JP2022087672A

JP2022087672A - 非接触充電制御装置

Info

Publication number: JP2022087672A
Application number: JP2020199734A
Authority: JP
Inventors: 義信杉山; Yoshinobu Sugiyama
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2020-12-01
Filing date: 2020-12-01
Publication date: 2022-06-13

Abstract

【課題】給電時に漏洩磁界が増大することを防止することができる非接触充電制御装置を提供する。【解決手段】非接触充電装置２０の直上に停車または通過する車両１０に向けて非接触によって電力を送電（給電）することによって車両１０を充電する非接触充電システム１において、非接触充電制御装置２０は、車両１０に設けられた受電コイル（車両側１１）に向けて非接触で電力を給電する送電コイル（地上側コイル２３）を有する送信部と、送信部へ供給される電流値を検出する電流検出部２４と、電流値の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、電流値の変化量が閾値を超えた場合、送電コイルによる電力の給電を停止する制御部２５と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、非接触充電制御装置に関する。

特許文献１では、車両に設けられ受信コイルを含む受電部と、車両の外部に設けられた送電コイルを含む送電部と、によって非接触で電力を受電する非接触充電において、車両本体に設けられた検出部が検出した磁界強度に基づいて、給電の開始制御を行う技術が記載されている。

特許第６１０３０４４号公報

しかしながら、特許文献１では、検出部に異常が生じ、磁界強度を検出できなかった場合において、磁界強度に基づく受信部と送電部との位置を検出することができないため、給電中に受信部と送電部との位置がずれた状態となったとき、漏洩磁界が過大になる場合があった。

本開示は、上記に鑑みてなされたものであって、給電中に漏洩磁界が増大することを防止することができる非接触充電制御装置を提供することを目的とする。

本開示に係る充電制御装置は、車両に設けられた受電コイルに向けて非接触で電力を給電する送電コイルを有する送信部と、前記送信部へ供給される電流値を検出する検出部と、前記電流値の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、前記電流値の変化量が前記閾値を超えた場合、前記送電コイルによる前記電力の給電を停止する制御部と、を備える。

本開示によれば、制御部が検出部によって検出された送電部へ供給される電流値の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、送電部へ供給される電流値の変化量が閾値を超えた場合、送電コイルによる電力の給電を停止するため、給電中に漏洩磁界が増大することを防止することができるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る非接触充電システムの機能構成を示すブロック図である。図２は、実施の形態１に係る非接触充電制御装置が実行する処理の概要を示すフローチャートである。図３は、実施の形態２に係る非接触充電システムの機能構成を示すブロック図である。図４は、実施の形態２に係る非接触充電制御装置が実行する処理の概要を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施の形態に係る非接触充電システムについて、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態により本開示が限定されるものでない。また、以下において、同一の部分には同一の符号を付して説明する。

（実施の形態１）
〔非接触充電システムの概要〕
図１は、非接触充電システムの概略構成図である。図１に示す非接触充電システム１は、車両１０と、非接触充電装置２０と、を備える。非接触充電システム１は、非接触充電装置２０の直上に停車または通過する車両１０に向けて非接触によって電力を送電（給電）することによって車両１０を充電する。

〔車両の構成〕
まず、車両１０の構成について説明する。車両１０は、車両側コイル１１と、車載ユニット１２と、バッテリ１３と、を備える。図１に示す車両１０は、バッテリ１３に蓄電された電力を用いて走行可能な電気自動車である。なお、車両１０は、バッテリ１３に蓄電された電力によるモータと、図示しないエンジン等の駆動機構と、の両方を用いて走行可能なハイブリッド車であってもよい。さらに、車両１０は、充電ケーブルを介して外部電源からバッテリ１３に給電するケーブル接続給電方式と、後述する非接触充電装置２０から送電された電力を非接触で充電する非接触式給電方式と、の両方を行うものであってもよい。

