주파수가 인버터 (12) 의 구동 주파수로부터 어긋난다. 예를 들어, 인버터 (12) 의 구동 주파수가 85 kHz 로 고정되어 있는 경우, 송전측 공진 회로 (14) 의 공진 주파수가 84 kHz 나 83 kHz 로 어긋나고, 수전측 공진 회로 (21) 의 공진 주파수가 84 kHz 나 83 kHz 로 어긋나 버린다.

도 8 에 나타내는 바와 같이, 지상에 설치된 송전 코일 (L10) 상을 차량 (100) 에 탑재된 수전 장치 (20) 가 통과할 때, 송전 코일 (L10) 의 페라이트 코어 (15) 와 수전 코일 (L20) 의 페라이트 코어 (27) 의 위치 관계가 변화하는 과정에서, 페라이트 코어끼리의 상호 작용에 의해 인덕턴스가 설계값으로부터 어긋난다.

제 3 요인으로서, 제 2 요인에 의한 회로 정수의 설계값으로부터의 어긋남에 의해, 회로를 흐르는 전류 파형이 붕괴됨으로써, 전류의 기본파 성분과 전압의 기본파 성분 사이에 위상 어긋남이 발생하고, 수전 전력의 역률이 저하되는 것을 들 수 있다. 수전 전력의 역률은, 위상 어긋남의 코사인으로 나타낸다. 수전 전력의 식은「P ＝ I·V·cosΔθ」로 나타낸다. Δθ 는 위상 어긋남 (위상차) 을 나타낸다. cosΔθ 는 역률을 나타낸다.

도 8 에 나타내는 바와 같이, 회로 정수가 설계값으로부터 어긋나 전류 파형이 붕괴됨으로써, 예를 들어 도 9 에 나타내는 바와 같이, 전류의 기본파 성분 (전류 기본파) 이 전압의 기본파 성분 (전압 기본파) 의 위상으로부터 지연되도록, 위상 어긋남 Δθ 가 발생한다. 이 위상 어긋남 Δθ 에 따라 수전 전력의 역률이 저하된다. 역률이 저하되면 수전 전력이 감소한다.

제 4 요인으로서, 전력 제어를 실행하여 정류기 (23) 에 단락 회로가 형성되면, 전압 구형파가 제로가 되는 기간이 발생하지만, 그것에 의해 전압 기본파가 좌우로 밀려나오게 (위상 시프트되게) 되는 것을 들 수 있다. 이 시프트 위상에는, 역률을 악화시키는 방향과, 역률을 개선하는 방향이 포함된다.

도 9 에 나타내는 바와 같이, 전압의 위상에 대하여 전류의 위상이 지연되고 있는 상태에서 전력 제어를 실행할 때, 단락 모드의 위상에 의해 전압 기본파가 우측으로 밀려나오는 경우에는, 전압 기본파가 전류 기본파와의 위상 어긋남 Δθ 를 해소하는 방향으로 위상 시프트되어, 제 3 요인으로 저하되어 있던 역률이 개선된다.

또, 도 9 에 나타내는 바와 같이, 전압 파형 (전압 구형파) 은, 1 주기에 2 개의 산 (정전압의 산, 부전압의 산) 을 포함하는 파형이다. 이 설명에서는, 전압 구형파의 1 개의 산에 대하여, 좌측을 위상 진행측이라고 하고, 우측을 위상 지연측이라고 한다. 전압 구형파의 우측으로 기재한 경우, 정전압의 산의 우측과 부전압의 산의 우측의 양방을 가리키는 표현이다. 전압 구형파의 좌측으로 기재한 경우, 정전압의 산의 좌측과 부전압의 산의 좌측의 양방을 가리키는 표현이다.

