WO2017077886A1 - 送電機器 - Google Patents

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WO2017077886A1
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power
phase
phase difference
converter
power transmission
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琢磨 小野
大島 敦
Original Assignee
株式会社 豊田自動織機
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J7/00Circuit arrangements for charging or depolarising batteries or for supplying loads from batteries
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/10Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling
    • H02J50/12Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power using inductive coupling of the resonant type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02JCIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J50/00Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power
    • H02J50/80Circuit arrangements or systems for wireless supply or distribution of electric power involving the exchange of data, concerning supply or distribution of electric power, between transmitting devices and receiving devices

Definitions

  • the present invention relates to power transmission equipment.
  • a non-contact power transmission device that does not use a power cord or a power transmission cable.
  • the non-contact power transmission device includes a power transmission device and a power reception device.
  • the power transmission device includes an AC power source that outputs AC power having a predetermined frequency, and a primary coil to which the AC power is input.
  • the power receiving device has a secondary coil that can receive AC power from the primary coil in a non-contact manner.
  • Patent Document 1 In such a non-contact power transmission device, AC power is transmitted from the power transmitting device to the power receiving device in a non-contact manner due to magnetic field resonance between the primary coil and the secondary coil.
  • a power transmission device is typically an AC / DC converter that converts system power to primary DC power, and a DC / RF converter (DC / AC converter) that converts primary DC power to AC power. ).
  • a phase difference (phase shift) is generated between the output voltage and the output current of the DC / RF converter due to the load condition after the primary coil.
  • the phase difference occurs, the power loss of the DC / RF converter increases and the amount of heat generated by the DC / RF converter increases. For this reason, the DC / RF converter may be damaged by heat generation. In order to prevent damage to the DC / RF converter due to heat generation, it is conceivable to suppress the output power of the DC / RF converter.
  • the magnitude of the power loss of the DC / RF converter varies depending on the phase difference generated in the power transmission equipment. Specifically, when a delayed phase occurs, the power loss of the DC / RF converter is smaller than when a leading phase occurs. If the power is suppressed based only on the phase difference, the power is suppressed as in the case of the advanced phase even in the case of a delayed phase with a small power loss. As a result, due to the suppressed power, for example, charging time increases in the vehicle power supply apparatus.
  • An object of the present invention is to provide a power transmission device that performs power suppression based on a phase difference between an output voltage and an output current, and can perform appropriate power suppression even when a delayed phase occurs. is there.
  • the power transmission device that solves the above problem is configured to transmit AC power in a non-contact manner to the secondary side coil of the power receiving device having a secondary coil and a load.
  • the power transmission device is an AC power source having a DC / AC conversion unit, and the DC / AC conversion unit includes an AC power source having a switching element that converts external power into AC power having a predetermined frequency, and the AC power.
  • a control unit configured to control the AC power supply, a voltage zero cross detection circuit configured to detect a zero cross of the voltage in the DC / AC conversion unit, and A comparison is made by comparing a current zero cross detection circuit configured to detect a current zero cross in the DC / AC converter, a detection signal from the voltage zero cross detection circuit, and a detection signal from the current zero cross detection circuit.
  • a phase difference detector configured to detect a phase difference.
  • the control unit performs power suppression control for suppressing output power of the DC / AC conversion unit when the phase difference detection unit detects a phase difference.
  • the power suppression control includes a leading phase power suppression mode when a leading phase is detected by the phase difference detection unit and a delayed phase power suppression mode when a delay phase is detected by the phase difference detection unit.
  • the power suppression amount in the delayed phase power suppression mode is set smaller than the power suppression amount in the advanced phase power suppression mode.
  • the block diagram of power transmission equipment and a non-contact power transmission device (A) is a waveform diagram of the output voltage and output current when a leading phase occurs, (b) is a waveform diagram of the output voltage and output current when no phase difference occurs, and (c) is a delayed phase.
  • the waveform figure of the output voltage and output current in the case of being.
  • the flowchart which shows electric power suppression amount calculation control processing.
  • the non-contact power transmission device 10 includes a power transmission device 11 and a power reception device 21 configured to be capable of power transmission without contact.
  • the power transmission device 11 is provided on the ground, and the power receiving device 21 is mounted on the vehicle.
  • the power transmission device 11 includes an AC power source 12, a filter 13, a power transmitter 14, and a power transmission side controller 15 as a control unit configured to control the AC power source 12.
  • the power transmission side controller 15 can be realized by, for example, one or more dedicated hardware circuits and / or one or more processors (control circuits) that operate according to a computer program (software).
  • the power transmission side controller 15 can be realized by an electronic control device having an electric circuit programmed to execute a desired process.
  • the processor includes a CPU and memories such as a RAM and a ROM.
  • the memory stores program code or instructions configured to cause the processor to perform processing.
  • Memory or computer readable media includes any available media that can be accessed by a general purpose or special purpose computer.
  • the AC power supply 12 is configured to output AC power having a predetermined frequency. More specifically, the AC power supply 12 includes an AC / DC converter 12a as an external power converter and a DC / RF converter 12b as a DC / AC converter.
  • the AC / DC converter 12a is configured to convert system power as external power input from the system power supply E into DC power having a predetermined voltage value.
