WO2015040649A1 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

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WO2015040649A1
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input
coil
control unit
vehicle
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藤田 篤志
秀樹 定方
柏本 隆
別荘 大介
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パナソニックIpマネジメント株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a non-contact power transmission device used for charging an electric propulsion vehicle such as an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional non-contact power transmission apparatus 106.
  • a power feeding device (primary side) F connected to a power panel of a ground-side power source 109 physically supplies power to a power receiving device (secondary side) G mounted on an electric propulsion vehicle. It arrange
  • an alternating current is applied to the primary coil 107 (power feeding coil) provided in the power feeding device F and a magnetic field is generated, an induced electromotive force is generated in the secondary coil 108 (power receiving coil) provided in the power receiving device G.
  • electric power is transmitted from the primary coil 107 to the secondary coil 108 without contact.
  • the power receiving device G is connected to, for example, an in-vehicle battery 110, and the battery 110 is charged with the electric power transmitted as described above.
  • the on-vehicle motor 111 is driven by the electric power stored in the battery 110. Note that, during the non-contact power supply process, for example, the wireless communication device 112 exchanges necessary information between the power supply device F and the power reception device G.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the internal structure of the power feeding device F and the power receiving device G.
  • FIG. 2A is a schematic diagram illustrating an internal structure when the power feeding device F is viewed from above and the power receiving device G is viewed from below.
  • FIG. 2B is a schematic diagram illustrating an internal structure when the power feeding device F and the power receiving device G are viewed from the side.
  • the power feeding device F includes a primary coil 107, a primary magnetic core 113, a back plate 115, a cover 116, and the like.
  • the power receiving device G has a symmetric structure with the power feeding device F, and includes a secondary coil 108, a secondary magnetic core 114, a back plate 115, a cover 116, and the like.
  • the surface of the primary magnetic core 113 and the surfaces of the secondary coil 108 and the secondary magnetic core 114 are covered and fixed with a mold resin 117 mixed with a foam material 118, respectively.
  • the primary coil 107 of such a conventional power feeding device F and the secondary coil 108 of the power receiving device G will be described with reference to the schematic diagram of FIG.
  • the primary coil 107 and the secondary coil 108 are formed by winding litz wires 121 and 122 in which a plurality of strands are bundled in a spiral shape.
  • the primary coil 107 of the ground-side power supply device F is disposed so as to face the secondary coil 108 of the power receiving device G mounted on the vehicle in a state where the vehicle is parked in a predetermined parking space.
  • the primary coil 107 and the secondary coil 108 face each other, and the magnetic field generated from the primary coil 107 is linked to the secondary coil 108 over a wide range, so that non-contact power transmission is performed.
  • a relay or the like for switching between other devices is generally disposed between the power receiving device G and the battery 110.
  • the switching relay with another device is opened due to some trouble, and the power transmission device G continues to be in power, but the power transmission from the power feeding device F continues even though the power receiving device G is in a load open state.
  • the power receiving device G will be overvoltaged and damaged.
  • An object of the present invention is to detect the input of a power supply, and when the change in the magnitude of the input is greater than or equal to a predetermined value, the current supply to the primary coil is stopped to prevent damage to the power receiving device.
  • the object is to provide a contact power transmission device.
  • the present invention is configured as follows.
  • a contactless power transmission device includes a primary coil that generates a magnetic field by a supply current from a power supply, an input detection unit that detects the magnitude of an input from the power supply, and the input detection unit.
  • a control unit that controls a current supplied from the power source to the primary coil based on a detection signal of the power source, and a secondary coil that receives power by a magnetic field from the primary coil, the control unit including the input
  • the control unit including the input
  • the degree of magnetic coupling with the secondary coil viewed from the primary coil is low, and the apparent impedance is small. That is, the sharpness (Q) of resonance is high, and frequency characteristics such as input power and output power become very steep.
  • the primary coil such as when a failure occurs in the relay that connects the rectifier and the battery that is the load, and the load suddenly opens, or when the secondary coil is short-circuited, etc.
  • the impedance changes, the input power increases or decreases abruptly.
  • the present invention comprises an input detection unit that detects the magnitude of input such as input power to the power source, and a control unit that controls the current supplied from the power source to the primary coil based on the detection signal.
  • the control unit detects a change in the magnitude of the input greater than or equal to a predetermined value, it stops detecting the current supply to the primary coil. It is possible to shift to safe operation.
  • FIG. 1 Schematic diagram showing the configuration of a conventional non-contact power transmission device
  • the block diagram of the non-contact electric power transmission apparatus concerning embodiment of this invention External view of the non-contact power transmission device of FIG. External view of the non-contact power transmission device of FIG.
  • a contactless power transmission device includes a primary coil that generates a magnetic field by a supply current from a power supply, an input detection unit that detects the magnitude of an input from the power supply, and the input detection unit.
  • a control unit that controls a current supplied from the power source to the primary coil based on a detection signal of the power source, and a secondary coil that receives power by a magnetic field from the primary coil, the control unit including the input
  • the control unit including the input
  • control unit when the control unit detects a change in the magnitude of the input that is equal to or greater than a predetermined value, the control unit controls the power supply so as to stop the current supply to the primary coil. It is possible to detect an abnormality in the rectifying unit and the like and quickly shift to a safe operation.
  • FIG. 4 is a block diagram of a non-contact power transmission apparatus according to the present invention.
