JP5826864B2 - 電力伝送装置及び電力伝送方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁誘導により非接触に電力授受を行う電力伝送装置及び電力伝送方法の技術分野に関する。
この種の装置として、例えば、
１次コイルと２次コイルとの間の距離及び結合係数が標準状態で、インバータ出力の力率が１に近くなるように、共振コンデンサの容量及び駆動周波数が設定されている装置が提案されている（特許文献１参照）。
特開２０００−２４５０７７号公報
しかしながら、上述の背景技術では、１次コイルと２次コイルとの間の距離が標準状態よりも離れてしまうと、電圧位相と電流位相との位相差が標準状態からずれ、ノイズ及び該ノイズに起因する電力損失が増加する可能性があるという技術的問題点がある。
本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、１次コイルと２次コイルとの間の距離が変化しても、適切に電力伝送を行うことができる電力伝送装置及び電力伝送方法を提供することを課題とする。
本発明の電力伝送装置は、上記課題を解決するために、第１のコイルを備え、前記第１のコイルから受電側装置の第２のコイルへ電力を非接触で伝送する電力伝送装置であって、当該電力伝送装置に入力される直流電圧を交流電圧へ変換する第１の変換回路部と、前記第１のコイルと電気的に直列に接続された第１のコンデンサ部と、前記第１のコイルと前記第１のコンデンサ部とから構成される直列回路と、電気的に並列に接続された第２のコンデンサ部と、前記第１の変換回路部の電気的な特性としての、前記第１の変換回路部の出力電圧の立上り時又は立下り時の前記第１の変換回路部の出力電流値の絶対値が小さいほど、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性としての前記第２のコンデンサ部に係る容量を小さくする、或いは、前記第１の変換回路部の電気的な特性としての前記第１の変換回路部の出力電圧及び出力電流間の位相差に応じて、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性を制御する制御部と、を更に備える。
本発明の電力伝送装置によれば、当該電力伝送装置は、第１のコイル、第１の変換回路部、第１のコンデンサ部、第２のコンデンサ部、及び制御部を備えて構成されている。
第１のコイルは、第２のコイルと空間を隔てて対向して配置される。当該電力伝送装置の駆動時に、第１のコイルに高周波電圧が印加されると、第２のコイルに、第１のコイルに印加された高周波電圧に起因する誘導起電力が発生する。この結果、当該電力伝送装置は、第１のコイルを介して、第２のコイルへ電力を非接触で伝送することができる。
第１の変換回路部は、当該電力伝送装置に入力される直流電圧を交流電圧（典型的には、高周波交流電圧）へ変換する。第１の変換回路部から出力された交流電圧は、第１のコイルに供給される。
第１のコンデンサ部は、典型的には、第１のコイルと第１の変換回路部との間に配置され、第１のコイルと電気的に直列に接続されている。他方、第２のコンデンサ部は、典型的には、第１のコイルと第１のコンデンサ部とから構成される直列回路と、第１の変換回路部との間に配置され、該直列回路と電気的に並列に接続されている。
ここで、本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、電気自動車に搭載されるバッテリの非接触充電を行う非接触給電（充電）システムでは、典型的には、送電側装置（本発明にの電力伝送装置に相当）が地面等に固定され、電気自動車の底部に設置され、バッテリと電気的に接続された受電側コイルを有する受電装置が、該電気自動車に搭載される。ここで、送電側コイル及び受電側コイル間の距離が設定された上で、送電側装置のインバータ出力の力率が１に近づくように、送電側装置の例えば共振コンデンサの容量、駆動周波数等が決定されることが多い。また、インバータの立上り及び立下りに起因するノイズを低減するための部分共振コンデンサの容量も決定されることが多い。
ところで、電気自動車の車高は、例えば車種等によりバラツキがある。すると、実際の送電側コイル及び受電側コイル間の距離が、予め定められた設定値からずれてしまう可能性がある。この結果、何らの対策も採らなければ、例えばインバータの出力電圧と出力電流との位相差が設定値からずれ、インバータの立上り及び立下りに起因するノイズ、及び該ノイズに起因する電力損失が増加する可能性がある。
しかるに本発明では、例えばメモリ、プロセッサ等を備えてなる制御部により、第１の変換回路部の電気的な特性に基づいて、第２のコンデンサ部の電気的な特性が制御される。