車両側コイル１１は、受信コイルおよびコンデンサ等を用いて構成される。車両側コイル１１は、後述する車載ユニット１２の制御のもと、非接触充電装置２０による給電開始に先立ち、後述する非接触充電装置２０の地上側コイルと鎖交磁束を生じるように位置合わせが行われる。続いて、車両側コイル１１は、位置合わせが行われた後、磁気共鳴により非接触充電装置２０の地上側コイルから送電された電力を受電する。なお、実施の形態１では、車両側コイル１１が受電コイルとして機能する。

車載ユニット１２は、車両側コイル１１が受電した電力に対して所定の処理を行ってバッテリ１３に出力する。車載ユニット１２は、フィルタ回路１２１と、整流器１２２と、インピーダンス変換器１２３と、無線ユニット１２４と、アンテナ１２５と、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１２６と、を有する。

フィルタ回路１２１は、コンデンサおよびインダクタ等を用いて構成される。フィルタ回路１２１は、ローパスフィルタとしてのＬＣフィルタとして機能する。フィルタ回路１２１は、車両側コイル１１の受電時の交流電力に発生する電磁ノイズを低減し、この電磁ノイズを低減した交流電流を整流器１２２へ出力する。

インピーダンス変換器１２３は、整流器１２２から入力された直流電力をバッテリ１３の充電用電圧レベルに変換し（ＤＣ／ＤＣ変換）、この変換した直流電力をバッテリ１３へ出力する。

無線ユニット１２４は、ＥＣＵ１２６の制御のもと、アンテナ１２５を介して所定の強度の電波を送信（発信）する、または非接触充電装置２０の地上側コイルが直下に位置することによって発生する磁界強度を検出する。具体的には、無線ユニット１２４は、アンテナ１２５を介して後述する非接触充電装置２０の地上側コイルと車両側コイル１１とが所定の位置、例えば地上側コイルと車両側コイル１１とが直上となる位置を検出するための位置情報（例えば電波強度や磁界強度）を電波として発信する。無線ユニット１２４は、通信モジュール等を用いて構成される。なお、無線ユニット１２４は、ＥＣＵ１２６の制御のもと、アンテナ１２５を介して後述する非接触充電装置２０に向けて、非接触充電装置２０の地上側コイルと車両側コイル１１とが所定の位置を示す位置情報を受信してもよい。

ＥＣＵ１２６は、メモリと、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等のハードウェアを有するプロセッサと、を用いて構成される。ＥＣＵ１２６は、車載ユニット１２の各部を制御する。また、ＥＣＵ１２６は、無線ユニット１２４から入力される位置情報に基づいて、フィルタ回路１２１、整流器１２２およびインピーダンス変換器１２３を制御することによって、バッテリ１３を充電する。

〔非接触充電装置の構成〕
次に、非接触充電装置２０の構成について説明する。非接触充電装置２０は、道路等の地中（例えば駐車場の床面）に設けられ、車両１０に向けて非接触で電力を送電することによって給電する。非接触充電装置２０は、交流電源２１から供給される交流電力を所定の電力変換処理を行うことによって送電用交流電力に変換し、この送電用交流電力を車両１０に向けて非接触で送電することによって車両１０に給電する。交流電源２１は、家庭用電源、例えば電圧２００Ｖ、周波数５０Ｈｚである。

非接触充電装置２０は、電源ユニット２２と、地上側コイル２３と、電流検出部２４と、制御部２５と、を備える。なお、実施の形態１では、電源ユニット２２および地上側コイル２３が送電部として機能する。さらに、実施の形態１では、地上側コイル２３が送電コイルとして機能する。

電源ユニット２２は、ＰＦＣ（Power Factor Correction）２２１と、インバータ２２２と、フィルタ回路２２３と、無線ユニット２２４と、アンテナ２２５と、を有する。

ＰＦＣ２２１は、交流電源２１の力率を所定の値、例えば１に近づけるとともに、通電電流の高周波成分を低減してインバータ２２２へ出力する。

インバータ２２２は、ＰＦＣ２２１を介して交流電源２１から入力された交流電力に対して、ＡＣ／ＤＣ変換を行うことによって直流電力に変換する。続いて、インバータ２２２は、ＡＣ／ＤＣ変換を行った直流電力に対して、ＤＣ／ＡＣ変換を行って交流電力に変換する。その後、インバータ２２２は、ＤＣ／ＡＣ変換された交流電力に対して昇圧するとともに、所定の周波数に変換してフィルタ回路２２３へ出力する。例えば、インバータ２２２は、交流電源２１から入力された交流電力を４００Ｖに昇圧してフィルタ回路２２３へ出力する。

