JP2019103231A - 非接触送電装置及び電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】送電装置のインバータの温度が上昇した場合、インバータの温度を効果的に低下させる非接触送電装置を提供する。【解決手段】非接触送電装置１０は、受電装置２０へ非接触で送電する送電部２４０と、所定の周波数の送電電力を生成して送電部へ供給するインバータ２２０と、インバータを制御する電源ＥＣＵ２５０と、を備える。電源ＥＣＵは、インバータの出力電圧Ｖのデューティを調整することによって送電電力の大きさを調整し、インバータを制御することによって送電電力の周波数を調整する。電源ＥＣＵは、インバータの温度Ｔｉｎｖが制限温度を超える場合に、送電電力を維持しつつインバータの損失が減少する方向に周波数を調整する第１の制御と、第１の制御を実行してもインバータの温度が制限温度を超える場合に、送電電力を低下させる第２の制御と、を実行する。【選択図】図１

Description

本開示は、非接触送電装置及び電力伝送システムに関し、特に、受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置におけるインバータの制御技術に関する。

送電装置から受電装置へ非接触で電力を伝送する電力伝送システムが知られている（たとえば特許文献１〜５参照）。このような電力伝送システムにおいて、特開２０１７−５８６５号公報（特許文献６）には、送電装置に設けられるインバータの出力電圧のデューティを調整することによって送電電力を目標電力に制御するとともに、インバータの駆動周波数を調整することによってインバータのターンオン電流を制御することが開示されている（特許文献６参照）。

特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報 特開２０１７−５８６５号公報

インバータの温度が上昇した場合に、送電電力を低下させても、送電電力の低下に応じてインバータの温度が効果的に下がらない場合がある。これは、送電電力を低下させると、力率が悪化するために相対的に多くの電流が必要になる（送電電力の低下に応じた電流低下量が小さくなる）からと考えられる。また、送電電力を低下させると、たとえば、送電電力によって受電装置の蓄電装置を充電する場合に充電時間が長くなるといった問題も生じる。

本開示は、かかる問題を解決するためになされたものであり、その目的は、受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置及びそれを備える電力伝送システムにおいて、インバータの温度が上昇した場合にインバータの温度を効果的に低下させることである。

本開示の非接触送電装置は、受電装置へ非接触で送電する送電部と、所定の周波数の送電電力を生成して送電部へ供給するインバータと、インバータを制御する制御部とを備える。制御部は、インバータの出力電圧のデューティを調整することによって送電電力の大きさを調整し、インバータを制御することによって周波数を調整する。そして、制御部は、第１の制御と、第２の制御とを実行する。第１の制御は、インバータの温度が制限温度を超える場合に、送電電力を維持しつつ、インバータの損失が減少する方向に周波数を調整するものである。第２の制御は、第１の制御を実行してもインバータの温度が制限温度を超える場合に、送電電力を低下させるものである。

また、本開示の電力伝送システムは、送電装置と、送電装置から非接触で受電する受電装置とを備える。送電装置は、受電装置へ非接触で送電する送電部と、所定の周波数の送電電力を生成して送電部へ供給するインバータと、インバータを制御する制御部とを含む。制御部は、インバータの出力電圧のデューティを調整することによって送電電力の大きさを調整し、インバータを制御することによって周波数を調整する。そして、制御部は、第１の制御と、第２の制御とを実行する。第１の制御は、インバータの温度が制限温度を超える場合に、送電電力を維持しつつ、インバータの損失が減少する方向に周波数を調整するものである。第２の制御は、第１の制御を実行してもインバータの温度が制限温度を超える場合に、送電電力を低下させるものである。

上記の非接触送電装置及び電力伝送システムにおいては、インバータの温度が制限温度を超える場合に、まず第１の制御が実行される。第１の制御では、インバータの損失が減少する方向に周波数を調整するので、インバータの温度を効果的に低下させることができる。また、送電電力を低下させると、たとえば、送電電力によって受電装置の蓄電装置を充電する場合に充電時間が長くなるところ、第１の制御では、送電電力が維持されるので、充電時間が長くなるのを回避することができる。

第１の制御は、インバータの温度が制限温度を超える場合に、送電電力を維持しつつ、インバータの電流が減少する方向に周波数を調整する制御を含んでもよい。

これにより、第１の制御によって、送電電力を維持しつつインバータの損失を低減させることができる。したがって、インバータの温度を効果的に低下させることができる。

インバータの損失は、インバータに流れる電流による損失と、インバータの還流ダイオードに流れるリカバリー電流による損失とを含んでもよい。

周波数を変化させると、インバータ出力電圧の立上り時におけるインバータ出力電流を示すターンオン電流が変化するとともに、ターンオン電流に起因してインバータの還流ダイオードに流れるリカバリー電流による損失も変化する。上記の構成とすることにより、リカバリー電流による損失も考慮してインバータの損失を低減させることができる。

本開示によれば、インバータの温度を効果的に低下させることができる。また、たとえば、送電電力によって受電装置の蓄電装置を充電する場合に、充電時間が長くなるのを回避することができる。

本開示の実施の形態１に従う非接触送電装置が適用される電力伝送システムの全体構成図である。 図１に示す送電部及び受電部の回路構成の一例を示した図である。 図１に示すインバータの回路構成の一例を示した図である。 電流位相遅れ及びインバータ電流の送電電力依存性を示した図である。 送電電力一定下におけるインバータの電流の周波数依存性を例示した図である。 送電部から受電部への電力伝送効率を説明するための等価回路図である。 電源ＥＣＵにより実行されるインバータの温度抑制制御を説明するためのフローチャートである。 電源ＥＣＵにより実行される送電電力制御及び周波数制御の制御ブロック図である。 インバータのスイッチング波形と、インバータの出力電圧及び出力電流の波形とを示した図である。 実施の形態２における電源ＥＣＵにより実行されるインバータの温度抑制制御を説明するためのフローチャートである。 実施の形態２における電源ＥＣＵにより実行される送電電力制御及び周波数制御の制御ブロック図である。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