具体的には例えば、制御部は、第１の変換回路部の電気的な特性としての、該第１の変換回路の出力電圧の立上り時又は立下り時の該第１の変換回路の出力電流値の絶対値が小さいほど、第２のコンデンサ部の電気的な特性としての該第２のコンデンサ部に係る容量が小さくする。或いは、制御部は、第１の変換回路の電気的な特性としての該第１の変換回路の出力電圧及び出力電流間の位相差に応じて、第２のコンデンサ部の電気的な特性を制御する。
この結果、当該電力伝送装置では、第１のコイルと第２のコイルとの間の距離が変化した場合であっても、インバータの立上り及び立下りに起因するノイズ、及び該ノイズに起因する電力損失の発生を抑制することができる。従って、本発明の電力伝送装置によれば、第１のコイルと第２のコイルとの間の距離が変化しても、適切に電力伝送を行うことができる。
本発明の電力伝送方法は、上記課題を解決するために、第１のコイルを備え、前記第１のコイルから受電側装置の第２のコイルへ電力を非接触で伝送する電力伝送装置であって、当該電力伝送装置に入力される直流電圧を交流電圧へ変換する第１の変換回路部と、前記第１のコイルと電気的に直列に接続された第１のコンデンサ部と、前記第１のコイルと前記第１のコンデンサ部とから構成される直列回路と、電気的に並列に接続された第２のコンデンサ部と、を更に備える電力伝送装置における電力伝送方法であって、前記第１の変換回路部の電気的な特性としての、前記第１の変換回路部の出力電圧の立上り時又は立下り時の前記第１の変換回路部の出力電流値の絶対値が小さいほど、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性としての前記第２のコンデンサ部に係る容量を小さくする、或いは、前記第１の変換回路部の電気的な特性としての前記第１の変換回路部の出力電圧及び出力電流間の位相差に応じて、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性を制御する制御工程を備える。
本発明の電力伝送方法によれば、上述した本発明の電力伝送装置と同様に、第１のコイルと第２のコイルとの間の距離が変化しても、適切に電力伝送を行うことができる。
尚、本発明の電力伝送方法においても、上述した本発明の電力伝送方法の各種態様と同様の各種態様を採ることができる。
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。
第１実施形態に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。 ソフトスイッチング動作を説明するための概念図である。 インバータ電圧とインバータ電流との関係を、コイル間ギャップ毎に示す概念図である。 電流位相の周波数特性の一例である。 電圧、電流及びスイッチング信号各々の実測値の一例である。 電圧、電流及びスイッチング信号各々の実測値の他の一例である。 電圧、電流及びスイッチング信号各々の実測値の他の一例である。 第２実施形態に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。 インバータ電流値の絶対値と部分共振コンデンサの容量との関係を定めるマップの一例である。 第２実施形態の変形例に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。
以下、本発明の電力伝送装置の実施形態について、図面に基づいて説明する。
＜第１実施形態＞
本発明の電力伝送装置の第１実施形態について、図１乃至図７を参照して説明する。
本実施形態に係る電力伝送装置の構成について、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。
図１において、電力伝送装置１００は、交流電源１０１、コンバータ１０２、インバータ１０３、共振コンデンサ１０４、１次（給電）コイル１０５、部分共振コンデンサ１０６、制御回路１２０、電流センサ１２１及び電圧センサ１２２を備えて構成されている。
コンバータ１０２は、例えば家庭電源、商用電源等である交流電源１０１から出力された交流電圧を、直流電圧に変換する。ここで、コンバータ１０２は、必要な伝送電力量に応じて、出力電圧若しくは出力電流を可変調節する機能を有している。
インバータ１０３は、コンバータ１０２から出力された直流電圧を、高周波交流電圧に変換する。ここで、インバータ１０３は、共振コンデンサ１０４と１次コイル１０５と共に、電流共振インバータ１１０を構成している。尚、インバータ１０３は、例えばハーフブリッジインバータであってもよいし、フルブリッジインバータであってもよい。
電力伝送装置１００には特に、部分共振（電圧共振）コンデンサ１０６が電気的に接続されている。インバータ電圧の立上り及び立下りの際に、部分共振コンデンサ１０６を充放電することによって、インバータ電圧の立上り出力及び立下り出力の傾き（ｄｖ／ｄｔ）を緩やかにし、インバータ電圧の立上り及び立下りの際のノイズを低減することができる。