  • the DC / RF converter 12b includes a switching element 12ba, and is configured to convert the DC power into AC power having a predetermined frequency.
  • the switching element 12ba converts direct current power into alternating current power, for example, by periodically performing an on / off operation. That is, the AC power supply 12 includes a DC / AC conversion unit configured to convert external power into AC power having a predetermined frequency.
  • the non-contact power transmission apparatus 10 performs power transmission between the power transmission device 11 and the power reception device 21, and includes a power transmitter 14 provided in the power transmission device 11 and a power receiver provided in the power reception device 21. 23.
  • the power receiving device 21 includes a rectifier 24 that rectifies AC power received by the power receiver 23 and outputs the rectified DC power.
  • the power receiving device 21 includes a power receiving side controller 25 configured to be capable of wireless communication with the power transmitting side controller 15.
  • the non-contact power transmission apparatus 10 controls the start or end of power transmission through the exchange of information between the power transmission side controller 15 and the power reception side controller 25.
  • the power transmitter 14 and the power receiver 23 have the same configuration, and both are configured to be capable of magnetic field resonance.
  • the power transmitter 14 has a resonance circuit including a primary side coil 14a and a primary side capacitor 14b connected in parallel to each other.
  • AC power output from the AC power supply 12 is input to the primary coil 14a.
  • the power receiver 23 has a resonance circuit including a secondary coil 23a and a secondary capacitor 23b connected in parallel to each other.
  • the resonant frequencies of both resonant circuits are set to be the same. That is, the power transmission device 11 is configured to be able to transmit AC power in a non-contact manner from the primary side coil 14a to the secondary side coil 23a of the power receiving device 21 having the secondary side coil 23a and a load (battery 22). ing.
  • the power transmission device 11 includes a voltage zero-cross detection circuit 16, a current zero-cross detection circuit 17, and a phase difference detection circuit 18 as a phase difference detection unit.
  • the voltage zero cross detection circuit 16 is configured to detect a zero cross of a voltage in the DC / RF converter 12b (DC / AC converter), that is, an output voltage.
  • the current zero cross detection circuit 17 is a voltage zero cross detection circuit 16. It is configured to detect a zero crossing of the current, that is, the output current.
  • the voltage zero cross detection circuit 16 and the current zero cross detection circuit 17 are provided between the DC / RF converter 12 b and the filter 13.
  • the phase difference detection circuit 18 is configured to detect the phase difference by comparing the detection signal from the voltage zero cross detection circuit 16 and the detection signal from the current zero cross detection circuit 17.
  • the power transmission side controller 15 receives the output signal of the phase difference detection circuit 18 and performs power suppression control to suppress the output power of the DC / RF converter 12b when the phase difference detection circuit 18 detects the phase difference. It is configured.
  • the power transmission side controller 15 detects the advanced phase power suppression mode when the phase difference detection circuit 18 detects the advanced phase, and the phase difference detection circuit 18 detects the delayed phase as the power suppression control mode when performing the power suppression control. And a delayed phase power suppression mode.
  • the power suppression amount in the delayed phase power suppression mode is set smaller than the power suppression amount in the advanced phase power suppression mode.
  • the power transmission side controller 15 is configured to control the output power of the DC / RF converter 12b (DC / AC conversion unit) so as to lower the current power value during power suppression control. Yes.
  • the power transmission side controller 15 is configured to control the DC / RF converter 12b so as to lower the output power of the DC / RF converter 12b with a constant gain during the power suppression control. That is, the power transmission side controller 15 is configured to calculate the control amount by multiplying the current power value by a preset proportionality constant. The gain in the delayed phase power suppression mode is set smaller than the gain in the advanced phase power suppression mode.
  • the power transmission side controller 15 controls the switching element 12ba so that the output power of the DC / RF converter 12b becomes a preset power value.
  • the phase state between the output voltage and the output current of the DC / RF converter 12b there are a leading phase state, a state without a phase difference, and a delayed phase state.
  • the phase of the output current is advanced with respect to the phase of the output voltage.
  • the phase of the output current is delayed with respect to the phase of the output voltage in the state of the delayed phase shown in FIG. 2C shown in FIG.
  • the voltage zero cross detection circuit 16 detects the zero cross of the output voltage of the DC / RF converter 12b, and the current zero cross detection circuit 17 detects the zero cross of the output current of the DC / RF converter 12b.
  • the phase difference detection circuit 18 compares the detection signal from the voltage zero cross detection circuit 16 with the detection signal from the current zero cross detection circuit 17, generates a phase pulse, and outputs the detection signal to the power transmission side controller 15.
  • the pulse width W of the phase pulse is the interval between the falling edge of the voltage waveform and the point where the rising edge of the current waveform becomes zero. It is.
  • the pulse width W of the phase pulse is smaller than half (1/2) of the period Tp, and there is no phase difference as shown in FIG. 2 (b).
  • the pulse width W of the phase pulse is the same as half the period Tp.
  • the pulse width W of the phase pulse is larger than half (1/2) of the period Tp.