예를 들어 도 10 에 나타내는 바와 같이, 전압 구형파의 좌측을 깎도록 단락 모드의 위상을 설정하여, 전력 제어를 실행하는 경우에는, 전압 기본파가 우측으로 밀려나오는 위상 시프트가 일어난다. 도 11 에 나타내는 바와 같이, 전압 구형파의 우측을 깎도록 단락 모드의 위상을 설정하여, 전력 제어를 실행하는 경우에는, 전압 기본파가 좌측으로 밀려나오는 위상 시프트가 일어난다.

또한, 전력 제어를 실행할 때, 전압 구형파가 제로가 되는 기간 (듀티) 이 많을수록, 전압 기본파의 진폭은 작아진다. 도 9 에 나타내는 바와 같이, 전력 제어를 실행하기 전 (듀티가 0 ％ 인 경우) 의 전압 기본파의 진폭에 비해, 전력 제어를 실행 중 (듀티가 0 ％ 보다 큰 경우) 인 전압 기본파의 진폭은 작다.

제 5 요인으로서, 제 4 요인에 의한 역률 개선 효과가 지배적인 조건에 해당되는 경우, 정류기 (23) 에 의한 단락 회로의 형성에 의해 수전 전력이 증가하는 것을 들 수 있다. 전력 제어 실행시의 수전 전력은, 전압 기본파의 진폭 감소와, 위상 시프트에 의한 역률 개선 효과 혹은 역률 악화 효과의 곱셈에 의해 결정한다. 전력 제어를 개시하면 수전 전력이 목표값에 들어가도록 듀티를 증가시키게 되는데, 그 증가 과정에서, 전압 기본파의 진폭 저하보다 역률 개선 효과가 지배적인 조건에 들어가면, 전력이 의도치 않게 증가해 버린다.

특히, 제 5 요인과 제 1 요인이 중첩되는 경우에는, 도 6 에 나타내는 바와 같은 배터리 전류의 급증, 즉 배터리 (30) 에 공급되는 전력의 급증이 일어날 가능성이 있다. 이것의 대책으로서, 비접촉 전력 전송 시스템 (1) 에서는, 제 5 요인에 의한 전력 증가를 억제함으로써, 단락 경로를 형성하는 것에 의한 전력 증가를 억제하도록 구성되어 있다.

그래서, 제어 장치 (26) 는, 비접촉 충전시에 단락 회로를 형성하는 스위칭 타이밍 (단락 위상) 을 전력 증가가 일어나지 않는 위상이 되도록 제어한다. 그 때문에, 제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 에 있어서의 전류의 위상을 검출하는 제 1 검출부와, 정류기 (23) 에 있어서의 전압의 위상을 검출하는 제 2 검출부와, 전류의 위상과 전압의 위상의 어긋남 유무를 판정하는 판정부와, 단락 위상을 결정하는 결정부와, 단락 위상에 따라 전력 제어를 실행하는 제어부를 구비한다.

제 1 검출부는, 전류 센서 (24) 로부터의 신호에 기초하여, 정류기 (23) 의 입력측에 있어서의 전류의 위상을 검출한다. 전류 센서 (24) 는 전류의 위상을 검출하기 위한 센서로서 기능한다. 제 1 검출부는 정류기 (23) 에 유입되는 전류의 위상을 실시간으로 검출한다.

제 2 검출부는, 전압 센서 (25) 로부터의 신호에 기초하여, 정류기 (23) 의 입력측에 있어서의 전압의 위상을 검출한다. 전압 센서 (25) 는 전압의 위상을 검출하기 위한 센서로서 기능한다. 제 2 검출부는 정류기 (23) 에 입력되는 전압의 위상을 실시간으로 검출한다.

판정부는, 제 1 검출부에 의해 검출된 전류의 위상 및 제 2 검출부에 의해 검출된 전압의 위상에 기초하여, 전압의 위상에 대하여 전류의 위상이 어긋나 있는지의 여부를 판정한다.