  • 5 and 6 are external views of a state where the vehicle is installed in the parking space.
  • the non-contact power transmission device includes a power feeding device 1 installed in a parking space, for example, and a power receiving device 8 installed in an electric propulsion vehicle, for example.
  • the power feeding device 1 includes a primary side rectifier circuit 3 connected to an AC power source 2, an inverter unit 4, a ground side coil unit 5, a control unit (power feeding device side control unit, for example, a microcomputer) 6, and input detection. (For example, a current transformer for detecting an input current) 23.
  • the primary side rectifier circuit 3 and the inverter unit 4 constitute a power control device 7 that is a high-frequency power source.
  • the power receiving device 8 includes a vehicle side coil unit 9, a secondary side rectifying unit 10 that is a rectifying unit that rectifies electric power, a battery 11 that is a load, and a control unit (power receiving device side control unit, for example, a microcomputer). 12.
  • the AC power source 2 is a 200 V commercial power source that is a low-frequency AC power source, and is connected to the input end of the primary side rectifier circuit 3, and the output end of the primary side rectifier circuit 3 is the input of the inverter unit 4.
  • the output end of the inverter unit 4 is connected to the ground side coil unit 5.
  • the output end of the vehicle side coil unit 9 is connected to the input end of the secondary side rectifying unit 10, and the output end of the secondary side rectifying unit 10 is connected to the battery 11.
  • the ground side coil unit 5 is laid on the ground, and the power control device 7 is erected at a position separated from the ground side coil unit 5 by a predetermined distance, for example (see FIG. 5).
  • the vehicle side coil unit 9 is attached to, for example, the bottom of the vehicle body (for example, a chassis).
  • ground side coil unit 5 laid on the ground, a ground side coil 13 as a primary coil and a ground side resonance capacitor 14 are arranged.
  • the ground side coil 13 and the ground side resonance capacitor 14 are connected in series, and the other terminal of each is connected to the output terminal of the inverter unit 4.
  • a vehicle side coil 15 that is a secondary coil and a vehicle side resonance capacitor 16 are disposed inside the vehicle side coil unit 9 attached to the bottom of the vehicle body.
  • the vehicle side coil 15 and the vehicle side resonance capacitor 16 are connected in series, and the other terminal of each is connected to the input end of the secondary side rectification unit 10.
  • the resonance frequency of the ground side coil 13 and the ground side resonance capacitor 14 and the resonance frequency of the vehicle side coil 15 and the vehicle side resonance capacitor 16 are set to be substantially the same. Specifically, in the present embodiment, the number of turns of the ground side coil 13 and the vehicle side coil 15 is 30 turns. In addition, in FIG. 7 mentioned later, the winding number of the ground side coil 13 and the vehicle side coil 15 is simplified and described.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view of the ground side coil unit 5 and the vehicle side coil unit 9 of the contactless power transmission device according to the present embodiment, particularly the ground side coil 13 and the vehicle side coil 15.
  • the ground side coil unit 5 includes a base 17 fixed to the ground side, a ground side coil 13 disposed on the base 17, and a cover 18 that is a casing that covers the ground side coil 13.
  • the vehicle-side coil unit 9 includes a base 19 fixed to the vehicle body, a vehicle-side coil 15 disposed on the base 19, and a cover 20 that is a casing that covers the vehicle-side coil 15.
  • the ground side coil 13 is formed by winding the coil wire 21 a plurality of times in a spiral shape.
  • the vehicle side coil 15 is formed by winding the coil wire 22 a plurality of times in a spiral shape. Yes.
  • the ground side coil 13 and the vehicle side coil 15 are each circular in a flat plate shape and have substantially the same outer diameter and inner diameter.
  • the coil wires 21 and 22 of the ground side coil 13 and the vehicle side coil 15 use litz wires, but other conductive wires may be used.
  • the power feeding device side control unit 6 performs wireless communication with the power receiving device side control unit 12, and the power receiving device side control unit 12 determines a power command value according to the detected remaining voltage of the battery 11, and determines The transmitted power command value is transmitted to the power supply apparatus side control unit 6. At the same time, the voltage and current of the battery 11 and the received power calculated from them are transmitted to the power feeding device side control unit 6. The power feeding device side control unit 6 compares the received power command value with the actual received power, and the inverter unit 4 so as to obtain the received power according to the power command value within a range not exceeding the rated input power of the power feeding device 1. Drive.
  • the power feeding device side control unit 6 performs inverters at a high frequency that is a predetermined frequency away from the resonance frequency of the ground side coil 13 and the ground side resonance capacitor 14 and the resonance frequency of the vehicle side coil 15 and the vehicle side resonance capacitor 16.
  • the drive of the part 4 is started.
  • the reason for starting driving at a high frequency away from the resonance frequency is that the impedance viewed from the ground side coil 13 and the inverter unit 4 is high because the frequency is out of the resonance frequency, and the output power is kept low. This is because a transient overload operation state (overvoltage or overcurrent) can be avoided.
  • the power feeding device side control unit 6 gradually lowers the drive frequency of the inverter unit 4 to approach the resonance frequency.
  • the impedance viewed from the ground side coil 13 and the inverter unit 4 decreases, and the received power gradually increases.
  • the power receiving device side control unit 12 detects the received power and changes the power command value to the power feeding device side control unit 6 so that the battery 11 is not overcurrent or overvoltage.