  • the power transmission side controller 15 When the phase difference is detected by the phase difference detection circuit 18, the power transmission side controller 15 performs power suppression control that suppresses the output power of the DC / RF converter 12b. More specifically, the power transmission side controller 15 performs power suppression control so that the power suppression amount differs between when the leading phase is detected by the phase difference detection circuit 18 and when the delayed phase is detected. That is, the power transmission side controller 15 performs power suppression control in the advanced phase power suppression mode when the advance phase is detected in the phase difference detection circuit 18 and when the delayed phase is detected in the phase difference detection circuit 18. The power suppression control is performed in the delayed phase power suppression mode.
  • the power transmission side controller 15 repeats the control according to the flowchart of FIG. 3 at a predetermined cycle during power transmission.
  • the power transmission side controller 15 calculates the pulse width of the phase pulse in step S1, and determines whether or not the pulse width is equal to half of the cycle in step S2.
  • the power transmission side controller 15 proceeds to step S3 if the pulse width is not equal to half of the cycle in step S2, and determines whether or not the pulse width is smaller than half of the cycle in step S3.
  • the power transmission side controller 15 proceeds to step S4 if the pulse width is not smaller than half of the cycle in step S3, and proceeds to step S5 after determining that a delayed phase has occurred in step S4.
  • the power transmission side controller 15 proceeds to step S6, and calculates the power suppression amount when performing power suppression control in the delayed phase power suppression mode in step S6.
  • the control amount is calculated by multiplying the current output power value by a preset proportionality constant so as to lower the current output power of the DC / RF converter 12b with a constant gain.
  • the proportionality constant the proportionality constant for the lag phase is used.
  • the power transmission side controller 15 proceeds to step S7 and outputs a power instruction. Then, switching control of the switching element 12ba of the DC / RF converter 12b is performed so that the power suppression amount calculated in step S6 is obtained.
  • the power transmission controller 15 proceeds to step S8 if the pulse width is equal to half the cycle in step S2, and proceeds to step S9 after determining that there is no phase difference in step S8.
  • the power transmission side controller 15 proceeds to step S7, assuming that there is no power suppression in step S9, ie, no power suppression control, and switches the switching element 12ba of the DC / RF converter 12b so that the current output power is continued. Control is performed.
  • the power transmission side controller 15 proceeds to step S10 if the pulse width is smaller than half of the period in step S3, proceeds to step S10 after determining that the phase has advanced in step S10.
  • the power transmission controller 15 proceeds to step S12, and proceeds to step S12 to calculate a power suppression amount when performing power suppression control in the phase power suppression mode.
  • the control amount is calculated by multiplying the current output power value by a preset proportionality constant so that the current output power of the DC / RF converter 12b is lowered by a constant gain.
  • the proportional constant for the lead phase is used as the proportionality constant.
  • the power transmission side controller 15 proceeds to step S7 and outputs a power instruction. And switching control of switching element 12ba of DC / RF converter 12b is performed so that it may become the amount of electric power suppression computed at Step S12.
  • the power transmission device 11 includes an AC power supply 12 having a DC / AC converter (DC / RF converter 12b).
  • the DC / RF converter 12b includes a switching element 12ba that converts external power into AC power having a predetermined frequency.
  • the power transmission device 11 includes a primary coil 14a to which the AC power is input.
  • the power transmission device 11 is configured to transmit AC power in a non-contact manner from the primary side coil 14a to the secondary side coil 23a of the power receiving device 21 having the secondary side coil 23a and a load (battery 22).
  • the power transmission device 11 includes a control unit (power transmission side controller 15), a voltage zero cross detection circuit 16, a current zero cross detection circuit 17, and a phase difference detection unit (phase difference detection circuit 18).
  • the power transmission side controller 15 is configured to control the AC power supply 12.
  • the voltage zero cross detection circuit 16 is configured to detect a zero cross of the voltage in the DC / RF converter 12b.
  • the current zero cross detection circuit 17 is configured to detect a zero cross of the current in the DC / RF converter 12b.
  • the phase difference detection circuit 18 is configured to detect the phase difference by comparing the detection signal from the voltage zero cross detection circuit 16 with the detection signal from the current zero cross detection circuit.
  • the power transmission side controller 15 is configured to perform power suppression control that suppresses the output power of the DC / RF converter 12b when a phase difference occurs in the phase difference detection circuit 18.
  • the power suppression control includes an advanced phase power suppression mode when a phase advance is detected by the phase difference detection circuit 18 and a delayed phase power suppression mode when a delay phase is detected by the phase difference detection circuit 18. .
  • the power suppression amount in the delayed phase power suppression mode is set smaller than the power suppression amount in the advanced phase power suppression mode.
  • the power suppression control uses power compared to the case of the advance phase.
  • the amount of suppression is controlled to be small. Therefore, power suppression is performed by the phase difference between the output voltage and the output current, and appropriate power suppression can be performed even when a delayed phase occurs.
  • the power transmission side controller 15 controls the output power of the DC / RF converter 12b so as to lower the current power value during the power suppression control.
  • power suppression control there is a method of lowering the output power indirectly by lowering the upper limit value of the output power of the DC / RF converter 12b.
  • controlling the output power of the DC / RF converter 12b so as to reduce the current power value immediately suppresses the output power.
  • the power transmission-side controller 15 controls the output power of the DC / RF converter 12b (DC / AC converter) to be lowered with a constant gain during the power suppression control.