電流共振インバータ１１０に係る駆動周波数は、１次コイル１０５に係る（即ち、１次コイル１０５と共振コンデンサ１０４とで構成される直列共振回路に係る）共振周波数よりも高く設定されている。つまり、電流共振インバータ１１０は、１次コイル１０５に係る共振周波数よりも高い周波数領域（インダクタンス領域）で駆動することとなる。このため、ゼロ電圧、ゼロ電流のソフトスイッチングとなり、インバータ１０３のスイッチング損失を大幅に低減することが可能となる。
ここで、ソフトスイッチングについて、図２を参照して説明を加える。図２は、ソフトスイッチング動作を説明するための概念図である。
上述の如く、電流共振インバータ１１０は、インダクタンス領域で駆動するので、図２（ｂ）上段に示すように、インバータ電流の位相は、インバータ電圧の位相に対して遅れることとなる。時刻ｔ１から時刻ｔ２までの期間（即ち、スイッチングのデッドタイム）には、部分共振コンデンサ１０６と電圧共振が生じる（図２（ａ）の点線矢印（ｉ）参照）。
この結果、例えばインバータ１０３のハイ（Ｂ）側のスイッチがオンとなるタイミング（時刻ｔ３）（スイッチング信号（Ｂ）参照）では、スイッチ両端の電圧がゼロとなり、且つ電流もゼロとなる。このため、スイッチングに起因する損失・ノイズを抑制することができる。
尚、時刻ｔ２から時刻ｔ３までの期間には、図２（ａ）の一点鎖線矢印（ｉｉ）のように、交流電源１０１に向かって還流電流が流れる。この還流電流に起因して、スイッチングに起因する損失・ノイズが生じる。また、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの期間には、図２（ａ）の破線矢印（ｉｉｉ）のように、電流が流れる。
再び図１に戻り、受電側装置２００は、例えばバッテリ等の負荷２０１、整流回路２０２、２次共振コンデンサ２０３及び２次（受電）コイル２０４を備えて構成されている。尚、受電側装置２００は、例えば電気自動車等に搭載されている。
２次コイル２０４には、１次コイル１０５に高周波電圧が印加された際に、該１次コイル１０５に印加された高周波電圧に起因する誘導起電力が発生する。整流回路２０２は、２次コイル２０４から出力される高周波電圧を直流に変換する。
尚、本実施形態に係る「１次コイル１０５」、「２次コイル２０４」、「インバータ１０３」、「共振コンデンサ１０４」、「部分共振コンデンサ１０６」及び「電流共振インバータ１１０」は、夫々、本発明に係る「第１のコイル」、「第２のコイル」、「第１の変換回路部」、「第１のコンデンサ部」、「第２のコンデンサ部」及び「第２の変換回路部」の一例である。
従来は、１次コイル１０５と２次コイル２０４との間の距離（即ち、コイル間ギャップ）が設定され、該設定された距離において、インバータ出力の力率が１に近づくように、共振コンデンサ１０４の容量、駆動周波数等が決定されると共に、ノイズを低減するための部分共振コンデンサ１０６の容量が固定値として決定されることが多い。
より具体的には、部分共振コンデンサ１０６の容量は、例えば図３（ｂ）における時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間、及び時刻ｔ５から時刻ｔ７までの期間において、最適な電圧共振になるように（言い換えれば、還流電流が生じないように）、決定される。
しかしながら、１次コイル１０５と２次コイル２０４との間の距離が設定値からずれてしまうと、インバータ電圧とインバータ電流との位相差が、例えば図３（ｃ）のように、変化してしまう。すると、インバータ電圧の立上り及び立下りの傾き（ｄｖ／ｄｔ）（つまり、電圧共振に係るｄｖ／ｄｔ）が急峻になり、還流電流が増加してしまう（図３（ｃ）では、時刻ｔ２から時刻ｔ４までの期間、及び時刻ｔ６から時刻ｔ８までの期間において、還流電流が流れる）。この結果、ノイズ、及び該ノイズに起因する電力損失が増加する。
尚、コイル間ギャップが大きくなるほど（即ち、結合係数が小さくなるほど）、インバータ電流の位相が大きくなる（即ち、インバータ電流の位相がインバータ電圧の位相よりも遅くなる）（図４参照）。
しかるに本実施形態では、部分共振コンデンサ１０６が、例えばバリキャップ等の可変容量コンデンサにより構成されている（図１参照）。そして、制御回路１２０は、電流センサ１２１及び電圧センサ１２２各々の出力から、インバータ電圧とインバータ電流との位相差を求め、該求められた位相差に応じて、部分共振コンデンサ１０６の容量を制御する。
具体的には、制御回路１２０は、インバータ電流の位相が、インバータ電圧の位相よりも遅くなるほど（即ち、位相差が大きくなるほど）、部分共振コンデンサ１０６の容量が大きくなるように、該部分共振コンデンサ１０６の容量を制御する。
この結果、コイル間ギャップの変化に起因するインバータ電圧の立上り及び立下りの傾き（ｄｖ／ｄｔ）と還流電流とを抑制することができる。従って、インバータ電圧の立上り及び立下りの傾き（ｄｖ／ｄｔ）の悪化と還流電流に起因するノイズ及び該ノイズに起因する電力損失とを抑制しつつ電力伝送を行うことができる。