［実施の形態１］
＜電力伝送システムの構成＞
図１は、本開示の実施の形態１に従う非接触送電装置が適用される電力伝送システムの全体構成図である。図１を参照して、この電力伝送システムは、送電装置１０と、受電装置２０とを備える。受電装置２０は、たとえば、送電装置１０から供給され蓄えられた電力を用いて走行可能な車両等に搭載される。

送電装置１０は、力率改善（ＰＦＣ（Power Factor Correction））回路２１０と、インバータ２２０と、フィルタ回路２３０と、送電部２４０とを含む。また、送電装置１０は、電源ＥＣＵ（Electronic Control Unit）２５０と、通信部２６０と、電圧センサ２７０と、電流センサ２７２，２７４と、温度センサ２７６とをさらに含む。

ＰＦＣ回路２１０は、交流電源１００（たとえば系統電源）から受ける交流電力を整流及び昇圧してインバータ２２０へ供給するとともに、入力電流を正弦波に近づけることで力率を改善することができる。このＰＦＣ回路２１０には、公知の種々のＰＦＣ回路を採用し得る。なお、ＰＦＣ回路２１０に代えて、力率改善機能を有しない整流器を採用してもよい。

インバータ２２０は、電源ＥＣＵ２５０からの制御信号に従って、ＰＦＣ回路２１０から受ける直流電力を、所定の周波数（たとえば数十ｋＨｚ）を有する送電電力（交流）に変換する。インバータ２２０は、電源ＥＣＵ２５０からの制御信号に従ってスイッチング周波数を変更することにより、送電電力の周波数を変更することができる。インバータ２２０によって生成された送電電力は、フィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ供給される。インバータ２２０は、電圧形インバータであり、インバータ２２０を構成する各スイッチング素子に逆並列に還流ダイオードが接続されている。インバータ２２０は、たとえば単相フルブリッジ回路によって構成される。

フィルタ回路２３０は、インバータ２２０と送電部２４０との間に設けられ、インバータ２２０から発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路２３０は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。

送電部２４０は、インバータ２２０により生成される送電電力（交流電力）をフィルタ回路２３０を通じて受け、送電部２４０の周囲に生成される磁界を通じて、受電装置２０の受電部３１０へ非接触で送電する。送電部２４０は、たとえば、受電部３１０へ非接触で送電するための共振回路を含む（図示せず）。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成され得るが、コイルのみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタを設けなくてもよい。

電圧センサ２７０は、インバータ２２０の出力電圧Ｖを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。電流センサ２７２は、インバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖ、すなわちインバータ２２０の出力電流Ｉｉｎｖを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。電圧センサ２７０及び電流センサ２７２の検出値に基づいて、インバータ２２０から送電部２４０へ供給される送電電力を検出することができる。

電流センサ２７４は、送電部２４０に流れる電流Ｉｓを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。温度センサ２７６は、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖを検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。

電源ＥＣＵ２５０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、上記の各センサ等からの信号を受けるとともに、送電装置１０における各種機器の制御を行なう。一例として、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送の実行時に、所定の周波数を有する送電電力をインバータ２２０が生成するようにインバータ２２０のスイッチング制御を行なう。各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

この実施の形態１に従う送電装置１０では、電源ＥＣＵ２５０により実行される主要な制御として、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０から受電装置２０への電力伝送の実行時に、送電電力の大きさを目標電力にするための制御（以下「送電電力制御」とも称する。）を実行する。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の出力電圧Ｖのデューティ（duty）を調整することによって、送電電力の大きさを目標電力に制御する。

なお、インバータの出力電圧のデューティとは、出力電圧波形（矩形波）の周期に対する正（又は負）の電圧出力時間の比として定義される。インバータ２２０のスイッチング素子（オン／オフデューティ０．５）の動作タイミングを変化させることによって、インバータ出力電圧のデューティを調整することができる。また、目標電力は、たとえば、受電装置２０の受電状況に基づいて生成され得る。この実施の形態１では、受電装置２０において、受電電力の目標値と検出値との偏差に基づいて送電電力の目標電力が生成され、受電装置２０から送電装置１０へ送信される。

また、電源ＥＣＵ２５０は、上記の送電電力制御を実行するとともに、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが制限温度を超える場合に、温度Ｔｉｎｖを抑制するための制御（以下「温度抑制制御」とも称する。）を実行する。具体的には、電源ＥＣＵ２５０は、温度Ｔｉｎｖが制限温度を超える場合に、送電電力制御により送電電力の大きさを維持しつつ、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖが減少する方向に送電電力の周波数を調整する（第１の制御）。そして、周波数を調整しても温度Ｔｉｎｖが制限温度を超える場合に、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御により送電電力を低下させる（第２の制御）。この温度抑制制御については、後ほど詳しく説明する。