  • the power suppression control for example, there is a method in which a power suppression amount is set in advance for each phase difference and output power value of the lag phase, and the output power of the DC / RF converter 12b is controlled so as to be the value. is there. In that case, it is necessary to obtain a power suppression amount for each phase difference and output power value of the delayed phase by a test in advance. However, such a test is not necessary if the output power of the DC / RF converter 12b (DC / AC converter) is controlled to be lowered with a constant gain.
  • the AC power received by the power receiver 23 is used for charging the battery 22 of the vehicle. Therefore, the charging time of the battery 22 can be shortened as compared with the case where the power suppression control is performed by setting the power suppression amount when the delay phase is generated to the same as when the advance phase is generated.
  • the embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example. ⁇
  • the power transmission side controller 15 performs power suppression control, instead of controlling the DC / RF converter 12b to directly lower the power value of the output power of the DC / RF converter 12b, the upper limit power value is output as the current output. The power value may be changed to a smaller value. Then, the DC / RF converter 12b may be controlled so that the output power value of the DC / RF converter 12b is smaller than the upper limit power value.
  • the power transmission side controller 15 reduces the output power of the DC / RF converter 12b by a gain set for each of the delayed phase power suppression mode and the advanced phase power suppression mode.
  • control is performed so that the power suppression amount becomes small with a small gain.
  • the power transmission side controller 15 does not control the output power of the DC / RF converter 12b to be lowered by a constant gain, for example, for each phase difference of delay phase and output power value.
  • the amount of power suppression may be set in advance.
  • the output power of the DC / RF converter 12b may be controlled so as to be the value.
  • the phase difference detection circuit 18 as a phase difference detection unit is omitted, and the detection signals of the voltage zero-cross detection circuit 16 and the current zero-cross detection circuit 17 are processed by a microcomputer to determine the leading phase and the lagging phase and detect the phase difference You may make it perform.
  • a microcomputer for example, the microcomputer of the power transmission side controller 15 is used.
  • an AC / DC converter having a power factor improving function may be provided.
  • condenser 14b was provided in the power transmission device 14, and the secondary side capacitor