  • the current transformer 23 that is an input detection unit outputs a voltage corresponding to the magnitude of the input current input to the power supply device 1, and then rectifies the output voltage (not shown). Then, a detection signal corresponding to the magnitude of the input current is output to the power supply apparatus side control unit 6.
  • the power supply device side control unit 6 recognizes the magnitude of the input current from the detection signal, estimates the input power from the voltage of the commercial power source to which the power supply device 1 is connected, and autonomously does not exceed the rated input power.
  • the inverter unit 4 is controlled so as to limit the transmission power to the power receiving device 8.
  • the power feeding device side control unit 6 increases the drive frequency of the inverter unit 4. In addition, when the input power does not reach the rated input power and the received power of the power receiving device 8 does not reach the power command value, the power feeding device side control unit 6 decreases the drive frequency of the inverter unit 4.
  • the vehicle side coil unit 9 is disposed so as to face the ground side coil unit 5 by appropriately moving the vehicle body (vehicle). Is done.
  • the power feeding device side control unit 6 drives and controls the inverter unit 4, thereby generating a high frequency magnetic field from the ground side coil 13.
  • an induced electromotive force is generated by the magnetic field of the ground-side coil 13 disposed to face the vehicle-side coil 15, and a high-frequency current is induced in the vehicle-side coil 15.
  • the power receiving device 8 takes out power using the high-frequency current, and charges the battery 11 with the taken out power.
  • the power feeding device side control unit 6 and the power receiving device side control unit 12 exchange information with each other while pairing with each other and transmitting and receiving an authentication signal in order to prevent malfunction and interference due to noise from the outside.
  • the information is encrypted and wirelessly communicated, and the receiving side performs decryption processing. Thereby, processing is very concentrated on the wireless communication portion of the power supply device side control unit 6 and the power reception device side control unit 12.
  • the wireless communication frequency band is widened, which affects wireless communication of other channels communicating in the same frequency band, or the power feeding device side control unit 6 and the power receiving device side control unit This may lead to an increase in heat generation in the 12 wireless communication portions.
  • the influence from external noise must be reduced while suppressing the influence on other wireless communication, and exchanged by wireless communication. There is a limit to the amount and speed of information that can be produced.
  • the ground side coil 13 and the vehicle side coil 15 are opposed to each other, but the distance is large, the degree of magnetic coupling with the vehicle side coil 15 viewed from the ground side coil 13 is low, and the apparent impedance is small. It has become. That is, the sharpness (Q) of resonance is high, and frequency characteristics such as input power and output power are very steep.
  • the inductance of the vehicle-side coil 15 is changed due to a rare short circuit or a disconnection, or when the apparent impedance viewed from the ground-side coil 13 is changed, such as when the open-circuit / short-circuit is caused by a failure of a vehicle-side component,
  • the frequency characteristics such as input power and output power change, and the input power suddenly increases or decreases at the frequency at which the inverter unit 4 operates.
  • FIG. 8 is a graph in which the horizontal axis represents frequency and the vertical axis represents input power.
  • the inductance is reduced, so that the resonance frequency is increased and the frequency characteristic of the input power is changed to a higher frequency. Therefore, when the inverter unit 4 continues to operate at the same frequency, the input power increases rapidly.
  • the components of the power receiving device 8 are broken open, the impedance viewed from the ground side coil 13 is changed, the resonance frequency is lowered, and the frequency characteristic of the input power is changed to a lower frequency. Therefore, in this case, the input power decreases rapidly.
  • the power receiving device side control unit 12 detects changes in the power, voltage, and current, and wirelessly communicates with the power feeding device side control unit 6. It is possible to communicate to
  • the power supply apparatus 1 includes a current transformer 23 that is an input detection unit.
  • the detection signal of the current transformer 23 is input to the power feeding device side control unit 6.
  • FIG. 9 is a graph showing the time change of the absolute value of the input current and the change width of the input current during the power feeding operation, recognized by the power feeding device side control unit 6.
  • the power supply device side control unit 6 performs AD conversion on a detection signal corresponding to the magnitude of the input current at a predetermined time interval and recognizes the detection signal.
  • the power supply device side control unit 6 internally holds a threshold value of the change width of the input current that can be allowed within a predetermined time, the input current recognized by AD conversion this time, and the AD conversion performed so far Is compared with the recognized input current to determine whether or not an allowable change width threshold is exceeded.
  • the power supply device side control unit 6 immediately stops driving the inverter unit 4 regardless of the wireless communication from the power reception device side control unit 12, and the power reception device Power supply to 8 is stopped.
  • the inductance of the vehicle-side coil 15 is changed due to a rare short circuit or disconnection, or when the apparent impedance viewed from the ground-side coil 13 is changed, such as when the vehicle-side component is opened / short-circuited due to a malfunction of the vehicle-side component, Even if the input power suddenly increases / decreases or the power received by the power receiving device 8 increases / decreases rapidly, the power supply to the power receiving device 8 can be reliably stopped.
  • FIG. 10 An example in which the current transformer 23 is used for the input detection unit has been described.
  • a resistor 24 is inserted in series in the power line connecting the AC power supply 2 and the power feeding device 1.
  • the magnitude of the input may be detected by detecting a voltage generated between the resistors 24. What is necessary is just to install the suitable input detection part according to the electric power feeder 1.
  • FIG. 11 is a graph showing the change over time in the absolute value of the input current and the change width of the input current during the power feeding operation, which is recognized by the power feeding device side control unit 6, as in FIG. 9.