また、電源ＥＣＵ２５０は、温度Ｔｉｎｖが制限温度を下回っている場合には、電力伝送システムの効率を最適化するための制御（以下「効率最適化制御」とも称する。）を実行する。具体的には、後述のように、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが小さいほど、送電部２４０と受電装置２０の受電部３１０との間の電力伝送効率を高くできる。そこで、電源ＥＣＵ２５０は、送電部２４０と受電部３１０との間の電力伝送効率を高めつつインバータ２２０の損失も考慮して、送電部２４０に流れる電流Ｉｓとインバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖとの和が最小となるように周波数を調整する。

通信部２６０は、受電装置２０の通信部３７０と無線通信するように構成され、受電装置２０から送信される送電電力の目標値（目標電力）を受信するほか、送電の開始／停止や受電装置２０の受電状況等の情報を受電装置２０とやり取りする。

一方、受電装置２０は、受電部３１０と、フィルタ回路３２０と、整流部３３０と、リレー回路３４０と、蓄電装置３５０とを含む。また、受電装置２０は、充電ＥＣＵ３６０と、通信部３７０と、電圧センサ３８０と、電流センサ３８２とをさらに含む。

受電部３１０は、送電装置１０の送電部２４０から出力される電力（交流）を、磁界を通じて非接触で受電する。受電部３１０は、たとえば、送電部２４０から非接触で受電するための共振回路を含む（図示せず）。共振回路は、コイルとキャパシタとによって構成され得るが、コイルのみで所望の共振状態が形成される場合には、キャパシタを設けなくてもよい。受電部３１０は、受電した電力を、フィルタ回路３２０を通じて整流部３３０へ出力する。

フィルタ回路３２０は、受電部３１０と整流部３３０との間に設けられ、受電部３１０による受電時に発生する高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路３２０は、たとえば、インダクタ及びキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。整流部３３０は、受電部３１０によって受電された交流電力を整流して蓄電装置３５０へ出力する。整流部３３０は、整流器とともに平滑用のキャパシタを含んで構成される。

蓄電装置３５０は、再充電可能な直流電源であり、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成される。蓄電装置３５０は、整流部３３０から出力される電力を蓄える。そして、蓄電装置３５０は、その蓄えられた電力を図示しない負荷駆動装置等へ供給する。なお、蓄電装置３５０として電気二重層キャパシタ等も採用可能である。

リレー回路３４０は、整流部３３０と蓄電装置３５０との間に設けられる。リレー回路３４０は、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電時にオン（導通状態）にされる。なお、特に図示しないが、整流部３３０と蓄電装置３５０との間（たとえば、整流部３３０とリレー回路３４０との間）に、整流部３３０の出力電圧を調整するＤＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。

電圧センサ３８０は、整流部３３０の出力電圧（受電電圧）を検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。電流センサ３８２は、整流部３３０からの出力電流（受電電流）を検出し、その検出値を充電ＥＣＵ３６０へ出力する。電圧センサ３８０及び電流センサ３８２の検出値に基づいて、受電部３１０による受電電力（すなわち、蓄電装置３５０の充電電力）を検出することができる。なお、電圧センサ３８０及び電流センサ３８２は、受電部３１０と整流部３３０との間（たとえば、フィルタ回路３２０と整流部３３０との間）に設けてもよい。

充電ＥＣＵ３６０は、ＣＰＵ、記憶装置、入出力バッファ等を含み（いずれも図示せず）、上記の各センサ等からの信号を受けるとともに、受電装置２０における各種機器の制御を行なう。各種制御については、ソフトウェアによる処理に限られず、専用のハードウェア（電子回路）で処理することも可能である。

充電ＥＣＵ３６０により実行される主要な制御として、充電ＥＣＵ３６０は、送電装置１０からの受電中に、受電装置２０における受電電力が所望の目標値となるように、送電装置１０における送電電力の目標値（目標電力）を生成する。具体的には、充電ＥＣＵ３６０は、受電電力の検出値と目標値との偏差に基づいて、送電装置１０における送電電力の目標値を生成する。そして、充電ＥＣＵ３６０は、生成された送電電力の目標値（目標電力）を通信部３７０によって送電装置１０へ送信する。

通信部３７０は、送電装置１０の通信部２６０と無線通信するように構成される。通信部３７０は、充電ＥＣＵ３６０において生成される送電電力の目標値（目標電力）を送電装置１０へ送信するほか、電力伝送の開始／停止に関する情報を送電装置１０とやり取りしたり、受電装置２０の受電状況（受電電圧や受電電流、受電電力等）を送電装置１０へ送信したりする。

この電力伝送システムにおいては、送電装置１０において、インバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ、所定の周波数を有する交流電力が供給される。送電部２４０及び受電部３１０の各々は、共振回路を含み、交流電力の周波数において共振するように設計されている。

インバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ交流電力が供給されると、送電部２４０の共振回路を構成するコイルと、受電部３１０の共振回路を構成するコイルとの間に形成される磁界を通じて、送電部２４０から受電部３１０へエネルギー（電力）が移動する。受電部３１０へ移動したエネルギー（電力）は、フィルタ回路３２０及び整流部３３０を通じて蓄電装置３５０へ供給される。

図２は、図１に示した送電部２４０及び受電部３１０の回路構成の一例を示した図である。図２を参照して、送電部２４０は、コイル２４２と、キャパシタ２４４とを含む。キャパシタ２４４は、コイル２４２に直列に接続されてコイル２４２と共振回路を形成する。キャパシタ２４４は、送電部２４０の共振周波数を調整するために設けられる。コイル２４２及びキャパシタ２４４によって構成される共振回路の共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。

受電部３１０は、コイル３１２と、キャパシタ３１４とを含む。キャパシタ３１４は、コイル３１２に直列に接続されてコイル３１２と共振回路を形成する。キャパシタ３１４は、受電部３１０の共振周波数を調整するために設けられる。コイル３１２及びキャパシタ３１４によって構成される共振回路のＱ値も、１００以上であることが好ましい。