フィルタ回路２２３は、コンデンサおよびインダクタ等を用いて構成される。フィルタ回路２２３は、ローパスフィルタとしてのＬＣフィルタとして機能する。フィルタ回路２２３は、地上側コイル２３の送電時の交流電力に発生する電磁ノイズを低減し、この電磁ノイズを低減した交流電流を地上側コイル２３に出力する。

無線ユニット２２４は、アンテナ２２５を介して車両１０の車両側コイル１１と地上側コイル２３とが所定の位置、例えば地上側コイル２３と車両側コイル１１とが直上で重なることによって発生する磁界強度および車両側コイル１１が発信する電波強度のいずれか一方を含む位置情報を検出し、この検出結果を制御部２５へ出力する。無線ユニット２２４は、通信モジュール等を用いて構成される。なお、実施の形態１では、無線ユニット２２４および車両１０の無線ユニット１２４が地上側コイル２３と車両１０の車両側コイル１１の位置合わせのための位置検出部として機能する。

地上側コイル２３は、ＬＣ共振コイルを用いて構成される。地上側コイル２３は、車両１０の車両側コイル１１と電磁場を介して共鳴することによって、フィルタ回路２２３から出力された交流電力を送電する。

電流検出部２４は、地上側コイル２３とフィルタ回路２２３との間に設けられる。具体的には、電流検出部２４は、地上側コイル２３とフィルタ回路２２３とを接続する電線に対して電気的に接続される。電流検出部２４は、フィルタ回路２２３から地上側コイル２３に流れる交流電力の電流値を検出し、この検出結果を制御部２５へ出力する。電流検出部２４は、電流計等を用いて構成される。なお、実施の形態１では、電流検出部２４が検出部として機能する。

制御部２５は、メモリと、ＣＰＵやＦＰＧＡ等のハードウェアを有するプロセッサと、を用いて構成される。制御部２５は、非接触充電装置２０の各部を制御する。制御部２５は、無線ユニット２２４から入力される位置情報に基づいて、ＰＦＣ２２１、インバータ２２２およびフィルタ回路２２３を制御することによって、地上側コイル２３を介して車両１０の車両側コイル１１に電力を非接触によって送電する。また、制御部２５は、電流検出部２４が検出した電流値の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、変化量が閾値を超えた場合、地上側コイルによる電力の給電を停止する。ここで、電流値の変化量とは、所定の時間毎の電流値の変化量である。

〔漏洩磁界が増大する理由〕
次に、漏洩磁界が増大する理由について説明する。定電力充電における漏洩電磁界の強度は、地上側コイル２３のインダクタンスをＬ_１、車両側コイル１１のインダクタンスをＬ_２、磁気結合係数をｋ、地上側コイル２３に発生する電圧をＶ_１、車両側コイル１１に発生する電圧をＶ_２、送電コイル（地上側コイル２３）に流れる電流をＩ_１（以下、「コイル電流Ｉ_１」という）、受電コイル（車両側コイル１１）に流れる電流をＩ_２とした場合、下記の式（１）に示すように、主に送電コイル（地上側コイル２３）の電流Ｉ_１に比例する。また、コイル電流Ｉ_１は、送受信コイル（地上側コイル２３，車両側コイル１１）の相対位置がずれるほど大きくなる（コイルの磁気結合係数ｋが低下する）。さらに、送受信コイル（地上側コイル２３，車両側コイル１１）の相対位置は、車両１０の位置が地上側コイル２３からずれほど、大きくずれる。このため、従来の技術では、無線ユニット１２４および無線ユニット２２４のどちらか一方に異常が生じ、送受信コイル（地上側コイル２３，車両側コイル１１）の相対位置がずれるほど、定電力充電における漏洩電磁界の強度が増大する。