  • the power supply device side control unit 6 sets the first threshold value of the change width that can allow the magnitude of the input and the second threshold value that makes the allowable change width larger than the first threshold value.
  • the power supply device side control unit 6 Control is performed so that the input power is reduced without stopping driving, and stable power feeding can be continued.
  • the power supply device side control unit 6 performs control to quickly stop the drive of the inverter unit 4 to thereby supply power. It is possible to reduce the number of times the apparatus 1 is stopped and continue stable power feeding.
  • a relay 25 that is a connection part that switches between conduction and interruption is usually provided between the power receiving device 8 and the battery 11 in order to avoid electrical interference with other vehicle-side equipment.
  • the relay 25 is controlled to switch between conduction / cutoff by the power receiving device side control unit 12 and is turned on during power transmission from the power feeding device 1 to the power receiving device 8 and is cut off otherwise. Yes.
  • the relay 25 is cut off at a timing to be conducted. Then, the connection with the battery 11 is disconnected.
  • the apparent impedance seen from the ground coil 13 changes greatly, and changes such as input power and received power occur.
  • the power supply device side control unit 6 can detect and can stop without any problem. Therefore, the connection for switching between conduction / cutoff installed between the power reception device 8 and the battery 11 is possible. It can also serve as a malfunction detection of the relay 25 which is a part.
  • FIG. 13 is a graph showing the change over time in the absolute value of the input current and the change width of the input current during the power feeding operation, recognized by the power feeding device side control unit 6, as in FIGS. 9 and 11.
  • the power supply apparatus side control unit 6 does not respond to a change that occurs in a short time with respect to a change time of the input magnitude due to an apparent impedance change due to a voltage change of the battery 11 that may occur in normal operation. If a threshold value is set, it is possible to detect only an abnormality.
  • the threshold of the change width of the input that the power supply apparatus side control unit 6 can accept within a predetermined time with respect to the change width of the input within a predetermined time that can occur in normal operation.
  • an example is given in which an abnormal time is detected by a change in the size of the input.
  • these currents and voltages depend on the apparent impedance and input power, so that they are compared with those during normal operation.
  • the apparent impedance being lowered due to some problem or the like, if the frequency characteristic of the input power is changed and the input power is reduced, the coil current and the voltage are hardly changed, and there is a case where an abnormality cannot be detected. Therefore, it is desirable to detect based on the input size.