なお、送電部２４０及び受電部３１０の各々において、キャパシタは、コイルに並列に接続されてもよい。また、キャパシタを備えることなく所望の共振周波数を達成できる場合には、キャパシタを備えない構成としてもよい。

なお、特に図示しないが、コイル２４２，３１２の構造は特に限定されない。たとえば、送電部２４０と受電部３１０とが正対する場合に、送電部２４０と受電部３１０とが並ぶ方向に沿う軸に巻回される渦巻形状やらせん形状のコイルをコイル２４２，３１２の各々に採用することができる。或いは、送電部２４０と受電部３１０とが正対する場合に、送電部２４０と受電部３１０とが並ぶ方向を法線方向とするフェライト板に電線を巻回して成るコイルをコイル２４２，３１２の各々に採用してもよい。

図３は、図１に示したインバータ２２０の回路構成の一例を示した図である。図３を参照して、インバータ２２０は、電圧型インバータであり、電力用半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」とも称する。）Ｑ１〜Ｑ４と、還流ダイオードＤ１〜Ｄ４とを含む。直流側の端子Ｔ１，Ｔ２には、ＰＦＣ回路２１０（図１）が接続され、交流側の端子Ｔ３，Ｔ４には、フィルタ回路２３０が接続される。

スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）等によって構成される。還流ダイオードＤ１〜Ｄ４は、それぞれスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４に逆並列に接続される。

端子Ｔ１，Ｔ２間には、ＰＦＣ回路２１０から出力される直流電圧Ｖ１が印加される。そして、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作に伴なって、端子Ｔ３，Ｔ４間に出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉｉｎｖが生じる（図中、矢印で示される方向を正値とする。）。この図３では、一例として、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がＯＮであり、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がＯＦＦである状態が示されており、この場合の出力電圧Ｖはほぼ電圧Ｖ１（正値）となる。

＜温度抑制制御の説明＞
インバータ２２０の温度が上昇した場合に、送電電力を低下させることにより、インバータ２２０に流れる電流を低下させてインバータ２２０の発熱を抑え、インバータ２２０の温度を抑制することが考えられる。しかしながら、上記のような電力伝送システムにおいては、送電電力を低下させても、送電電力の低下に応じてインバータ２２０の温度が効果的に下がらない場合がある。

図４は、電流位相遅れ及びインバータ電流の送電電力依存性を示した図である。図４を参照して、線ｋ１は、送電電力Ｐｓの大きさと、インバータ２２０の出力電圧Ｖに対する出力電流Ｉｉｎｖの位相遅れ（以下、単に「位相遅れ」という場合がある。）との関係を示す。線ｋ２は、送電電力Ｐｓの大きさと、インバータ２２０の出力電流Ｉｉｎｖの大きさとの関係を示す。

線ｋ２で示されるように、送電電力Ｐｓの変化に対する電流Ｉｉｎｖの変化は小さく（線ｋ２の傾き小）、インバータ２２０については、送電電力Ｐｓに対する電流Ｉｉｎｖの感度が低い。さらに、線ｋ１で示されるように、送電電力Ｐｓを低下させると、位相遅れが大きくなり、力率が悪化する。そのため、線ｋ２で示されるように、送電電力Ｐｓが小さいほど、送電電力Ｐｓの低下に対する電流Ｉｉｎｖの減少量は小さくなる。送電電力Ｐｓが小さいほど、力率が悪化するので、相対的に多くの電流が必要になるからである。

このように、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが上昇した場合に、送電電力Ｐｓを低下させても、電流Ｉｉｎｖの低下量は小さい。インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖは、インバータ２２０の損失を低減することによって低減可能であり、インバータ２２０の損失は、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖの大きさに依存する。したがって、送電電力Ｐｓを低下させても、電流Ｉｉｎｖの低下量が小さいので、温度Ｔｉｎｖを効果的に下げることができない。

また、送電電力Ｐｓを低下させると、受電装置２０の受電電力も低下する。そのため、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが上昇した場合に、送電電力Ｐｓを低下させると、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電の時間が長くなるといった問題も生じる。

そこで、この実施の形態１に従う送電装置１０では、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが制限温度を超える場合に、送電電力制御により送電電力Ｐｓの大きさを維持しつつ、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖが減少する方向に周波数が調整される。周波数を調整することで、送電電力制御により送電電力Ｐｓの大きさを維持しつつ、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖを低下させることができる。

図５は、送電電力一定下におけるインバータ２２０の電流Ｉｉｎｖの周波数依存性を例示した図である。図５を参照して、この例では、周波数ｆの調整可能範囲（ｆ１〜ｆ２）において、電流Ｉｉｎｖは、周波数変化に対して下に凸の曲線となっている。なお、周波数ｆ３は、周波数ｆの調整可能範囲において電流Ｉｉｎｖの大きさが最小（極小）となる周波数である。

このような電流Ｉｉｎｖの大きさの周波数依存性から、周波数ｆを調整することによって電流Ｉｉｎｖを下げられることが理解される。たとえば、周波数ｆが周波数ｆ３以外の周波数である場合に、周波数ｆをｆ３に近づける方向に調整することによって、送電電力を下げることなく、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖを下げることができる。その結果、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖを抑制することができる。