  • magnetic field resonance is performed using the parasitic capacitance of the primary coil 14a and the parasitic capacitance of the secondary coil 23a.
  • External power is not limited to AC power from the system power supply E, and DC power having a predetermined power value may be input.
  • a DC / DC converter may be provided instead of the AC / DC converter 12a. In this case, the DC / DC converter becomes the external power converter.
  • the non-contact power transmission device 10 is used not only for charging the battery 22 mounted on the vehicle, but also for charging a battery mounted on a mobile body equipped with a battery, for example, a self-propelled robot. It may be a thing.
  • the resonance frequency of the power transmitter 14 and the resonance frequency of the power receiver 23 are set to be the same.
  • the present invention is not limited to this, and may be different within a range where power transmission is possible.
  • magnetic field resonance is used in order to realize non-contact power transmission.
  • the present invention is not limited to this, and electromagnetic induction may be used.
  • the AC power received by the power receiver 23 is used for charging the battery 22 of the vehicle, but is not limited thereto, and may be used for other purposes.

Abstract

送電機器は、DC/AC変換部を有する交流電源、1次側コイル、及び制御部を備える。送電機器は、電圧ゼロクロス検出回路、電流ゼロクロス検出回路、及び位相差検出部を備える。制御部は、位相差検出部において位相差を検出した場合に、DC/AC変換部の出力電力を抑制する電力抑制制御を行う。電力抑制制御は、位相差検出部において進み位相が検出された場合の進み位相電力抑制モードと、位相差検出部において遅れ位相が検出された場合の遅れ位相電力抑制モードとを備える。遅れ位相電力抑制モードにおける電力抑制量は、進み位相電力抑制モードにおける電力抑制量よりも小さく設定される。

Description

送電機器
 本発明は送電機器に関する。
 電源コードや送電ケーブルを用いない非接触電力伝送装置が知られている。非接触電力伝送装置は、送電機器と受電機器とを備えている。例えば、送電機器は、予め定められた周波数の交流電力を出力する交流電源、及び当該交流電力が入力される1次側コイルを有する。受電機器は、1次側コイルから非接触で交流電力を受電可能な2次側コイルを有する。例えば特許文献1参照。かかる非接触電力伝送装置においては、1次側コイルと2次側コイルとが磁場共鳴することにより、送電機器から受電機器に非接触で交流電力が伝送される。
特開2009-106136号公報
 送電機器(交流電源)は、通常、系統電力を1次側直流電力に変換するAC/DC変換部と、1次側直流電力を交流電力に変換するDC/RF変換部(DC/AC変換部)とを備えている。そして、1次側コイル以降の負荷条件により、DC/RF変換部の出力電圧と出力電流との間に位相差(位相ずれ)が発生する。位相差が発生すると、DC/RF変換部の電力損失が増加し、DC/RF変換部の発熱量が増大する。そのため、DC/RF変換部が発熱により損傷する虞がある。発熱によるDC/RF変換部の損傷を防ぐために、DC/RF変換部の出力電力を抑制することが考えられる。
 また、DC/RF変換部の電力損失の大きさは、送電機器で発生する位相差によって変わる。具体的には、遅れ位相が生じている場合、進み位相が生じている場合に比べて、DC/RF変換部の電力損失が小さい。位相差のみに基づいて電力を抑制すると、電力損失の小さい遅れ位相の場合でも進み位相の場合と同様に電力を抑制することになる。その結果、抑制された電力に起因して、例えば、車両用給電装置では充電時間が増加してしまう。
 本発明の目的は、出力電圧と出力電流との間の位相差に基づいて電力抑制を行い、遅れ位相が生じている場合にも適切な電力抑制を行うことができる送電機器を提供することにある。
 上記課題を解決する送電機器は、2次側コイル及び負荷を有する受電機器の2次側コイルに対して非接触で交流電力を送電するように構成されている。送電機器は、DC/AC変換部を有する交流電源であって、該DC/AC変換部が、外部電力を予め定められた周波数の交流電力に変換するスイッチング素子を有する交流電源と、前記交流電力が入力される1次側コイルと、前記交流電源を制御するように構成された制御部と、前記DC/AC変換部における電圧のゼロクロスを検出するように構成された電圧ゼロクロス検出回路と、前記DC/AC変換部における電流のゼロクロスを検出するように構成された電流ゼロクロス検出回路と、前記電圧ゼロクロス検出回路からの検出信号と、前記電流ゼロクロス検出回路からの検出信号とを比較することにより位相差を検出するように構成された位相差検出部と、を備える。前記制御部は、前記位相差検出部において位相差を検出した場合に、前記DC/AC変換部の出力電力を抑制する電力抑制制御を行う。前記電力抑制制御は、前記位相差検出部において進み位相が検出された場合の進み位相電力抑制モードと、前記位相差検出部において遅れ位相が検出された場合の遅れ位相電力抑制モードとを備える。前記遅れ位相電力抑制モードにおける電力抑制量は、前記進み位相電力抑制モードにおける電力抑制量よりも小さく設定される。