ここで、本実施形態に係る電力伝送装置１００の効果を、図５乃至図７を参照して、より具体的に説明する。図５乃至図７は、電圧、電流及びスイッチング信号各々の実測値の一例である。
先ず、コイル間ギャップが１００ｍｍ（インバータ電圧とインバータ電流との位相差が２５度）である場合、電圧共振が最適化されるように、部分共振コンデンサ１０６の容量が１４０００ｐＦ（ピコファラド）に設定されたとする。この場合、インバータ電圧及びインバータ電流各々の波形は、図５のようになる。
部分共振コンデンサ１０６の容量が１４０００ｐＦに設定された状態で、コイル間ギャップが１４０ｍｍに変化すると、図６に示すように、インバータ電圧とインバータ電流との位相差が６０度になる。図６に示すように、インバータ電圧の立上り及び立下り各々の傾きが、図５におけるインバータ電圧の立上り及び立下り各々の傾きよりも急峻になっている。加えて、インバータ電流に係るノイズが大幅に増加していることがわかる。
次に、インバータ電圧とインバータ電流との位相差に応じて、部分共振コンデンサ１０６の容量が、１４０００ｐＦから４１０００ｐＦに変更されると、図７に示すように、インバータ電流に係るノイズを低減することができる。
本発明に係る「制御回路１２０」、「インバータ電圧とインバータ電流との位相差」及び「部分共振コイル１０６の容量」は、夫々、本発明に係る「制御部」、「第１の変換回路部の電気的な特性」及び「第２のコンデンサ部の電気的な特性」の一例である。
＜第２実施形態＞
本発明の電力伝送装置に係る第２実施形態を、図８を参照して説明する。第２実施形態では、構成が一部異なる以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第２実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ図８を参照して説明する。図８は、図１と同趣旨の、第２実施形態に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。
図８に示すように、本実施形態に係る電力伝送装置１５０は、電圧センサ１２２（図１参照）を有していない。
制御回路１２０は、インバータ１０３のスイッチング信号と、電流センサ１２１の出力により示されるインバータ電流とを比較して該インバータ電流の位相を検出する。そして、制御回路１２０は、該検出されたインバータ電流の位相に応じて、部分共振コンデンサ１０６の容量を制御する。
具体的には例えば、制御回路１２０は、インバータ１０３のロー（Ｇ）側のスイッチがオフとなるタイミング（例えば図３における時刻ｔ１参照）、又はインバータ１０３のハイ（Ｂ）側のスイッチがオフとなるタイミング（例えば図３における時刻ｔ５参照）におけるインバータ電流値からインバータ電流の位相を検出する。
実践的には、制御回路１２０は、インバータ１０３のロー（Ｇ）側のスイッチがオフとなるタイミング又はインバータ１０３のハイ（Ｂ）側のスイッチがオフとなるタイミングにおけるインバータ電流値に基づいて、例えばインバータ電流値と部分共振コンデンサ１０６の容量との関係を定める関数、或いは、インバータ電流値の絶対値と部分共振コンデンサ１０６の容量との関係を定めるマップ（図９参照）から、部分共振コンデンサ１０６の容量を決定する。
図９に示すように、インバータ電流値の絶対値が大きくなるほど、部分共振コンデンサ１０６の容量は大きくなる。これは、インバータ１０３のロー（Ｇ）側のスイッチがオフとなるタイミング又はインバータ１０３のハイ（Ｂ）側のスイッチがオフとなるタイミングにおけるインバータ電流値が大きくなるほど、インバータ電流の位相が、インバータ電圧の位相に対して、より遅れる（即ち、位相差が大きくなる）からである（例えば、図３（ｂ）及び（ｃ）各々における、時刻ｔ１又は時刻ｔ５のインバータ電流値参照）。
＜変形例＞
次に、第２実施形態に係る電力伝送装置１５０の変形例について、図１０を参照して説明する。図１０は、第２実施形態の変形例に係る電力伝送装置の構成を示すブロック図である。
図１０に示すように、本変形例では、可変容量コンデンサから構成される部分共振コンデンサ１０６に代えて、複数のコンデンサ１１１及び１１２、並びに、複数のスイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２を含んでなる部分共振コンデンサ部１１３が設けられている。尚、本実施形態に係る「部分共振コンデンサ部１１３」は、本発明に係る「第２のコンデンサ部」の他の例である。
制御回路１２０は、インバータ１０３のロー（Ｇ）側のスイッチがオフとなるタイミング又はインバータ１０３のハイ（Ｂ）側のスイッチがオフとなるタイミングにおけるインバータ電流値に基づいて、複数のスイッチ素子ＳＷ１及びＳＷ２を夫々制御することによって、部分共振コンデンサ部１１３に係る容量を制御する。