  • the power feeding device 1 is disposed on the ground side and the power receiving device 8 is mounted on the vehicle has been described as an example.
  • the power receiving device is disposed on the ground side and the power feeding device is disposed on the vehicle side.
  • the present invention can also be applied to such a configuration.
  • an abnormality such as a secondary coil or a rectifying unit can be detected and the operation can be quickly shifted to a safe operation without using wireless communication.
  • an electric vehicle such as an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle can be used.
  • the present invention can be applied to a power supply device and a power receiving device for non-contact power transmission used for charging a propulsion vehicle.

Abstract

 無線通信によることなく、2次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することのできる非接触電力伝送装置。この装置は、電力制御装置(7)からの供給電流により磁界を発生する地上側コイル(13)と、電力制御装置(7)からの入力の大きさを検知するカレントトランス(23)と、カレントトランス(23)の検知信号に基づいて電力制御装置7から地上側コイル(13)への供給電流を制御する給電装置側制御部(6)と、地上側コイル(13)からの磁界により電力を受電する車両側コイル(15)とを備える。給電装置側制御部(6)は、入力検知部(23)の検知信号に基づいて所定値以上の入力変化を検知した際に、地上側コイル(13)への電流供給を停止させる。

Description

非接触電力伝送装置
 本発明は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両の充電等に用いられる非接触電力伝送装置に関する。
 図1は、従来の非接触電力伝送装置106の構成を示す模式図である。図1において、地上側の電源109の電源盤に接続された給電装置(1次側)Fが、電気推進車両に搭載された受電装置(2次側)Gに対し、給電時において、物理的接続なしに空隙空間であるエアギャップを介して対向するよう配置される。このような配置状態で、給電装置Fに備わる1次コイル107(給電コイル)に交流電流が与えられ、磁界が発生すると、受電装置Gに備わる2次コイル108(受電コイル)に誘導起電力が生じる。これによって、1次コイル107から2次コイル108へと電力が非接触で伝達される。
 受電装置Gは、例えば車載のバッテリー110に接続され、上述したようにして伝達された電力がバッテリー110に充電される。このバッテリー110に蓄積された電力により車載のモータ111が駆動される。なお、非接触給電処理の間、給電装置Fと受電装置Gとの間では、例えば無線通信装置112により必要な情報交換が行われる。
 図2は、給電装置Fおよび受電装置Gの内部構造を示す模式図である。特に、図2Aは、給電装置Fを上方から、また、受電装置Gを下方から見たときの内部構造を示す模式図である。図2Bは、給電装置Fおよび受電装置Gを側方から見たときの内部構造を示す模式図である。
 図2において、給電装置Fは、1次コイル107、1次磁心コア113、背板115、およびカバー116等を備える。受電装置Gは、簡単に述べると、給電装置Fと対称的な構造を有しており、2次コイル108、2次磁心コア114、背板115、カバー116等を備え、1次コイル107と1次磁心コア113の表面、および2次コイル108と2次磁心コア114の表面は、それぞれ、発泡材118が混入されたモールド樹脂117にて被覆固定されている。
 ここで、このような従来の給電装置Fの1次コイル107と、受電装置Gの2次コイル108との関係について、図3の模式図を用いて説明する。図3に示すように、1次コイル107および2次コイル108は、複数の素線が束ねられたリッツワイヤ121、122がスパイラル状に巻回されて形成されている。地上側の給電装置Fの1次コイル107は、車両が所定の駐車スペースに駐車された状態にて、車両に搭載された受電装置Gの2次コイル108と対向するように配置されている。1次コイル107と2次コイル108とが対向されて、1次コイル107から発生する磁界が2次コイル108に広範囲にわたって鎖交することにより、非接触での電力電送が行われる。
特開2008-87733号公報
 従来の非接触電力伝送装置では、図3に示すように、1次コイル107と2次コイル108間にはエアギャップが存在しているため、受電装置Gでの電圧、電流、電力等の情報を、無線通信装置112で給電装置Fへ送信している。無線通信装置112では、情報の処理や、混信を防止するための暗号化処理、機器認証処理等を並行処理しているため、無線通信速度には一定の制限が生じる。
 また、受電装置Gにおいて、何らかの不具合が発生した場合、速やかに給電装置Fからの電力伝送を停止する必要がある。例えば、一般に受電装置Gとバッテリー110の間には、他機器との切り替えを行うためのリレー等が配設されている。電力伝送中に、何らかの不具合により他機器との切り替えリレーが開放状態となり、受電装置Gが負荷開放状態になったにも関わらず、無線通信速度が間に合わず、給電装置Fからの電力伝送が継続されて、受電装置G内部の過電圧状態となって破損に至る可能性がある。
 また、無線通信そのものに不具合が発生する場合も考慮して、受電装置Gの過電圧状態を含む異常状態については給電装置F単体で検知し、対処することが望ましい。
 本発明の目的は、電源の入力を検知し、入力の大きさの変化幅が所定値以上であった場合、1次コイルへの電流供給を停止させることによって、受電装置の破損を防止できる非接触電力伝送装置を提供することにある。
 上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。