〔非接触充電装置の処理〕
次に、非接触充電装置２０が実行する処理について説明する。図２は、非接触充電装置２０が実行する処理の概要を示すフローチャートである。なお、図２では、車両１０の車両側コイル１１と非接触充電装置２０の地上側コイル２３との位置合わせした後に、非接触充電装置２０から車両１０に向けて給電（送電）を開始した後に、無線ユニット２２４が車両１０の無線ユニット１２４からの位置情報を検出できなくなった場合または無線ユニット２２４が検出する磁界強度が所定値以下となった場合に、図示しないＥＣＵからの保護制御の実行指令に基づき非接触充電装置２０が行う処理について説明する。

図２に示すように、まず、制御部２５は、漏洩磁界の増大を防止する保護制御実行指令が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１０１）。制御部２５によって漏洩磁界の増大を防止する保護制御実行指令が入力されたと判定された場合（ステップＳ１０１：Ｙｅｓ）、非接触充電装置２０は、後述するステップＳ１０２へ移行する。これに対して、制御部２５によって漏洩磁界の増大を防止する保護制御実行指令が入力されていないと判定された場合（ステップＳ１０１：Ｎｏ）、非接触充電装置２０は、本処理を終了する。

ステップＳ１０２において、制御部２５は、電流検出部２４が検出した地上側コイル２３の電流変化量が閾値を超えたか否かを判定する（｜ΔＩ／Δｔ｜＞閾値？）。制御部２５によって電流検出部２４が検出した地上側コイル２３の電流変化量が閾値を超えたと判定した場合（ステップＳ１０２：Ｙｅｓ）、非接触充電装置２０は、後述するステップＳ１０５へ移行する。これに対して、制御部２５は、電流検出部２４が検出した地上側コイル２３の電流変化量が閾値を超えていないと判定した場合（ステップＳ１０２：Ｎｏ）、非接触充電装置２０は、後述するステップＳ１０３へ移行する。

ステップＳ１０３において、制御部２５は、非接触充電装置２０による車両１０への充電継続を行う。

続いて、制御部２５は、非接触充電装置２０による車両１０への充電が終了したか否かを判定する（ステップＳ１０４）。例えば、制御部２５は、無線ユニット１２４を介して車両１０からバッテリ１３が満充電されたことを示す情報を受信した場合、非接触充電装置２０による車両１０への充電が終了したと判定する。制御部２５によって非接触充電装置２０による車両１０への充電が終了したと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｙｅｓ）、非接触充電装置２０は、本処理を終了する。これに対して、制御部２５によって非接触充電装置２０による車両１０への充電が終了していないと判定された場合（ステップＳ１０４：Ｎｏ）、非接触充電装置２０は、ステップＳ１０２へ戻る。

ステップＳ１０５において、制御部２５は、非接触充電装置２０による車両１０への充電を停止する。具体的には、制御部２５は、電源ユニット２２の各部を制御し、地上側コイル２３に出力される交流電力を停止することによって、非接触充電装置２０による車両１０への充電を停止する。

続いて、制御部２５は、非接触充電装置２０の異常終了処理を実行する（ステップＳ１０６）。ここで、異常終了処理とは、制御部２５が外部のサーバ、車両１０または非接触充電装置２０に設けられた表示モニタやスピーカー等に非接触給電に異常が生じて警告や情報を出力する処理である。もちろん、制御部２５は、地上側コイル２３と車両側コイル１１との相対位置がずれていることを出力するようにしてもよい。ステップＳ１０６の後、非接触充電装置２０は、本処理を終了する。

以上説明した実施の形態１によれば、制御部２５によって電流検出部２４が検出した地上側コイル２３の電流変化量が閾値を超えた場合、非接触充電装置２０による車両１０への充電を停止するため、給電時に漏洩磁界が増大することを防止することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２について説明する。実施の形態１では、電流検出部２４が地上側コイル２３とフィルタ回路２２３との間の電流値を検出していたが、実施の形態２では、インバータ２２２とフィルタ回路２２３との間の電流値を検出する。以下において、実施の形態１に係る非接触充電システム１と同一の構成には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

