JP6615575B2 - 給電システム - Google Patents

Description

本発明は、給電システムに係り、特に、非接触給電を行う給電システムに関するものである。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が着目されている。このワイヤレス給電技術の一つとして磁界共鳴方式のものが知られている。

この磁界共鳴方式の給電システムは、一対の共振コイルから構成されている。この一対の共振コイルの一方を給電設備の地面に設置し、他方を車両に搭載する。そして、給電設備に設置された共振コイルに交流電力を供給すると、当該共振コイルから車両に搭載された共振コイルに非接触で電力が供給される。車両に搭載した共振コイルは、非接触で供給された電力をバッテリなどの負荷に供給する。

上述した給電システムにおいては、共振コイル間の距離や負荷のインピーダンスが変化すると、交流電源と共鳴系の入力インピーダンスとのマッチングが取れなくなり、交流電源への反射電力が増えるため、電力を効率良く負荷に供給することができなくなる。

そこで、従来より、車両に搭載された共振コイルで反射されて、交流電源に戻ってくる反射電力を求めて、反射電力が閾値以下になるように、車両に搭載された共振コイルと負荷との間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを調整することが考えられている（特許文献１）。また、特許文献１には、反射電力の変化に直接影響するＤＣ／ＤＣコンバータに入力される電流及び電圧の比、即ちインピーダンスの変化に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを調整することも記載されている。

しかしながら、反射電力やインピーダンスに応じて、ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを調整しても効率よく負荷に電力を供給できない、という問題があった。

特許第５４５９０５８号公報

そこで、本発明は、効率よく負荷に電力を供給することができる給電システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の給電システムは、交流電源と、前記交流電源からの電力の供給を受ける１次共振コイルと、前記１次共振コイルからの電力を磁場共鳴して受電する２次共振コイルと、前記２次共振コイル及び当該２次共振コイルからの電力が供給される負荷間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えた給電システムにおいて、前記交流電源に供給される送電電力に対する前記負荷に供給される受電電力の割合であるシステム効率を検出するシステム効率検出手段と、前記システム効率検出手段により検出されたシステム効率に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを調整するデューティ調整手段と、を備える。

前記デューティ調整手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを変化させて、前記システム効率検出手段により検出されたシステム効率が最大となるデューティを求め、当該求めたシステム効率が最大となるデューティに調整するようにしても良い。

前記給電システムは、前記１次共振コイルに入力される電力に対する前記２次共振コイルから出力される電力の割合であるコイル間効率を検出するコイル間効率検出手段をさらに備え、前記デューティ調整手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを変化させて、前記コイル間効率検出手段により検出されたコイル間効率が最大となるデューティを求め、当該求めたコイル間効率が最大となるデューティから当該デューティを小さくし、前記システム効率検出手段により検出されたシステム効率が最大となるデューティを求め、当該求めたシステム効率が最大となるデューティに調整するようにしても良い。

以上説明したように請求項１記載の発明によれば、システム効率に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを調整することにより、効率よく負荷に電力を供給することができる。

請求項２記載の発明によれば、システム効率が最大となるデューティに調整することができ、より一層、効率よく負荷に電力を供給することができる。

請求項３記載の発明によれば、システム効率が最大となるデューティの探索範囲を小さくすることができる。

第１実施形態における本発明の給電システムの一実施形態を示す回路図である。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータの詳細を示す回路図である。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを変化させたときの送電電力、受電電力、システム効率、整流後効率を示すグラフである。 図１に示すＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを変化させたときの送電電力、受電電力、コイル間効率を示すグラフである。 第２実施形態における本発明の給電システムの一実施形態を示す回路図である。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態における本発明の給電システムについて図１を参照して説明する。給電システム１は、地面に配置される送電装置２０と、車両に配置される受電装置３０と、を備えている。上記送電装置２０は、図１に示すように、例えば直流電源４０からの電力を後述する受電装置３０に対して非接触で送電する装置である。