 本発明の一の態様にかかる非接触電力伝送装置は、電源からの供給電流により磁界を発生する1次コイルと、前記電源からの入力の大きさを検知する入力検知部と、前記入力検知部の検知信号に基づいて前記電源から前記1次コイルへの供給電流を制御する制御部と、前記1次コイルからの磁界により電力を受電する2次コイルと、を備え、前記制御部は前記入力検知部の検知信号に基づいて所定値以上の入力変化を検知した際に、前記1次コイルへの電流供給を停止させる構成とする。
 1次コイルと2次コイルは、間隔を有して対向しているため、1次コイルから見た2次コイルとの磁気結合度は低く、見かけ上のインピーダンスは小さい状態になっている。つまり、共振の先鋭度(Q)が高く、入力電力や出力電力等の周波数特性が非常に急峻となる。
 整流部と負荷であるバッテリー等を接続するようなリレーに不具合が発生し、突然負荷開放となった場合や、2次コイルの短絡破壊等が発生した場合等、1次コイルから見た見かけ上のインピーダンスが変化した際には、急激に入力電力が増加したり、減少する。
 本発明によれば、電源への入力電力等の入力の大きさを検知する入力検知部と、その検知信号に基づいて電源から1次コイルへ供給する電流を制御する制御部を備えており、制御部は所定値以上の入力の大きさの変化を検知した場合、1次コイルへの電流供給を停止させるため、無線通信によることなく、2次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することができる。
従来の非接触電力伝送装置の構成を示す模式図 図1の給電装置(受電装置)に対向して配置される受電装置(給電装置)の内部構造を示す図 図2の給電装置および受電装置の断面図 本発明の実施の形態にかかる非接触電力伝送装置のブロック図 図4の非接触電力伝送装置の外観図 図4の非接触電力伝送装置の外観図 地上側コイルユニットおよび車両側コイルユニットの断面図 正常動作時、異常動作時の入力電力の周波数特性の変化を示すグラフ 給電装置側制御部が認識する入力電流及び入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示すグラフ 入力検知部の変形例1のブロック図 給電装置側制御部が認識する入力電流及び入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示す変形例2のグラフ 非接触電力伝送装置の変形例3のブロック図 給電装置側制御部が認識する入力電流及び入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示す変形例4のグラフ
 本発明の一の態様にかかる非接触電力伝送装置は、電源からの供給電流により磁界を発生する1次コイルと、前記電源からの入力の大きさを検知する入力検知部と、前記入力検知部の検知信号に基づいて前記電源から前記1次コイルへの供給電流を制御する制御部と、前記1次コイルからの磁界により電力を受電する2次コイルと、を備え、前記制御部は前記入力検知部の検知信号に基づいて所定値以上の入力変化を検知した際に、前記1次コイルへの電流供給を停止させる構成とする。
 このような構成により、制御部は所定値以上の入力の大きさの変化を検知した場合、1次コイルへの電流供給を停止させるよう電源を制御するため、無線通信によることなく、2次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することができる。
 (実施の形態)
 以下、本発明の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
 図4は、本発明に係る非接触電力伝送装置のブロック図である。また、図5および図6は車両が駐車スペースに設置された状態の外観図である。図4、図5および図6に示されるように、非接触電力伝送装置は、例えば駐車スペースに設置される給電装置1と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置8とで構成される。
 給電装置1は、交流電源2に接続される1次側整流回路3と、インバータ部4と、地上側コイルユニット5と、制御部(給電装置側制御部、例えば、マイコン)6と、入力検知部(例えば、入力電流を検知するカレントトランス)23とを備える。1次側整流回路3とインバータ部4とで高周波電源である電力制御装置7を構成している。また、受電装置8は、車両側コイルユニット9と、電力を整流する整流部である2次側整流部10と、負荷であるバッテリー11と、制御部(受電装置側制御部、例えば、マイコン)12とを備えている。
 給電装置1において、交流電源2は、低周波交流電源である200V商用電源であり、1次側整流回路3の入力端に接続され、1次側整流回路3の出力端はインバータ部4の入力端に接続され、インバータ部4の出力端は地上側コイルユニット5に接続されている。一方、受電装置8においては、車両側コイルユニット9の出力端は2次側整流部10の入力端に接続され、2次側整流部10の出力端はバッテリー11に接続されている。
 また、地上側コイルユニット5は地上に敷設され、電力制御装置7は、例えば地上側コイルユニット5から所定距離だけ離隔した位置に立設される(図5参照)。一方、車両側コイルユニット9は、例えば車体底部(例えば、シャーシ)に取り付けられる。
 地上に敷設された地上側コイルユニット5内部には、1次コイルである地上側コイル13と、地上側共振コンデンサ14が配置されている。地上側コイル13と地上側共振コンデンサ14は直列接続されており、それぞれの他方の端子はインバータ部4の出力端に接続されている。
 同様に、車体底部に取り付けられた車両側コイルユニット9内部には、2次コイルである車両側コイル15と、車両側共振コンデンサ16が配置されている。車両側コイル15と車両側共振コンデンサ16は直列接続されており、それぞれの他方の端子は2次側整流部10の入力端に接続されている。
 地上側コイル13と地上側共振コンデンサ14の共振周波数、車両側コイル15と車両側共振コンデンサ16の共振周波数は、ほぼ同一となるように設定されている。具体的には、本実施の形態では、地上側コイル13、及び車両側コイル15の巻き数は30ターンとしている。なお、後述する図7では、地上側コイル13および車両側コイル15の巻き数は簡略化して記載している。
 図7は、本実施の形態の非接触電力伝送装置の地上側コイルユニット5と車両側コイルユニット9における、特に地上側コイル13と車両側コイル15の部分の断面図である。図7に示すように、地上側コイルユニット5は、地上側に固定されたベース17と、ベース17上に配置された地上側コイル13と、地上側コイル13を覆う筐体であるカバー18とを備えている。車両側コイルユニット9は、車体に固定されたベース19と、ベース19上に配置された車両側コイル15と、車両側コイル15を覆う筐体であるカバー20とを備えている。
 地上側コイル13は、コイル線21をスパイラル状に複数回巻回することにより形成されており、同様に車両側コイル15は、コイル線22をスパイラル状に複数回巻回することにより形成されている。地上側コイル13と車両側コイル15は、それぞれ平板円形状で、ほぼ同じ外径、内径になるようにしている。地上側コイル13および車両側コイル15のコイル線21、22は、リッツワイヤを用いているが、他の導電線を用いてもよい。