なお、この実施の形態１では、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが制限温度を下回っており、上記の温度抑制制御が実行されない場合には、電力伝送システム全体の効率を最適化する効率最適化制御が実行される。具体的には、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが小さいほど、送電部２４０と受電部３１０との間の電力伝送効率を高くできるので、インバータ２２０の損失低減も考慮して、送電部２４０に流れる電流Ｉｓとインバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖとの和が最小となるように周波数ｆが調整される。以下、送電部２４０に流れる電流Ｉｓと電力伝送効率との関係について簡単に説明する。

図６は、送電部２４０から受電部３１０への電力伝送効率を説明するための等価回路図である。図６を参照して、送電部２４０において、コイル２４２のインダクタンスはＬ１であり、キャパシタ２４４のキャパシタンスはＣ１であるものとする。抵抗成分２４６は、コイル２４２の巻線抵抗を示し、その抵抗値はｒ１であるものとする。なお、この等価回路図では、送電装置１０のフィルタ回路２３０（図１）は省略されている。

一方、受電部３１０において、コイル３１２のインダクタンスはＬ２であり、キャパシタ３１４のキャパシタンスはＣ２であるものとする。抵抗成分３１６は、コイル３１２の巻線抵抗を示し、その抵抗値はｒ２であるものとする。負荷３９０は、受電装置２０において、フィルタ回路３２０（図１）以降の回路を統括的に示したものであり、その抵抗値をＲとする。

コイル２４２，３１２間の電力伝送効率ηは、これらの回路定数を用いて次式のように表すことができる。

η＝Ｒ／｛Ｒ＋ｒ２＋ｒ１（｜Ｉ１／Ｉ２｜²）｝ …（１）
ここで、Ｉ１は送電部２４０に流れる電流を示し、Ｉ２は受電部３１０に流れる電流を示す。受電電力が一定であれば電流Ｉ２はほぼ一定となるので、電力伝送効率ηは、電流Ｉ１の２乗に反比例することが式（１）から分かる。したがって、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが小さいほど電力伝送効率ηは高くなる。

図７は、電源ＥＣＵ２５０により実行されるインバータ２２０の温度抑制制御を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理は、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図７を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、温度センサ２７６からインバータ２２０の温度Ｔｉｎｖの検出値を取得し、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高いか否かを判定する（ステップＳ１０）。この制限温度Ｔｔｈは、たとえば、インバータ２２０の温度上限に対して適度なマージンを有する温度に設定される。

温度Ｔｉｎｖは制限温度Ｔｔｈ以下であると判定されると（ステップＳ１０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、上述の効率最適化制御を実行する（ステップＳ２０）。すなわち、電源ＥＣＵ２５０は、送電部２４０に流れる電流Ｉｓの検出値、及びインバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖの検出値をそれぞれ電流センサ２７４，２７２から取得し、電流Ｉｓと電流Ｉｉｎｖとの和が減少する方向に周波数ｆを操作する。なお、特に図示しないが、電流Ｉｓ及び電流Ｉｉｎｖの各々に適当な重み付けをした合計値が減少するように周波数ｆを操作してもよい。

一方、ステップＳ１０において温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高いと判定されると（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、上述の温度抑制制御を実行する。すなわち、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖが減少する方向に周波数ｆを操作する（ステップＳ３０）。なお、特に図示しないが、送電電力は送電電力制御によって目標電力に維持される。

周波数ｆが操作されると、電源ＥＣＵ２５０は、温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高いか否かを再度判定する（ステップＳ４０）。ステップＳ３０における周波数ｆの操作によって温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈ以下となった場合は（ステップＳ４０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、周波数ｆを所定時間維持した後（ステップＳ５０）、ステップＳ２０へと処理を移行する。ステップＳ５０において周波数ｆを所定時間維持させるのは、ステップＳ２０へ移行して効率最適化制御が実行された後に、直ちに温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈを再度超えてしまうのを防止するためである。

ステップＳ４０において温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高いと判定されると（ステップＳ４０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、電流Ｉｉｎｖが極小に達しているか否かを判定する（ステップＳ６０）。たとえば、ステップＳ３０において周波数ｆが操作された場合に、電流Ｉｉｎｖが減少から増加へ転じたときは、電流Ｉｉｎｖが極小に達したものと判定することができる。

電流Ｉｉｎｖが極小に達していない場合は（ステップＳ６０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、ステップＳ３０へ処理を戻し、電流Ｉｉｎｖが減少する方向に周波数ｆが再び操作される。

一方、ステップＳ６０において電流Ｉｉｎｖが極小に達したと判定されると（ステップＳ６０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力を制限するための制御を実行する（ステップＳ７０）。たとえば、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御の目標電力を下げることにより送電電力を低下させる。周波数操作による電流Ｉｉｎｖが極小に達したために、周波数操作によっては電流Ｉｉｎｖを下げることができないので、送電電力を下げるものである。

図８は、電源ＥＣＵ２５０により実行される送電電力制御及び周波数制御の制御ブロック図である。図８を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、目標電力算出部４１０と、減算部４２０，４６０と、コントローラ４３０，４５０と、加算部４４０と、判定部４７０とを含む。目標電力算出部４１０、減算部４２０、コントローラ４３０及び制御対象のインバータ２２０によって構成されるフィードバックループが送電電力制御を構成する。一方、加算部４４０、コントローラ４５０及びインバータ２２０によって構成されるフィードバックループが周波数制御を構成する。