本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う電力伝送装置及び電力伝送方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
１００、１５０…電力伝送装置、１０１…交流電源、１０２…コンバータ、１０３…インバータ、１０４…共振コンデンサ、１０５…１次コイル、１０６…部分共振コンデンサ、１１０…電流共振インバータ、１１１、１１２…コンデンサ、１１３…部分共振コンデンサ部、１２０…制御回路、１２１…電流センサ、１２２…電圧センサ、２００…受電側装置、２０１…負荷、２０２…整流回路、２０３…２次共振コンデンサ、２０４…２次コイル

Claims (5)

  1. 第１のコイルを備え、前記第１のコイルから受電側装置の第２のコイルへ電力を非接触で伝送する電力伝送装置であって、
    当該電力伝送装置に入力される直流電圧を交流電圧へ変換する第１の変換回路部と、
    前記第１のコイルと電気的に直列に接続された第１のコンデンサ部と、
    前記第１のコイルと前記第１のコンデンサ部とから構成される直列回路と、電気的に並列に接続された第２のコンデンサ部と、
    前記第１の変換回路部の電気的な特性としての、前記第１の変換回路部の出力電圧の立上り時又は立下り時の前記第１の変換回路部の出力電流値の絶対値が小さいほど、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性としての前記第２のコンデンサ部に係る容量を小さくする制御部と、
    を更に備えることを特徴とする電力伝送装置。
  2. 第１のコイルを備え、前記第１のコイルから受電側装置の第２のコイルへ電力を非接触で伝送する電力伝送装置であって、
    当該電力伝送装置に入力される直流電圧を交流電圧へ変換する第１の変換回路部と、
    前記第１のコイルと電気的に直列に接続された第１のコンデンサ部と、
    前記第１のコイルと前記第１のコンデンサ部とから構成される直列回路と、電気的に並列に接続された第２のコンデンサ部と、
    前記第１の変換回路部の電気的な特性としての前記第１の変換回路部の出力電圧及び出力電流間の位相差に応じて、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性を制御する制御部と、
    を更に備えることを特徴とする電力伝送装置。
  3. 前記第２のコンデンサ部は、互いに容量の異なる複数のコンデンサを含んでなり、
    前記制御部は、前記第１の変換回路部の電気的な特性に基づいて、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性としての前記第２のコンデンサ部に係る容量が変化するように、前記複数のコンデンサに係る電気的な接続を制御する
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電力伝送装置。
  4. 第１のコイルを備え、前記第１のコイルから受電側装置の第２のコイルへ電力を非接触で伝送する電力伝送装置であって、当該電力伝送装置に入力される直流電圧を交流電圧へ変換する第１の変換回路部と、前記第１のコイルと電気的に直列に接続された第１のコンデンサ部と、前記第１のコイルと前記第１のコンデンサ部とから構成される直列回路と、電気的に並列に接続された第２のコンデンサ部と、を更に備える電力伝送装置における電力伝送方法であって、
    前記第１の変換回路部の電気的な特性としての、前記第１の変換回路部の出力電圧の立上り時又は立下り時の前記第１の変換回路部の出力電流値の絶対値が小さいほど、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性としての前記第２のコンデンサ部に係る容量を小さくする制御工程を備える
    ことを特徴とする電力伝送方法。
  5. 第１のコイルを備え、前記第１のコイルから受電側装置の第２のコイルへ電力を非接触で伝送する電力伝送装置であって、当該電力伝送装置に入力される直流電圧を交流電圧へ変換する第１の変換回路部と、前記第１のコイルと電気的に直列に接続された第１のコンデンサ部と、前記第１のコイルと前記第１のコンデンサ部とから構成される直列回路と、電気的に並列に接続された第２のコンデンサ部と、を更に備える電力伝送装置における電力伝送方法であって、
    前記第１の変換回路部の電気的な特性としての前記第１の変換回路部の出力電圧及び出力電流間の位相差に応じて、前記第２のコンデンサ部の電気的な特性を制御する制御工程を備える
    ことを特徴とする電力伝送方法。
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