送電装置２０は、図１に示すように、交流電源としての高周波電源２１と、コンデンサＣ１と、１次共振コイルＬ１と、電圧計２２と、電流計２３と、コントローラ２４と、を備えている。高周波電源２１は、上述した直流電源４０から予め定めた共振周波数に等しい周波数の交流電力、例えば数ＭＨｚ程度の高周波電力を出力する。

コンデンサＣ１及び１次共振コイルＬ１は、互いに直列接続されて予め定めた共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、コンデンサＣ１と１次共振コイルＬ１とは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。

電圧計２２は、直流電源４０と高周波電源２１との間に設けられ、高周波電源２１に入力される電圧を検出し、その検出結果を後述するコントローラ２４に送信している。電流計２３は、直流電源４０と高周波電源２１との間に設けられ、高周波電源２１に入力される電流を検出し、その検出結果をコントローラ２４に送信している。

コントローラ２４は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを有するマイクロコンピュータから構成され、送電装置２０全体の制御を司る。コントローラ２４は、電力伝送の要求に応じて、高周波電源２１のオンオフ制御を行う。また、コントローラ２４は、電圧計２２及び電流計２３により検出された電圧及び電流から高周波電源２１に供給される送電電力（＝電圧×電流）を求める。また、コントローラ２４には、図示しない無線部が内蔵され、後述する受電装置３０のコントローラ３５と無線通信可能に設けられている。そして、コントローラ２４は、求めた送電電力を受電装置３０のコントローラ３５に送信する。

受電装置３０は、２次共振コイルＬ２と、コンデンサＣ２と、整流器３１と、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２と、電圧計３３と、電流計３４と、コントローラ３５と、を備えている。２次共振コイルＬ２とコンデンサＣ２とは、互いに直列接続され、予め定めた共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、２次共振コイルＬ２とコンデンサＣ２とは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。

整流器３１は、２次共振コイルＬ２が受電した高周波電力を直流電力に変換する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、整流器３１が変換した直流電力を所望の電圧の直流電力に変換して、車両に搭載されたバッテリ５０に供給する。バッテリ５０は、車両に搭載されたモータなどの動力源となる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、図２に示すように、コイルＬ、ダイオードＤ、ＦＥＴなどのスイッチＳＷから構成される一般的な昇圧型である。ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、スイッチＳＷをオンオフすることによって、入力電圧よりも高い出力電圧を出力する。

電圧計３３は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２とバッテリ５０との間に設けられ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の出力電圧であって、バッテリ５０の入力電圧を検出し、その結果をコントローラ３５に送信している。また、電流計３４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２とバッテリ５０との間に設けられ、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２の出力電流であって、バッテリ５０の入力電流を検出し、その結果をコントローラ３５に送信している。

コントローラ３５は、周知のＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭを有するマイクロコンピュータから構成され、受電装置３０全体の制御を司る。コントローラ３５は、電圧計３３及び電流計３４により検出された電圧及び電流からバッテリ５０に供給される受電電力（＝電圧×電流）を求める。また、コントローラ３５には、図示しない無線部が内蔵され、後述する送電装置２０のコントローラ２４と無線通信可能に設けられている。そして、コントローラ３５は、送電装置２０のコントローラ２４から送電電力を受信する。

さらに、コントローラ３５は、受信した送電電力に対する受電電力の割合（受電電力／送電電力）をシステム効率として求める。以上のことから明らかなように、電圧計２２、電流計２３、コントローラ２４、電圧計３３、電流計３４、コントローラ３５が請求項中のシステム効率検出手段を構成する。

上述した給電システム１は、給電設備において、駐車した車両のバッテリ５０の充電操作が行われると、受電装置３０のコントローラ３５は、送電装置２０のコントローラ２４に対して電力伝送要求を送信する。送電装置２０のコントローラ２４は、電力伝送要求を受信すると高周波電源２１をオンして高周波電力を生成する。そして、この高周波電力が１次共振コイルＬ１に供給されると、１次共振コイルＬ１及び２次共振コイルＬ２が磁界共鳴して、１次共振コイルＬ１から２次共振コイルＬ２へ非接触で電力が伝送される。２次共振コイルＬ２で受電された高周波電力は、整流器３１で直流電力に変換され、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２で電圧変換された後、バッテリ５０に供給される。