目標電力算出部４１０は、送電電力の目標を示す目標電力を算出する。目標電力算出部４１０は、判定部４７０から電力制限指令（後述）を受けていないときは、受電装置２０から受信する目標電力を設定する。また、目標電力算出部４１０は、判定部４７０から電力制限指令を受けると、制限温度Ｔｔｈに対するインバータ２２０の温度Ｔｉｎｖの超過分ΔＴに応じて目標電力を低下させる。なお、この目標電力を低下させる処理は、図７に示したステップＳ７０の処理に対応するものである。

減算部４２０は、目標電力算出部４１０から受ける目標電力から送電電力Ｐｓの検出値を減算し、その演算値をコントローラ４３０へ出力する。送電電力Ｐｓの検出値は、たとえば、図１に示した電圧センサ２７０及び電流センサ２７２の検出値に基づいて算出される。

コントローラ４３０は、目標電力（目標電力算出部４１０の出力）と送電電力Ｐｓとの偏差に基づいて、インバータ出力電圧のデューティ指令値ｄｕｔｙを生成する。コントローラ４３０は、たとえば、目標電力と送電電力Ｐｓとの偏差（減算部４２０の出力）を入力とするＰＩ制御（比例積分制御）を実行することによって操作量を算出し、その算出された操作量をデューティ指令値ｄｕｔｙとする。

一方、加算部４４０は、送電コイル２４２に流れる電流Ｉｓの検出値と、インバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖの検出値との和を算出し、その演算値をコントローラ４５０へ出力する。

コントローラ４５０は、判定部４７０から電流低減指令（後述）を受けていないときは、電流Ｉｓと電流Ｉｉｎｖとの和（加算部４４０の出力）が減少する方向へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作量を算出する。たとえば、コントローラ４５０は、周波数ｆを増減させ、電流Ｉｓと電流Ｉｉｎｖとの和が減少する方向へ周波数ｆを移行させる。なお、判定部４７０から電流低減指令を受けていないときのコントローラ４５０の上記処理は、図７に示したステップＳ２０の効率最適化制御において実行される処理に対応するものである。

一方、コントローラ４５０は、判定部４７０から電流低減指令を受けると、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖが減少する方向へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作量を算出する。たとえば、コントローラ４５０は、周波数ｆを増減させ、電流Ｉｉｎｖが減少する方向へ周波数ｆを移行させる。なお、判定部４７０から電流低減指令を受けているときのコントローラ４５０の上記処理は、図７に示したステップＳ３０において実行される処理に対応するものである。

減算部４６０は、インバータ２２０の制限温度Ｔｔｈから温度Ｔｉｎｖの検出値を減算し、その演算値ΔＴを判定部４７０及び目標電力算出部４１０へ出力する。温度Ｔｉｎｖは、図１に示した温度センサ２７６によって検出される。

判定部４７０は、制限温度Ｔｔｈと温度Ｔｉｎｖとの偏差ΔＴを受け、温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高い場合には、コントローラ４５０へ電流低減指令を出力する。上述のように、コントローラ４５０は、判定部４７０から電流低減指令を受けると、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖが減少する方向へ周波数ｆを移行させる。

また、判定部４７０は、コントローラ４５０への電流低減指令の出力中に電流Ｉｉｎｖが極小に達した場合には、目標電力算出部４１０へ電力制限指令を出力する。上述のように、目標電力算出部４１０は、判定部４７０から電力制限指令を受けると、送電電力の目標電力を低下させる。

以上のように、この実施の形態１においては、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈを超える場合に、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖが減少する方向に周波数ｆが調整される。これにより、インバータ２２０の損失（発熱）が減少し、インバータ２２０の温度を効果的に低下させることができる。また、送電電力Ｐｓを低下させると、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電時間が長くなるところ、上記の制御では、送電電力が維持されるので、充電時間が長くなるのを回避することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、インバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈを超える場合に、送電電力Ｐｓの大きさを維持しつつ、インバータ２２０の電流Ｉｉｎｖが減少する方向に周波数ｆを調整するものとした。

この実施の形態２では、温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈを超える場合に、送電電力Ｐｓの大きさを維持しつつ、インバータ２２０の損失が減少する方向に周波数ｆが調整される。ここで、インバータ２２０の損失には、インバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖによる損失と、インバータ２２０のターンオン電流に起因してインバータ２２０の還流ダイオードに流れるリカバリー電流による損失とが含まれる。還流ダイオードにリカバリー電流が流れると、還流ダイオードの発熱が大きくなり、インバータ２２０の損失が大きくなる。

そこで、この実施の形態２では、ターンオン電流に起因して還流ダイオードに流れるリカバリー電流による損失も考慮して、インバータ２２０の損失が減少する方向に周波数ｆが調整される。これにより、温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈを超える場合に、インバータ２２０の温度を効果的に低下させることができる。

図９は、インバータ２２０のスイッチング波形と、出力電圧Ｖ及び出力電流Ｉｉｎｖの波形とを示した図である。図９とともに図３を参照して、時刻ｔ４〜ｔ８の１周期を例に説明する。時刻ｔ４において、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４がそれぞれＯＦＦ，ＯＮの状態で、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦからＯＮに切替わるとともにスイッチング素子Ｑ３がＯＮからＯＦＦに切替わると（図３に示される状態）、インバータ２２０の出力電圧Ｖが０からＶ１（正値）に立上がる。

時刻ｔ５において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３がそれぞれＯＮ，ＯＦＦの状態で、スイッチング素子Ｑ２がＯＦＦからＯＮに切替わるとともにスイッチング素子Ｑ４がＯＮからＯＦＦに切替わると、出力電圧Ｖは０となる。