 上記構成において、給電装置側制御部6は、受電装置側制御部12と無線通信を行い、受電装置側制御部12は、検知したバッテリー11の残電圧に応じて電力指令値を決定し、決定した電力指令値を給電装置側制御部6に送信する。また同時に、バッテリー11の電圧及び電流と、それらから演算される受電電力を給電装置側制御部6に送信する。給電装置側制御部6は、受信した電力指令値と実際の受電電力を比較し、給電装置1の定格入力電力を超えない範囲で、電力指令値通りの受電電力が得られるようにインバータ部4を駆動する。
 具体的には、給電装置側制御部6は、地上側コイル13と地上側共振コンデンサ14の共振周波数、車両側コイル15と車両側共振コンデンサ16の共振周波数から所定の幅離れた高い周波数でインバータ部4の駆動を開始する。共振周波数から離れた高い周波数で駆動を開始するのは、共振周波数から外れているために、地上側コイル13及びインバータ部4から見たインピーダンスが高くなり、出力電力を低く抑えて、駆動開始直後の過渡的な過負荷動作状態(過電圧や過電流)を回避することができるためである。
 その後、給電装置側制御部6は、インバータ部4の駆動周波数を徐々に低下させ、共振周波数へ近づけていく。地上側コイル13及びインバータ部4から見たインピーダンスが低下し、徐々に受電電力が上昇する。
 給電中、受電装置側制御部12は、受電電力を検知し、バッテリー11に過電流や過電圧がかからないように、給電装置側制御部6への電力指令値を変更する。
 また、給電装置1において、入力検知部であるカレントトランス23は、給電装置1に入力される入力電流の大きさに応じた電圧を出力し、その後、出力電圧を整流する回路(図示せず)を経由して、給電装置側制御部6に入力電流の大きさに応じた検知信号を出力する。給電装置側制御部6は、検知信号から入力電流の大きさを認識し、給電装置1が接続される商用電源の電圧とから入力電力を推定し、定格入力電力を超えないよう、自律的に受電装置8への送電電力を制限するべく、インバータ部4を制御する。入力電力が定格入力電力を超えた場合、または受電装置8の受電電力が電力指令値を超えた場合には、給電装置側制御部6は、インバータ部4の駆動周波数を高くする。また、入力電力が定格入力電力に達しておらず、受電装置8の受電電力も電力指令値に達していない場合には、給電装置側制御部6は、インバータ部4の駆動周波数を低くする。
 図5および図6に示されるように、給電装置1から受電装置8に給電するに際し、車両側コイルユニット9は、車体(車両)を適宜移動させることで地上側コイルユニット5に対向して配置される。給電装置側制御部6がインバータ部4を駆動制御することで、地上側コイル13から高周波磁界が発生する。車両側コイル15には、対向して配置される地上側コイル13の磁界によって誘導起電力が発生し、車両側コイル15に高周波電流が誘起される。受電装置8は、この高周波電流を利用して電力を取り出し、取り出した電力でバッテリー11を充電する。
 このとき、給電装置側制御部6と受電装置側制御部12は、外部からのノイズ等による誤動作、混信を防ぐため、互いにペアリングし、認証信号を送受信しながら情報のやり取りを行う。また同時に、他者による無線通信の傍受や、故意に送信される誤情報の受信を防ぐため、情報は暗号化して無線通信され、受信側では復号化の処理を行う。これにより、給電装置側制御部6と受電装置側制御部12の無線通信部分は、処理が非常に集中している。また、無線通信速度を増加させた場合、無線通信周波数帯域が広がって、同じ周波数帯で通信している他チャンネルの無線通信に影響を及ぼしたり、給電装置側制御部6及び受電装置側制御部12の無線通信部分の発熱増加につながる可能性がある。
 従って、給電装置側制御部6及び受電装置側制御部12の無線通信部分では、他の無線通信への影響を抑制しつつ、外来ノイズから受ける影響も低減しなければならず、無線通信でやり取りできる情報量と速度には限度が生じる。
 一方、地上側コイル13と車両側コイル15は対向しているものの距離があいているため、地上側コイル13から見た車両側コイル15との磁気結合度は低く、見かけ上のインピーダンスは小さい状態になっている。つまり、共振の先鋭度(Q)が高く、入力電力や出力電力等の周波数特性が非常に急峻である。
 例えば、車両側コイル15がレアショートや断線等によりインダクタンスが変化した場合、車両側部品の不具合により開放/短絡となった場合等、地上側コイル13から見た見かけ上のインピーダンスが変化することによって、入力電力、出力電力等の周波数特性が変化し、インバータ部4が動作している周波数で急激に入力電力が増加したり、減少したりする。
 図8は、横軸が周波数、縦軸が入力電力を示したグラフである。例えば、車両側コイル15がレアショートにより短絡した場合、インダクタンスが小さくなるために、共振周波数が高くなり、入力電力の周波数特性が周波数の高い方へ変化する。そのため、インバータ部4が同じ周波数での動作を継続すると、急激に入力電力が増加する。一方、受電装置8の部品が開放破壊した場合、地上側コイル13から見たインピーダンスが変化し、共振周波数が低くなり、入力電力の周波数特性が周波数の低い方へ変化する。そのため、この場合は急激に入力電力が減少する。
 前述の不具合等により受電装置8が受電する電力、電圧、電流も大きく変化するため、受電装置側制御部12は、電力、電圧、電流の変化を検知して無線通信によって給電装置側制御部6へ情報伝達することは可能である。
 しかしながら、異常時における受電装置8が受電する電力、電圧、電流の変化は、数100μsec程度の非常に速い変化であり、他の通信への影響を抑制しつつ相互認証や暗号化、復号化を行う無線通信が、電力、電圧、電流の変化する速度よりも十分早い速度を確保することは困難である。無線通信による情報伝達が間に合わなかった場合、過剰な入力電力による2次的な給電装置1や受電装置8の部品損傷につながる虞がある。
 本実施の形態では、給電装置1に、入力検知部であるカレントトランス23を備えている。カレントトランス23の検知信号は、給電装置側制御部6に入力される。図9は、給電装置側制御部6が認識している、給電動作中の入力電流と入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示したグラフである。図9に示すように、給電装置側制御部6は、所定の時間間隔で入力電流の大きさに応じた検知信号をAD変換し、認識している。また、給電装置側制御部6は、所定の時間内に許容できる入力電流の変化幅のしきい値を内部に保持しており、今回AD変換して認識した入力電流と、それまでにAD変換して認識した入力電流とを比較して、許容できる変化幅のしきい値を超えているかどうかの判定を行う。許容できる変化幅のしきい値を超えていた場合、給電装置側制御部6は、受電装置側制御部12からの無線通信とは無関係に、すみやかにインバータ部4の駆動を停止し、受電装置8への給電を停止する。したがって、車両側コイル15がレアショートや断線によりインダクタンスが変化した場合、車両側部品の不具合により開放/短絡となった場合等、地上側コイル13から見た見かけ上のインピーダンスが変化することによって、入力電力が急激に増加/減少したり、受電装置8が受電する電力が急激に増加/減少しても、確実に受電装置8への給電を停止することが可能である。