送電機器及び非接触電力伝送装置のブロック図。 (a)は進み位相が生じている場合の出力電圧及び出力電流の波形図、(b)は位相差が生じていない場合の出力電圧及び出力電流の波形図、(c)は遅れ位相が生じている場合の出力電圧及び出力電流の波形図。 電力抑制量算出制御処理を示すフローチャート。
 以下、本発明を車両(移動体)への電力伝送に適用した一実施形態を図1~図3にしたがって説明する。
 図1に示すように、非接触電力伝送装置10は、非接触で電力伝送可能に構成された送電機器11及び受電機器21を備えている。送電機器11は地上に設けられており、受電機器21は車両に搭載されている。
 送電機器11は、交流電源12と、フィルタ13と、送電器14と、交流電源12を制御するように構成された制御部としての送電側コントローラ15とを備えている。
 送電側コントローラ15は、例えば、1つ以上の専用のハードウェア回路、及び/又は、コンピュータプログラム(ソフトウェア)に従って動作する1つ以上のプロセッサ(制御回路)によって実現することができる。即ち、送電側コントローラ15は、所望の処理を実行するようにプログラムされた電気回路(circuitry)を有する電子制御装置によって実現することができる。プロセッサは、CPU並びに、RAM及びROM等のメモリを有する。メモリは、処理をプロセッサに実行させるように構成されたプログラムコードまたは指令を格納している。メモリすなわちコンピュータ可読媒体は、汎用または専用のコンピュータでアクセスできるあらゆる利用可能な媒体を含む。
 交流電源12は、予め定められた周波数の交流電力を出力可能に構成されている。詳述すると、交流電源12は、外部電力変換部としてのAC/DC変換器12aと、DC/AC変換部としてのDC/RF変換器12bとを備えている。AC/DC変換器12aは、系統電源Eから入力される外部電力としての系統電力を予め定められた電圧値の直流電力に変換するように構成されている。DC/RF変換器12bは、スイッチング素子12baを有し、前記直流電力を予め定められた周波数の交流電力に変換するように構成されている。スイッチング素子12baは、例えば、周期的にオンオフ動作を行うことにより、直流電力を交流電力に変換する。すなわち、交流電源12は、外部電力を予め定められた周波数の交流電力に変換するように構成されたDC/AC変換部を有する。
 交流電源12から出力された交流電力は、非接触で受電機器21に伝送され、受電機器21に設けられたバッテリ22の充電に用いられる。具体的には、非接触電力伝送装置10は、送電機器11及び受電機器21間の電力伝送を行うものとして、送電機器11に設けられた送電器14と、受電機器21に設けられた受電器23とを備えている。受電機器21は、受電器23によって受電される交流電力を整流し、その整流された直流電力を出力する整流器24を備えている。
 受電機器21は、送電側コントローラ15と無線通信可能に構成された受電側コントローラ25を備えている。非接触電力伝送装置10は、送電側コントローラ15及び受電側コントローラ25間の情報のやり取りを通じて、電力伝送の開始又は終了などの制御を行う。
 送電器14及び受電器23は互いに同一の構成を有し、両者は磁場共鳴可能に構成されている。詳細には、送電器14は、互いに並列に接続された1次側コイル14a及び1次側コンデンサ14bを含む共振回路を有している。1次側コイル14aには交流電源12から出力される交流電力が入力される。受電器23は、互いに並列に接続された2次側コイル23a及び2次側コンデンサ23bを含む共振回路を有している。両共振回路の共振周波数は同一に設定されている。すなわち、送電機器11は、1次側コイル14aから、2次側コイル23a及び負荷(バッテリ22)を有する受電機器21の2次側コイル23aに対して非接触で交流電力を送電可能に構成されている。
 送電機器11は、電圧ゼロクロス検出回路16と、電流ゼロクロス検出回路17と、位相差検出部としての位相差検出回路18とを備えている。電圧ゼロクロス検出回路16は、DC/RF変換器12b(DC/AC変換部)における電圧すなわち出力電圧のゼロクロスを検出するように構成されている。電流ゼロクロス検出回路17は、電圧ゼロクロス検出回路16。電流すなわち出力電流のゼロクロスを検出するように構成されている。電圧ゼロクロス検出回路16及び電流ゼロクロス検出回路17は、DC/RF変換器12bとフィルタ13との間に設けられている。位相差検出回路18は、電圧ゼロクロス検出回路16からの検出信号と、電流ゼロクロス検出回路17からの検出信号とを比較することにより位相差を検出するように構成されている。
 送電側コントローラ15は、位相差検出回路18の出力信号を入力し、位相差検出回路18において位相差を検出した場合に、DC/RF変換器12bの出力電力を抑制する電力抑制制御を行うように構成されている。送電側コントローラ15は、電力抑制制御を行う場合の電力抑制制御モードとして、位相差検出回路18において進み位相が検出された場合の進み位相電力抑制モードと、位相差検出回路18において遅れ位相が検出された場合の遅れ位相電力抑制モードとを備えている。遅れ位相電力抑制モードにおける電力抑制量は、進み位相電力抑制モードにおける電力抑制量よりも小さく設定される。
 この実施形態では、送電側コントローラ15は、電力抑制制御の際に、現在の電力値を下げるようにDC/RF変換器12b(DC/AC変換部)の出力電力を制御するように構成されている。送電側コントローラ15は、電力抑制制御の際に、DC/RF変換器12bの出力電力を一定のゲインで下げるようにDC/RF変換器12bを制御するように構成されている。すなわち、送電側コントローラ15は、現在の電力値に予め設定された比例定数を掛けて制御量を算出するように構成されている。そして、遅れ位相電力抑制モードにおけるゲインは、進み位相電力抑制モードにおけるゲインより小さく設定されている。
 次に前記のように構成された非接触電力伝送装置10及び送電機器11の作用を説明する。
 バッテリ22の充電を行う場合、送電側コントローラ15は、DC/RF変換器12bの出力電力が予め設定された電力値となるようにスイッチング素子12baを制御する。DC/RF変換器12bの出力電圧と出力電流との位相状態として、進み位相の状態、位相差のない状態、及び遅れ位相の状態がある。図2(a)に示す進み位相の状態では、出力電圧の位相に対して出力電流の位相が進んでいる。位相差のない状態は、図2(b)に示されている図2(c)に示す遅れ位相の状態では、出力電圧の位相に対して出力電流の位相が遅れている。