결정부는, 판정부에 의해 판정된 위상 어긋남에 따라, 그 위상 어긋남에 대하여 단락 모드를 실행한 결과, 역률 악화 효과가 얻어지는 위상을 단락 모드의 위상 (단락 위상) 으로 결정한다. 단락 모드를 실행함으로써 발생하는 위상 시프트가 역률 악화 효과를 얻는 것이 되도록, 단락 위상이 결정된다.

제어부는, 결정부에 의해 결정된 단락 위상과, 단락 모드의 듀티에 기초하여, 전력 제어를 실행한다.

도 12 는, 전력 제어 플로를 나타내는 플로 차트도이다. 도 12 에 나타내는 제어는, 제어 장치 (26) 에 의해 실시된다.

제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 의 입력측에 있어서의 전류의 위상을 검출한다 (스텝 S1). 스텝 S1 에서는, 전류 센서 (24) 로부터 제어 장치 (26) 에 입력된 신호에 기초하여, 제 1 검출부에 의해, 정류기 (23) 에 유입되는 전류의 위상이 실시간으로 검출된다.

제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 의 입력측에 있어서의 전압의 위상을 검출한다 (스텝 S2). 스텝 S2 에서는, 전압 센서 (25) 로부터 제어 장치 (26) 에 입력된 신호에 기초하여, 제 2 검출부에 의해, 정류기 (23) 에 입력되는 전압의 위상이 실시간으로 검출된다.

제어 장치 (26) 는, 제 1 검출부에 의해 검출된 전류의 위상 및 제 2 검출부에 의해 검출된 전압의 위상에 기초하여, 정류기 (23) 에 있어서 전류의 위상이 전압의 위상보다 지연되고 있는지의 여부를 판정한다 (스텝 S3). 스텝 S3 에 있어서, 판정부는, 전압의 위상에 대하여 전류의 위상이 지연되고 있는지의 여부를 판정한다.

정류기 (23) 에 있어서 전류의 위상이 전압의 위상보다 지연되고 있는 것으로 판정된 경우 (스텝 S3 : 예), 제어 장치 (26) 는, 전압 구형파의 우측 (위상 지연측) 을 많이 깎도록 단락 위상을 결정한다 (스텝 S4). 스텝 S4 에 있어서, 결정부는, 위상 시프트에 의한 역률 악화 효과가 얻어지는 범위 내에서, 전압 구형파의 우측 (위상 지연측) 이 많이 깎이는 스위칭 타이밍을 단락 위상으로 결정한다. 제어 장치 (26) 의 제어부는, 스텝 S4 의 처리에서 결정된 단락 위상에 기초하여 단락 모드를 실행한다.

도 13 에 나타내는 바와 같이, 제어 장치 (26) 는 전압 구형파의 우측을 많이 깎는 전력 제어를 실행한다. 그 결과, 전압 기본파는 전류 기본파와의 위상 어긋남이 커지는 방향으로 위상 시프트를 일으킨다. 즉, 수전 전력의 역률이 악화되는 방향으로 전압 기본파가 시프트된다.

정류기 (23) 에 있어서의 전류의 위상은 전압의 위상보다 지연되고 있지 않은 것으로 판정된 경우 (스텝 S3 : 아니오), 제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 에 있어서의 전류의 위상이 전압의 위상보다 진행하고 있는지의 여부를 판정한다 (스텝 S5). 스텝 S5 에 있어서, 판정부는, 전압의 위상에 대하여 전류의 위상이 진행하고 있는지의 여부를 판정한다.

정류기 (23) 에 있어서의 전류의 위상이 전압의 위상보다 진행하고 있는 것으로 판정된 경우 (스텝 S5 : 예), 제어 장치 (26) 는, 전압 구형파의 좌측 (위상 진행측) 을 많이 깎도록 단락 위상을 결정한다 (스텝 S6). 스텝 S6 에 있어서, 결정부는, 위상 시프트에 의한 역률 악화 효과가 얻어지는 범위 내에서, 전압 구형파의 좌측 (위상 진행측) 이 많이 깎이는 스위칭 타이밍을 단락 위상으로 결정한다. 그리고, 제어 장치 (26) 의 제어부는, 스텝 S6 의 처리에서 결정된 단락 위상에 기초하여 단락 모드를 실행한다.