本実施形態においては、電力伝送効率を高めるために、電力伝送要求した直後、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティ調整処理を行っている。具体的には、コントローラ３５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティを変化させる。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティとは、スイッチＳＷのオンデューティである。そして、コントローラ３５は、デューティを変化させる毎に、送電装置２０のコントローラ２４に対して送電電力の送信を要求する。

コントローラ２４は、送電電力の送信要求を受信する毎に、電圧計２２及び電流計２３が検出した電圧及び電流から送電電力を求めて、受電装置３０のコントローラ３５に送信する。また、コントローラ３５は、受信した送信電力と電圧計３３及び電流計３４から求めた受電電力からシステム効率を求める。即ち、コントローラ３５は、デューティを変化させる毎にシステム効率を求める。そして、システム効率が最大となるデューティを求め、求めたシステム効率が最大となるデューティにＤＣ／ＤＣコンバータ３２を制御する。以上のことから明らかなように、コントローラ３５が請求項中のデューティ調整手段を構成する。

上述した実施形態によれば、システム効率に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティを調整している。これにより、効率よくバッテリ５０に電力を供給することができる。

なお、上述したデューティ調整処理は、バッテリ５０の充電中、定期的に行われる。これにより、バッテリ５０の充電状態が変化しても、充電効率が落ちることがない。

次に、本発明者らは、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティを変化させたときの送電電力、受電電力、システム効率、整流後効率（整流器３１からＤＣ／ＤＣコンバータ３２に供給される電力／送電電力）、コイル間効率（２次共振コイルＬ２のコイル出力電力／１次共振コイルＬ１のコイル入力電力）をシュミレーションした。結果を図３及び図４に示す。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３２は、スイッチＳＷをオンさせているタイミングで出力されない構成である。このため、デューティを大きくしすぎると、入力に対する出力が小さくなりシステム効率が低下する。図３に示す例では、デューティが６５％以上になるとシステム効率が低下する。一方、図３及び図４に示すように、整流後効率や、コイル間効率は、デューティが６５％以上でも上昇している。

図３及び図４からも明らかなように、整流後効率、コイル間効率は、システム効率に応じていない。このため、整流後効率やコイル間効率でデューティを調整しても効率よくバッテリ５０に電力を供給できなかったが、本実施形態によれば、システム効率自体を求めて、デューティを調整しているため、効率良くバッテリ５０に電力が供給できることが分かった。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態について、図５を参照して説明する。第１実施形態と第２実施形態とで異なる点は、第２実施形態においては、送電装置２０がさらに電圧計２５及び電流計２６を備え、受電装置３０がさらに電圧計３６及び電流計３７を備えた点である。

電圧計２５は、高周波電源２１と１次共振コイルＬ１との間に設けられ、高周波電源２１から出力され、１次共振コイルＬ１に入力される電圧を検出し、その検出結果をコントローラ２４に送信している。電流計２６は、高周波電源２１と１次共振コイルＬ１との間に設けられ、高周波電源２１から出力され、１次共振コイルＬ１に入力される電流を検出し、その検出結果をコントローラ２４に送信している。

また、電圧計３６は、２次共振コイルＬ２と整流器３１との間に設けられ、２次共振コイルＬ２から出力され、整流器３１に入力される電圧を検出し、その検出結果をコントローラ３５に送信している。電流計３７は、２次共振コイルＬ２と整流器３１との間に設けられ、２次共振コイルＬ２から出力され、整流器３１に入力される電流を検出し、その検出結果をコントローラ３５に送信している。