 電圧ゼロクロス検出回路16によりDC/RF変換器12bの出力電圧のゼロクロスが検出され、電流ゼロクロス検出回路17によりDC/RF変換器12bの出力電流のゼロクロスが検出される。
 位相差検出回路18は、電圧ゼロクロス検出回路16からの検出信号と、電流ゼロクロス検出回路17からの検出信号とを比較し、位相パルスを生成してその検出信号を送電側コントローラ15に出力する。図2(a),図2(b),及び図2(c)に示すように、位相パルスのパルス幅Wは、電圧波形の立ち下がりと、電流波形の立ち上がり部がゼロとなる点の間隔である。図2(a)に示すように、進み位相では、位相パルスのパルス幅Wは、周期Tpの半分(1/2)より小さくなり、図2(b)に示すように、位相差が無い場合、位相パルスのパルス幅Wは、周期Tpの半分と同じになる。また、図2(c)に示すように、遅れ位相は、位相パルスのパルス幅Wは、周期Tpの半分(1/2)より大きくなる。
 送電側コントローラ15は、位相差検出回路18において位相差が検出された場合に、DC/RF変換器12bの出力電力を抑制する電力抑制制御を行う。詳述すると、送電側コントローラ15は、位相差検出回路18において進み位相が検出された場合と、遅れ位相が検出された場合とで、電力抑制量が異なるように電力抑制制御を行う。すなわち、送電側コントローラ15は、位相差検出回路18において進み位相が検出された場合には進み位相電力抑制モードで電力抑制制御を行い、位相差検出回路18において遅れ位相が検出された場合には遅れ位相電力抑制モードで電力抑制制御と行う。
 次に図3のフローチャートにしたがって送電側コントローラ15の電力抑制量算出手順を説明する。送電側コントローラ15は、電力伝送時には、図3のフローチャートによる制御を所定周期で繰り返す。
 送電側コントローラ15は、ステップS1で位相パルスのパルス幅を演算し、ステップS2でパルス幅が周期の半分と等しいか否かの判断を行う。送電側コントローラ15は、ステップS2でパルス幅が周期の半分に等しくなければステップS3に進み、ステップS3でパルス幅が周期の半分より小さいか否かを判断する。送電側コントローラ15は、ステップS3でパルス幅が周期の半分より小さくなければステップS4に進み、ステップS4で遅れ位相が生じていると判断した後、ステップS5へ進む。送電側コントローラ15は、ステップS5で位相差を算出した後、ステップS6に進み、ステップS6で遅れ位相電力抑制モードで電力抑制制御を行う際の電力抑制量を算出する。
 電力抑制量の算出は、現在のDC/RF変換器12bの出力電力を一定のゲインで下げるように、現在の出力電力値に予め設定された比例定数を掛けて制御量を算出する。比例定数として遅れ位相用の比例定数が使用される。次に送電側コントローラ15は、ステップS7に進み、電力指示を出力する。そして、ステップS6で算出された電力抑制量となるように、DC/RF変換器12bのスイッチング素子12baのスイッチング制御が行われる。
 送電側コントローラ15は、ステップS2でパルス幅が周期の半分に等しければステップS8に進み、ステップS8で位相差が無いと判断した後、ステップS9へ進む。送電側コントローラ15は、ステップS9で電力抑制無し、すなわち電力抑制制御を行わないとして、ステップS7へ進み、現在の出力電力が継続されるように、DC/RF変換器12bのスイッチング素子12baのスイッチング制御が行われる。
 送電側コントローラ15は、ステップS3でパルス幅が周期の半分より小さければステップS10へ進み、ステップS10で進み位相が生じていると判断した後、ステップS11へ進む。送電側コントローラ15は、ステップS11で位相差を算出した後、ステップS12に進み、ステップS12で進み位相電力抑制モードで電力抑制制御を行う際の電力抑制量を算出する。電力抑制量の算出は、現在のDC/RF変換器12bの出力電力を一定のゲインで下げるように、現在の出力電力値に予め設定された比例定数を掛けて制御量を算出する。比例定数として進み位相用の比例定数が使用される。次に送電側コントローラ15は、ステップS7に進み、電力指示を出力する。そして、ステップS12で算出された電力抑制量となるように、DC/RF変換器12bのスイッチング素子12baのスイッチング制御が行われる。
 この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
 (1)送電機器11は、DC/AC変換部(DC/RF変換器12b)を有する交流電源12を備える。DC/RF変換器12bは、外部電力を予め定められた周波数の交流電力に変換するスイッチング素子12baを有する。送電機器11は、前記交流電力が入力される1次側コイル14aを備える。送電機器11は、1次側コイル14aから2次側コイル23a及び負荷(バッテリ22)を有する受電機器21の2次側コイル23aに対して非接触で交流電力を送電可能に構成されている。
 送電機器11は、制御部(送電側コントローラ15)、電圧ゼロクロス検出回路16、電流ゼロクロス検出回路17、及び位相差検出部(位相差検出回路18)を備えている。
 送電側コントローラ15は、交流電源12を制御するように構成されている。電圧ゼロクロス検出回路16は、DC/RF変換器12bにおける電圧のゼロクロスを検出するように構成されている。電流ゼロクロス検出回路17は、DC/RF変換器12bにおける電流のゼロクロスを検出するように構成されている。位相差検出回路18は、電圧ゼロクロス検出回路16からの検出信号と、電流ゼロクロス検出回路からの検出信号とを比較することにより位相差を検出するように構成されている。送電側コントローラ15は、位相差検出回路18において位相差が生じている場合に、DC/RF変換器12bの出力電力を抑制する電力抑制制御を行うように構成されている。
 また、電力抑制制御は、位相差検出回路18において進み位相が検出された場合の進み位相電力抑制モードと、位相差検出回路18において遅れ位相が検出された場合の遅れ位相電力抑制モードとを備える。遅れ位相電力抑制モードにおける電力抑制量は、進み位相電力抑制モードにおける電力抑制量よりも小さく設定される。
 この構成によれば、位相進みが生じている場合と比較して、DC/RF変換器12bの電力損失が小さい遅れ位相が生じている場合、電力抑制制御において、進み位相の場合に比べて電力抑制量が小さくなるように制御される。したがって、出力電圧と出力電流の位相差によって電力抑制を行い、遅れ位相が生じている場合にも適切な電力抑制を行うことができる。