時刻ｔ６において、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４がそれぞれＯＮ，ＯＦＦの状態で、スイッチング素子Ｑ１がＯＮからＯＦＦに切替わるとともにスイッチング素子Ｑ３がＯＦＦからＯＮに切替わると、出力電圧Ｖは−Ｖ１（負値）となる。

時刻ｔ７において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３がそれぞれＯＦＦ，ＯＮの状態で、スイッチング素子Ｑ２がＯＮからＯＦＦに切替わるとともにスイッチング素子Ｑ４がＯＦＦからＯＮに切替わると、出力電圧Ｖは再び０となる。

そして、時刻ｔ４から１周期後の時刻ｔ８において、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４がそれぞれＯＦＦ，ＯＮの状態で、スイッチング素子Ｑ１がＯＦＦからＯＮに切替わるとともにスイッチング素子Ｑ３がＯＮからＯＦＦに切替わると、出力電圧Ｖが０からＶ１（正値）に立上がる（時刻ｔ４と同じ状態）。

この図９では、出力電圧Ｖのデューティが０．２５である場合が示されている。そして、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のスイッチングタイミングと、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のスイッチングタイミングとを変化させることによって、出力電圧Ｖのデューティを変化させることができる。上述のように、この出力電圧Ｖのデューティを調整することによって、送電電力の大きさを変化させることができる。定性的には、デューティを大きくすることによって送電電力を増加させることができ、デューティを小さくすることによって送電電力を減少させることができる。

そして、出力電圧Ｖの立上り時（時刻ｔ４や時刻ｔ８）における出力電流Ｉｉｎｖの瞬時値Ｉｔがターンオン電流に相当する。このターンオン電流Ｉｔの値は、ＰＦＣ回路２１０からインバータ２２０に与えられる電圧Ｖ１やインバータ２２０の動作周波数（送電電力の周波数）によって変化し、ここでは正のターンオン電流Ｉｔが流れる場合が示されている。

正のターンオン電流Ｉｔが流れると、スイッチング素子Ｑ３に逆並列に接続される還流ダイオードＤ３に逆方向の電流すなわちリカバリー電流が流れる。還流ダイオードＤ３にリカバリー電流が流れると、還流ダイオードＤ３の発熱が大きくなり、インバータ２２０の損失が大きくなる。ターンオン電流Ｉｔが０以下であれば、還流ダイオードＤ３にリカバリー電流は流れず、インバータ２２０の損失は抑制される。

インバータ２２０の動作周波数（送電電力の周波数）が変化すると、ターンオン電流Ｉｔが変化し、還流ダイオードＤ３に流れるリカバリー電流も変化する。そこで、この実施の形態２では、温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈを超える場合に、送電電力制御により送電電力Ｐｓの大きさを維持しつつ（デューティ調整）、リカバリー電流による損失を含むインバータ２２０の損失が減少する方向に周波数ｆが調整される。

この実施の形態２における電力伝送システムの全体構成は、図１に示した実施の形態１における電力伝送システムと基本的に同じである。実施の形態２における電力伝送システムは、図１に示した電力伝送システムの構成において、電源ＥＣＵ２５０に代えて電源ＥＣＵ２５０Ａを含む。

図１０は、実施の形態２における電源ＥＣＵ２５０Ａにより実行されるインバータ２２０の温度抑制制御を説明するためのフローチャートである。なお、このフローチャートに示される処理も、所定時間毎又は所定条件の成立時にメインルーチンから呼び出されて実行される。

図１０を参照して、ステップＳ１１０，Ｓ１２０，Ｓ１４０，Ｓ１５０，Ｓ１７０の処理は、それぞれ図７に示したステップＳ１０，Ｓ２０，Ｓ４０，Ｓ５０，Ｓ７０の処理と同じである。

この実施の形態２では、ステップＳ１１０においてインバータ２２０の温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高いと判定されると（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０Ａは、インバータ２２０の損失Ｌｉｎｖが減少する方向に周波数ｆを操作する（ステップＳ１３０）。ここで、損失Ｌｉｎｖは、インバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖによる損失と、インバータ２２０のターンオン電流に起因して還流ダイオードＤ３に流れるリカバリー電流による損失とを含む。

インバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖによる損失は、公知の各種の算出方法を採用することができる。また、リカバリー電流による損失は、たとえば、ターンオン電流Ｉｔの大きさとリカバリー電流による損失との関係を予め求めてマップ等にしておき、ターンオン電流Ｉｔの検出値に基づいてリカバリー電流による損失を求めることができる。なお、特に図示していないが、送電電力は送電電力制御によって目標電力に維持される。

ステップＳ１３０において周波数ｆが操作されると、ステップＳ１４０へ処理が移行され、温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高いか否かが再度判定される。そして、ステップＳ１４０において温度Ｔｉｎｖが制限温度Ｔｔｈよりも高いと判定されると（ステップＳ１４０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０Ａは、損失Ｌｉｎｖが極小に達しているか否かを判定する（ステップＳ１６０）。たとえば、ステップＳ１３０において周波数ｆが操作された場合に、損失Ｌｉｎｖが減少から増加へ転じたときは、損失Ｌｉｎｖが極小に達したものと判定することができる。

ステップＳ１６０において損失Ｌｉｎｖは極小に達していないと判定されると（ステップＳ１６０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０Ａは、ステップＳ１３０へ処理を戻し、損失Ｌｉｎｖが減少する方向に周波数ｆが再び操作される。

一方、ステップＳ１６０において損失Ｌｉｎｖが極小に達したと判定されると（ステップＳ１６０においてＹＥＳ）、ステップＳ１７０へ処理が移行され、送電電力を制限するための制御が実行される。図７のステップＳ７０と同様に、たとえば、電源ＥＣＵ２５０Ａは、送電電力制御の目標電力を下げることにより送電電力を低下させる。