次に、上述した構成の第２実施形態における給電システム１の動作について説明する。上述したデューティ調整処理においてコントローラ３５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３２のデューティを変化させる。そして、コントローラ３５は、デューティを変化させる毎に、送電装置２０のコントローラ２４に対して後述するコイル入力電力の送信を要求する。

コントローラ２４は、コイル入力電力の送信要求を受信する毎に、電圧計２５及び電流計２６が検出した電圧及び電流から１次共振コイルＬ１に入力されるコイル入力電力（＝電圧×電流）を求めて、受電装置３０のコントローラ３５に送信する。また、コントローラ３５は、受信したコイル入力電力と電圧計３６及び電流計３７から求めた２次共振コイルＬ２から出力されるコイル出力電力とからコイル間効率を求める。即ち、デューティ調整処理においてコントローラ３５は、まず最初にデューティを変化させる毎にコイル間効率を求める。そして、コイル間効率が最大となるデューティを求める。なお、以上のことから明らかなように、電圧計２５、電流計２６、コントローラ２４、電圧計３６、電流計３７、コントローラ３５が請求項中のコイル間効率検出手段を構成する。

次に、コントローラ３５は、求めたコイル間効率が最大となるデューディにＤＣ／ＤＣコンバータ３２を調整し、調整したデューティから小さくなる方向にデューティを変化させる。次に、コントローラ３５は、デューティを変化させる毎に、コイル入力電力の送信の要求をやめて受電電力の送信を要求する。

コントローラ２４は、送電電力の送信要求を受信する毎に、電圧計２２及び電流計２３が検出した電圧及び電流から送電電力を求めて、受電装置３０のコントローラ３５に送信する。また、コントローラ３５は、受信した送信電力と電圧計３３及び電流計３４から求めた受電電力からシステム効率を求める。即ち、コントローラ３５は、デューティを変化させる毎にシステム効率を求める。そして、システム効率が最大となるデューティを求め、求めたシステム効率が最大となるデューティにＤＣ／ＤＣコンバータ３２を制御する。

上述した第２実施形態によれば、システム効率が最大となるデューティの探索範囲を小さくすることができる。

なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ 給電システム
２１ 高周波電源（交流電源）
２２ 電圧計（システム効率検出手段）
２３ 電流計（システム効率検出手段）
２４ コントローラ（システム効率検出手段、コイル間効率検出手段）
２５ 電圧計（コイル間効率検出手段）
２６ 電流計（コイル間効率検出手段）
３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３３ 電圧計（システム効率検出手段）
３４ 電流計（システム効率検出手段）
３５ コントローラ（システム効率検出手段、コイル間効率検出手段デューティ調整手段）
３６ 電圧計（コイル間効率検出手段）
３７ 電流計（コイル間効率検出手段）
５０ バッテリ（負荷）
Ｌ１ １次共振コイル
Ｌ２ ２次共振コイル

Claims (1)

1. 交流電源と、前記交流電源からの電力の供給を受ける１次共振コイルと、前記１次共振
   コイルからの電力を磁場共鳴して受電する２次共振コイルと、前記２次共振コイル及び当
   該２次共振コイルからの電力が供給される負荷間に設けられたＤＣ／ＤＣコンバータと、を備えた給電システムにおいて、
   前記交流電源に供給される送電電力に対する前記負荷に供給される受電電力の割合であるシステム効率を検出するシステム効率検出手段と、
   前記システム効率検出手段により検出されたシステム効率に基づいて前記ＤＣ／ＤＣコ
   ンバータのデューティを調整するデューティ調整手段と、
   前記１次共振コイルに入力される電力に対する前記２次共振コイルから出力される電力の割合であるコイル間効率を検出するコイル間効率検出手段と、を備え、
   前記デューティ調整手段は、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのデューティを変化させて、前記コイル間効率検出手段により検出されたコイル間効率が最大となるデューティを求め、当該求めたコイル間効率が最大となるデューティから当該デューティを小さくし、前記システム効率検出手段により検出されたシステム効率が最大となるデューティを求め、当該求めたシステム効率が最大となるデューティに調整する、給電システム。

Images