〔非接触充電システムの概要〕
図３は、実施の形態２に係る非接触充電システムの概略構成図である。図３に示す非接触充電システム１Ａは、実施の形態１に係る非接触充電装置２０に代えて、非接触充電装置２０Ａを備える。

〔非接触充電装置の構成〕
図３に示す非接触充電装置２０Ａは、実施の形態１に係る電流検出部２４に代えて、電流検出部２４Ａを備える。

電流検出部２４Ａは、インバータ２２２とフィルタ回路２２３との間に設けられる。具体的には、インバータ２２２とフィルタ回路２２３とを接続する電線に対して電気的に接続される。電流検出部２４Ａは、インバータ２２２からフィルタ回路２２３へ流れる交流電力の電流値を検出し、この検出結果を制御部２５へ出力する。電流検出部２４Ａは、電流計等を用いて構成される。

〔非接触充電装置の処理〕
次に、非接触充電装置２０Ａが実行する処理について説明する。図４は、非接触充電装置２０Ａが実行する処理の概要を示すフローチャートを示す図である。図４において、ステップＳ２０１、ステップＳ２０３～ステップＳ２０６は、図２のステップＳ１０１，ステップＳ１０３～ステップＳ１０６それぞれに対応し、ステップＳ２０２のみ異なる。このため、以下においては、ステップＳ２０２について説明する。

ステップＳ２０２において、制御部２５は、電流検出部２４Ａが検出したインバータ２２２の電流変化量が閾値を超えたか否かを判定する（｜ΔＩ／Δｔ｜＞閾値？）。制御部２５によって電流検出部２４Ａが検出したインバータ２２２の電流変化量が閾値を超えたと判定した場合（ステップＳ２０２：Ｙｅｓ）、非接触充電装置２０は、後述するステップＳ２０５へ移行する。これに対して、制御部２５は、電流検出部２４が検出したインバータ２２２の電流変化量が閾値を超えていないと判定した場合（ステップＳ２０２：Ｎｏ），非接触充電装置２０は、後述するステップＳ２０３へ移行する。

以上説明した実施の形態２によれば、制御部２５によって電流検出部２４Ａが検出したインバータ２２２の電流変化量が閾値を超えた場合、非接触充電装置２０による車両１０への充電を停止するため、給電時に漏洩磁界が増大することを防止することができる。

（その他の実施の形態）
また、実施の形態１，２に係る非接触充電システムでは、「部」を、「回路」などに読み替えることができる。例えば、制御部は、制御回路に読み替えることができる。

また、実施の形態１，２に係る非接触充電システムに実行させるプログラムは、インストール可能な形式または実行可能な形式のファイルデータでＣＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、ＵＳＢ媒体、フラッシュメモリ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、実施の形態１，２に係る非接触充電システムに実行させるプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよい。

なお、本明細書におけるフローチャートの説明では、「まず」、「その後」、「続いて」等の表現を用いてステップ間の処理の前後関係を明示していたが、本実施の形態を実施するために必要な処理の順序は、それらの表現によって一意的に定められるわけではない。即ち、本明細書で記載したフローチャートにおける処理の順序は、矛盾のない範囲で変更することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施の形態に限定されるものではない。したがって、添付のクレームおよびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１，１Ａ非接触充電システム
１０車両
１１車両側コイル
１２車載ユニット
１３バッテリ
２０，２０Ａ非接触充電装置
２１交流電源
２２電源ユニット
２３地上側コイル
２４，２４Ａ電流検出部
２５制御部
１２１，２２３フィルタ回路
１２２整流器
１２３インピーダンス変換器
１２４，２２４無線ユニット
１２５，２２５アンテナ
１２６ＥＣＵ
２２２インバータ

Claims

車両に設けられた受電コイルに向けて非接触で電力を給電する送電コイルを有する送信部と、
前記送信部へ供給される電流値を検出する検出部と、
前記電流値の変化量が予め設定された閾値を超えたか否かを判定し、前記電流値の変化量が前記閾値を超えた場合、前記送電コイルによる前記電力の給電を停止する制御部と、
を備える、
非接触充電制御装置。