図１１は、実施の形態２における電源ＥＣＵ２５０Ａにより実行される送電電力制御及び周波数制御の制御ブロック図である。図１１を参照して、電源ＥＣＵ２５０Ａは、図８に示した実施の形態１における電源ＥＣＵ２５０の構成において、損失算出部４８０をさらに含み、コントローラ４５０に代えてコントローラ４５０Ａを含む。

損失算出部４８０は、インバータ２２０に流れる電流Ｉｉｎｖの検出値と、ターンオン電流Ｉｔの検出値とを受ける。なお、ターンオン電流Ｉｔの検出値は、電圧センサ２７０によりインバータ２２０の出力電圧Ｖの立上りが検知されたときの電流センサ２７２の検出値（瞬時値）である。

そして、損失算出部４８０は、電流Ｉｉｎｖの検出値に基づいて電流Ｉｉｎｖによる損失を算出するとともに、ターンオン電流Ｉｔの検出値に基づいてリカバリー電流による損失を算出する。上述のように、電流Ｉｉｎｖによる損失は、公知の各種の算出方法を用いて算出することができ、リカバリー電流による損失は、予め準備されたマップ等を用いてターンオン電流Ｉｔの検出値から求められる。そして、損失算出部４８０は、電流Ｉｉｎｖによる損失とリカバリー電流による損失との和をインバータ２２０の損失Ｌｉｎｖとしてコントローラ４５０Ａへ出力する。

コントローラ４５０Ａは、判定部４７０から電流低減指令を受けていないときは、電流Ｉｓと電流Ｉｉｎｖとの和（加算部４４０の出力）が減少する方向へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作量を算出する。なお、この処理は、図１０に示したステップＳ１２０の効率最適化制御において実行される処理に対応するものである。

一方、コントローラ４５０Ａは、判定部４７０から電流低減指令を受けると、インバータ２２０の損失Ｌｉｎｖが減少する方向へ周波数ｆを移行させるための周波数ｆの操作量を算出する。たとえば、コントローラ４５０Ａは、周波数ｆを増減させ、損失Ｌｉｎｖが減少する方向へ周波数ｆを移行させる。なお、この処理は、図１０に示したステップＳ１３０において実行される処理に対応するものである。

以上のように、この実施の形態２によれば、インバータ２２０の温度が制限温度を超える場合に、リカバリー電流による損失も考慮してインバータ２２０の損失を低減させることができる。その結果、インバータ２２０の温度を効果的に低下させることができる。

今回開示された各実施の形態は、適宜組合わせて実施することも予定されている。そして、今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ 送電装置、２０ 受電装置、１００ 交流電源、２１０ ＰＦＣ回路、２２０ インバータ、２３０，３２０ フィルタ回路、２４０ 送電部、２４２，３１２ コイル、２４４，３１４ キャパシタ、２４６，３１６，３９０ 抵抗、２５０，２５０Ａ 電源ＥＣＵ、２６０，３７０ 通信部、２７０，３８０ 電圧センサ、２７２，２７４，３８２ 電流センサ、２７６ 温度センサ、３１０ 受電部、３３０ 整流部、３４０ リレー回路、３５０ 蓄電装置、３６０ 充電ＥＣＵ、４１０ 目標電力算出部、４２０，４６０ 演算部、４３０，４５０，４５０Ａ コントローラ、４４０ 加算部、４７０ 判定部、４８０ 損失算出部、Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ４ 還流ダイオード、Ｔ１〜Ｔ４ 端子。

Claims (4)

1. 受電装置へ非接触で送電する送電部と、
   所定の周波数の送電電力を生成して前記送電部へ供給するインバータと、
   前記インバータを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記インバータの出力電圧のデューティを調整することによって前記送電電力の大きさを調整し、
   前記インバータを制御することによって前記周波数を調整し、
   前記制御部は、
   前記インバータの温度が制限温度を超える場合に、前記送電電力を維持しつつ、前記インバータの損失が減少する方向に前記周波数を調整する第１の制御と、
   前記第１の制御を実行しても前記インバータの温度が制限温度を超える場合に、前記送電電力を低下させる第２の制御とを実行する、非接触送電装置。
2. 前記第１の制御は、前記インバータの温度が制限温度を超える場合に、前記送電電力を維持しつつ、前記インバータの電流が減少する方向に前記周波数を調整する制御を含む、請求項１に記載の非接触送電装置。
3. 前記インバータの損失は、
   前記インバータに流れる電流による損失と、
   前記インバータの還流ダイオードに流れるリカバリー電流による損失とを含む、請求項１に記載の非接触送電装置。
4. 送電装置と、
   前記送電装置から非接触で受電する受電装置とを備え、
   前記送電装置は、
   前記受電装置へ非接触で送電する送電部と、
   所定の周波数の送電電力を生成して前記送電部へ供給するインバータと、
   前記インバータを制御する制御部とを含み、
   前記制御部は、
   前記インバータの出力電圧のデューティを調整することによって前記送電電力の大きさを調整し、
   前記インバータを制御することによって前記周波数を調整し、
   前記制御部は、
   前記インバータの温度が制限温度を超える場合に、前記送電電力を維持しつつ、前記インバータの損失が減少する方向に前記周波数を調整する第１の制御と、
   前記第１の制御を実行しても前記インバータの温度が制限温度を超える場合に、前記送電電力を低下させる第２の制御とを実行する、電力伝送システム。

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