 (2)送電側コントローラ15は、電力抑制制御の際に、現在の電力値を下げるようにDC/RF変換器12bの出力電力を制御する。電力抑制制御として、DC/RF変換器12bの出力電力の上限値を下げて、間接的に出力電力を下げる方法もある。しかし、現在の電力値を下げるようにDC/RF変換器12bの出力電力を制御する方が、出力電力が直ぐに抑制される。
 (3)送電側コントローラ15は、電力抑制制御の際に、DC/RF変換器12b(DC/AC変換部)の出力電力を一定のゲインで下げるように制御する。電力抑制制御の際に、例えば、遅れ位相の位相差及び出力電力値毎に電力抑制量を予め設定しておき、その値となるようにDC/RF変換器12bの出力電力を制御する方法もある。その場合は、予め試験により遅れ位相の位相差及び出力電力値毎に電力抑制量を求める必要がある。しかし、DC/RF変換器12b(DC/AC変換部)の出力電力を一定のゲインで下げるように制御すれば、そのような試験を行う必要はない。
 (4)受電器23にて受電された交流電力は、車両のバッテリ22の充電に用いられる。したがって、遅れ位相が生じている場合の電力抑制量を進み位相が生じている場合と同じにして電力抑制制御を行う場合に比べて、バッテリ22の充電時間を短縮することができる。
 実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
 ○ 送電側コントローラ15が電力抑制制御を行う場合、DC/RF変換器12bの出力電力の電力値を直接下げるように、DC/RF変換器12bを制御する代わりに、上限電力値を現在の出力電力値より小さな値に変更してもよい。そして、DC/RF変換器12bの出力電力値が上限電力値より小さくなるよう、DC/RF変換器12bを制御するようにしてもよい。
 ○ 送電側コントローラ15は、電力抑制制御の際に、DC/RF変換器12bの出力電力を、遅れ位相電力抑制モード及び進み位相電力抑制モードに対してそれぞれ一つ設定されたゲインで下げるように制御する代わりに、位相差の大きさによって異なるゲインを選択して、電力抑制量を調整可能としてもよい。例えば、ゲインを遅れ位相電力抑制モード及び進み位相電力抑制モードに対してそれぞれ2つ設け、位相差が予め設定された値より大きい場合、大きなゲインで電力抑制量が大きくなるように制御し、位相差が予め設定された値以下の場合、小さなゲインで電力抑制量が小さくなるように制御する。
 ○ 送電側コントローラ15は、電力抑制制御の際に、DC/RF変換器12bの出力電力を、一定のゲインで下げるように制御する代わりに、例えば、遅れ位相の位相差及び出力電力値毎に電力抑制量を予め設定してもよい。そして、電力抑制制御の際に、その値となるようにDC/RF変換器12bの出力電力を制御するようにしてもよい。
 ○ 位相差検出部としての位相差検出回路18を省略し、電圧ゼロクロス検出回路16及び電流ゼロクロス検出回路17の検出信号をマイコンで処理して、進み位相及び遅れ位相の判断や位相差の検出を行うようにしてもよい。マイコンは、例えば、送電側コントローラ15のマイコンが使用される。
 ○ AC/DC変換部として単純なAC/DC変換器12aに代えて、力率改善機能を備えたAC/DC変換部を設けてもよい。
 ○ 送電器14に1次側コンデンサ14bを設け、受電器23に2次側コンデンサ23bを設けたが、これらを省略してもよい。この場合、1次側コイル14aの寄生容量及び2次側コイル23aの寄生容量を用いて磁場共鳴させる。
 ○ 外部電力は系統電源Eからの交流電力に限らず、予め定められた電力値の直流電力が入力されてもよい。この場合、AC/DC変換器12aに代えて、DC/DCコンバータを設けてもよい。この場合、DC/DCコンバータが外部電力変換部となる。
 ○ 非接触電力伝送装置10は、車両に搭載されたバッテリ22の充電に使用するものに限らず、バッテリを備えた移動体、例えば、自走式のロボットに搭載されたバッテリの充電に使用するものであってもよい。
 ○ 実施形態では、送電器14の共振周波数と受電器23の共振周波数とは同一に設定されていたが、これに限られず、電力伝送が可能な範囲内で両者を異ならせてもよい。
 ○ 実施形態では、非接触の電力伝送を実現させるために磁場共鳴を用いたが、これに限られず、電磁誘導を用いてもよい。
 ○ 実施形態では、受電器23にて受電された交流電力は車両のバッテリ22の充電に用いられたが、これに限られず、別の用途に用いてもよい。

Claims (4)

  1.  2次側コイル及び負荷を有する受電機器の2次側コイルに対して非接触で交流電力を送電するように構成された送電機器であって、
     DC/AC変換部を有する交流電源であって、該DC/AC変換部が、外部電力を予め定められた周波数の交流電力に変換するスイッチング素子を有する交流電源と、
     前記交流電力が入力される1次側コイルと、
     前記交流電源を制御するように構成された制御部と、
     前記DC/AC変換部における電圧のゼロクロスを検出するように構成された電圧ゼロクロス検出回路と、
     前記DC/AC変換部における電流のゼロクロスを検出するように構成された電流ゼロクロス検出回路と、
     前記電圧ゼロクロス検出回路からの検出信号と、前記電流ゼロクロス検出回路からの検出信号とを比較することにより位相差を検出するように構成された位相差検出部と、
    を備え、
     前記制御部は、前記位相差検出部において位相差を検出した場合に、前記DC/AC変換部の出力電力を抑制する電力抑制制御を行い、
     前記電力抑制制御は、前記位相差検出部において進み位相が検出された場合の進み位相電力抑制モードと、前記位相差検出部において遅れ位相が検出された場合の遅れ位相電力抑制モードと、を備え、
     前記遅れ位相電力抑制モードにおける電力抑制量は、前記進み位相電力抑制モードにおける電力抑制量よりも小さく設定される、送電機器。
  2.  前記制御部は、前記電力抑制制御の際に、現在の電力値を下げるように前記DC/AC変換部の出力電力を制御するように構成されている、請求項1に記載の送電機器。
  3.  前記制御部は、前記電力抑制制御の際に、前記DC/AC変換部の出力電力を一定のゲインで下げるように構成されている、請求項2に記載の送電機器。
  4.  前記送電機器は、移動体に搭載されたバッテリに受電機器を介して非接触で充電を行うように構成されている、請求項1~請求項3の何れか一項に記載の送電機器。
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