 本実施の形態では、入力検知部にカレントトランス23を使用した例を挙げたが、例えば図10に示すように、交流電源2と給電装置1を接続する電力ラインに直列に抵抗24を挿入し、抵抗24端子間に発生する電圧を検知することにより入力の大きさを検知してもよい。給電装置1に応じた適切な入力検知部を設置すればよい。
 また、給電装置側制御部6は、入力の大きさの許容できる変化幅のしきい値を超えていた場合、すみやかにインバータ部4の駆動を停止する例を挙げたが、これに限定するものではない。図11は、図9と同様に、給電装置側制御部6が認識している、給電動作中の入力電流と入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示したグラフである。
 例えば、受電装置8とバッテリー11の間には、車両側機器であるヒーター等が接続され、車両側の制御部によって動作/停止される場合にも、地上側コイル13から見た見かけ上のインピーダンスが変化するため、同様の入力電力や受電電力等の変化が発生する。ここでは、バッテリー11は受電装置8の外に配置されているものとする。ただし、部品不具合等による開放/短絡と比較して、変化が小さいために入力の大きさの変化も小さくなる。従って、給電装置側制御部6は、入力の大きさを許容できる変化幅の第1のしきい値と、第1のしきい値よりも許容できる変化幅を大きくした第2のしきい値を有する。車両側機器の動作等によって入力の大きさの変化幅が第1のしきい値を超え、第2のしきい値を超えなかった場合には、給電装置側制御部6は、インバータ部4の駆動を停止せず、入力電力が小さくなるよう制御を行い、安定した給電を継続することが可能となる。部品不具合等によって入力の大きさの変化幅が第2のしきい値を超えた場合には、給電装置側制御部6は、速やかにインバータ部4の駆動を停止する制御を行うことによって、給電装置1の停止回数を削減し、安定した給電を継続することが可能となる。
 また、通常、図12に示すように、受電装置8とバッテリー11間には、他の車両側機器との電気的干渉を避けるために、導通/遮断を切り替える接続部であるリレー25が設けられる。ここでは、バッテリー11は受電装置8の外に配置されているものとする。このリレー25は、受電装置側制御部12によって導通/遮断を切り替えるよう制御されており、給電装置1から受電装置8への電力伝送中は導通され、それ以外には遮断されるようになっている。給電装置1から受電装置8への電力伝送中に、車両に衝撃が加わった場合や、受電装置側制御部12の電源電圧が低下した場合等、リレー25が導通すべきタイミングで遮断されてしまうと、バッテリー11との接続が切断される。これにより、地上側コイル13から見た見かけ上のインピーダンスが大きく変化し、入力電力や受電電力等の変化が発生する。
 このような場合であっても、給電装置側制御部6は検知が可能であり、問題なく停止することが可能であるため、受電装置8とバッテリー11間に設置される導通/遮断を切り替える接続部であるリレー25の誤動作検知を兼ねることができる。
 また、受電装置8が受電する電力や、バッテリー11の容量、地上側コイル13と車両側コイル15間の距離や磁気結合度によって、バッテリー11電圧の変化速度が異なる。図13は、図9および図11と同様に、給電装置側制御部6が認識している、給電動作中の入力電流と入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示したグラフである。
 バッテリー11電圧の変化は、地上側コイル13から見た見かけ上のインピーダンス変化になるため、例えば給電装置側制御部6のインバータ部4の制御がバッテリー11電圧の変化に対して遅い場合には、入力電力や受電電力等の変化が発生することになる。そのため、給電装置側制御部6は、正常動作で発生し得るバッテリー11の電圧変化等による見かけ上のインピーダンス変化による入力の大きさの変化の時間に対して短い時間で発生する変化に対してしきい値を設定すれば、異常時だけを検知することが可能となる。例えば、正常動作で発生し得る所定の時間内の入力の大きさの変化幅に対して、給電装置側制御部6が持つ、所定の時間内に許容できる入力の大きさの変化幅のしきい値を大きく設定することによって異常時だけを検知することが可能となる。
 なお、本実施の形態では、入力の大きさの変化により異常時を検知する例を挙げた。例えば、地上側コイル13や車両側コイル15に流れる電流、または発生する電圧を検知する場合、これらの電流、電圧は見かけ上のインピーダンスと入力電力に依存するものであるため、正常動作時に比べて何らかの不具合等により見かけ上のインピーダンスが下がった結果、入力電力の周波数特性が変化して入力電力が下がると、コイル電流、電圧の変化がほとんどなくなってしまい、異常時の検知ができない場合が生じる。そのため、入力の大きさで検知することが望ましい。
 なお、上述の説明では、給電装置1が地上側に配置され、受電装置8が車両に搭載される場合を例として説明したが、受電装置が地上側に配置され、給電装置が車両側に配置される構成に対しても、本発明を適用できる。
 なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
 2012年4月20日出願の特願2012-096351の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
 本発明によれば、無線通信によることなく、2次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することができるため、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両の充電等に用いられる非接触電力伝送の給電装置および受電装置に適用できる。
 2 交流電源
 6 給電装置側制御部
 7 高周波電源(電力制御装置)
 10 2次側整流部
 11 負荷(バッテリー)
 13 1次コイル(地上側コイル)
 15 2次コイル(車両側コイル)
 23 入力検知部(カレントトランス)

Claims (1)

  1.  電源からの供給電流により磁界を発生する1次コイルと、
     前記電源からの入力の大きさを検知する入力検知部と、
     前記入力検知部の検知信号に基づいて前記電源から前記1次コイルへの供給電流を制御する制御部と、
     前記1次コイルからの磁界により電力を受電する2次コイルと、
     を備え、
     前記制御部は、前記入力検知部の検知信号に基づいて所定値以上の入力変化を検知した際に、前記1次コイルへの電流供給を停止させる構成とした非接触電力伝送装置。
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