도 14 에 나타내는 바와 같이, 제어 장치 (26) 는 전압 구형파의 좌측을 많이 깎는 전력 제어를 실행한다. 그 결과, 전압 기본파는 전류 기본파와의 위상 어긋남이 커지는 방향으로 위상 시프트를 일으킨다. 즉, 수전 전력의 역률이 악화되는 방향으로 전압 기본파가 시프트된다.

정류기 (23) 에 있어서의 전류의 위상은 전압의 위상보다 진행하고 있지 않은 것으로 판정된 경우 (스텝 S5 : 아니오), 제어 장치 (26) 는, 전류의 위상과 전압의 위상이 동 위상인 것으로 판단하고, 전압 구형파를 좌우 대칭으로 깎도록 단락 위상을 결정한다 (스텝 S7). 스텝 S7 에 있어서, 결정부는, 위상 시프트에 의한 역률 개선 효과가 발생하지 않도록, 전압 구형파의 좌우 양측을 대칭으로 깎는 스위칭 타이밍을 단락 위상으로 결정한다. 그리고, 제어 장치 (26) 의 제어부는, 스텝 S7 의 처리에서 결정된 단락 위상에 기초하여 단락 모드를 실행한다.

도 15 에 나타내는 바와 같이, 제어 장치 (26) 는 전압 구형파의 좌우 양측을 대칭이 되도록 깎는 전력 제어를 실행한다. 그 결과, 전압 기본파는 위상 시프트되지 않고, 역률 개선 효과를 발생시키지 않는다.

이상 설명한 바와 같이, 실시형태에 의하면, 수전 장치 (20) 에 형성된 스위칭 소자를 사용하여 전력 제어를 실행할 때, 의도치 않게 전력이 증가하는 것을 억제할 수 있다. 이로써, 비접촉 충전을 실시할 때에 수전측의 부하를 보호할 수 있다.

또한, 전류 센서 (24) 가 전류의 위상을 검출하고, 그 검출 신호를 제어 장치 (26) 에 출력해도 된다. 제어 장치 (26) 는, 전류 센서 (24) 로부터의 신호에 포함되는 전류의 위상에 관한 정보를 취득한다.

또, 전류 센서 (24) 와 전압 센서 (25) 의 설치 장소는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 를 흐르는 전류와 정류기 (23) 에 인가되는 전압을 추정할 수 있다. 요컨대, 제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 를 흐르는 전류를 추정할 수 있는 전류값 정보를 취득할 수 있으면 되며, 전류 센서 (24) 의 접속 지점은 특별히 한정되지 않는다. 동일하게, 제어 장치 (26) 는, 정류기 (23) 에 인가되는 전압을 추정할 수 있는 전압 정보를 취득할 수 있으면 되며, 전압 센서 (25) 의 접속 지점은 특별히 한정되지 않는다.

또, 정류기 (23) 는, 모든 다이오드에 스위칭 소자가 병렬 접속되어 있지 않아도 된다. 예를 들어, 정류기 (23) 는, 다이오드 (D21) 와 다이오드 (D23) 에 스위칭 소자가 병렬 접속되어 있는 경우에는, 다이오드 (D22) 와 다이오드 (D24) 에는 스위칭 소자를 병렬 접속시키지 않아도 된다. 동일하게, 정류기 (23) 는, 다이오드 (D22) 와 다이오드 (D24) 에 스위칭 소자가 병렬 접속되어 있는 경우에는, 다이오드 (D21) 와 다이오드 (D23) 에는 스위칭 소자를 병렬 접속시키지 않아도 된다.

또, 송전 장치 (10) 가 지상에 설치되고, 수전 장치 (20) 가 차량 (100) 에 탑재된 비접촉 전력 전송 시스템 (1) 에서는, 차량 (100) 이 주행 중에 비접촉 충전을 실시하는 경우에 한정되지 않고, 차량 (100) 이 정차한 상태에서 비접촉 충전을 실시하는 것이 가능하다. 요컨대, 정류기 (23) 에 의한 단락 회로의 형성이 수전 전력의 증가를 일으키는 메커니즘은, 주행 중 급전에 한정되지 않고, 정차 중 급전에도 해당된다. 그 때문에, 제어 장치 (26) 는, 차량 (100) 이 정차 중에 지상측의 송전 장치 (10) 로부터 비접촉으로 전력을 수취할 때에, 정류기 (23) 의 스위칭 소자를 제어하여 단락 모드를 실행하는 것이 가능하다. 그 때, 제어 장치 (26) 는, 수전 전력의 역률을 악화시키는 방향으로 위상 시프트를 발생시키도록 단락 모드에 있어서의 스위칭 타이밍을 결정할 수 있다.

또, 제어 장치 (26) 는, 단락 모드에 있어서의 스위칭 소자의 스위칭 타이밍에 대해, 전압 구형파의 좌측만을 깎는 경우나, 전압 구형파의 우측만을 깎는 경우에 한정되지 않는다. 요컨대, 제어 장치 (26) 는, 전압 구형파의 좌측이 우측보다 많이 깎이도록 단락 위상을 설정할 수 있음과 함께, 전압 구형파의 우측이 좌측보다 많이 깎이도록 단락 위상을 설정할 수 있다. 전류의 위상이 전압의 위상보다 지연되고 있는 경우, 제어 장치 (26) 는, 전압 구형파의 우측이 좌측보다 많이 깎이도록, 정류기 (23) 의 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정할 수 있다. 전류의 위상이 전압의 위상보다 진행하고 있는 경우, 제어 장치 (26) 는, 전압 구형파의 좌측이 우측보다 많이 깎이도록, 정류기 (23) 의 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정할 수 있다.

1 : 비접촉 전력 전송 시스템
10 : 송전 장치
11 : 직류 전원
12 : 인버터
13 : 필터 회로
14 : 송전측 공진 회로
20 : 수전 장치
21 : 수전측 공진 회로
22 : 필터 회로
23 : 정류기
24 : 전류 센서
25 : 전압 센서
26 : 제어 장치
100 : 차량
L10 : 송전 코일
L20 : 수전 코일
D21, D22, D23, D24 : 다이오드
SW21, SW22, SW23, SW24 : 스위칭 소자

Claims

송전 코일로부터 비접촉으로 전송된 전력을 수취하는 수전 코일과,
상기 수전 코일과 부하 사이에 형성된 스위칭 소자를 스위칭 동작시켜 상기 수전 코일의 출력단 간을 단락시키는 단락 모드를 실행하는 제어 장치를 구비한 수전 장치에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 수전 장치에 있어서의 전류의 위상과 전압의 위상이 어긋나 있는 경우, 상기 단락 모드에 의해, 상기 부하에 공급되는 전력의 역률이 악화되는 방향으로 상기 전압의 위상이 시프트되도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 수전 장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제어 장치는,
상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상보다 지연되고 있는 경우, 전압 구형파의 우측이 좌측보다 많이 깎이도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정하고,
상기 전류의 위상이 상기 전압의 위상보다 진행하고 있는 경우, 전압 구형파의 좌측이 우측보다 많이 깎이도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 수전 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 전류의 위상과 상기 전압의 위상이 어긋나지 않은 경우, 전압 구형파를 좌우 대칭으로 깎도록, 상기 단락 모드에 있어서의 상기 스위칭 소자의 스위칭 타이밍을 결정하는 것을 특징으로 하는 수전 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 수전 장치와, 상기 송전 코일을 갖는 송전 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 비접촉 전력 전송 시스템.