JP2023108524A - 車両 - Google Patents

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Toshiya Hashimoto
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Makoto Hashimoto
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Kazuyoshi Obayashi
恵亮 谷
Keisuke Tani
宜久 山口
Yoshihisa Yamaguchi
正樹 金▲崎▼
Masaki Kanezaki
優一 竹村
Yuichi Takemura
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Abstract

【課題】電源の劣化を抑制することができる車両を提供すること。【解決手段】走行路に車両進行方向に沿って所定間隔をあけて配置された複数の非接触送電装置から非接触で電力を受電する非接触受電装置と、走行用の駆動力を発生可能な回転電機と、前記回転電機との間で電力のやり取りを行うインバータと、第1電源と、前記第1電源に対して出力密度が高く容量密度が低い第2電源と、前記第2電源との間で電力のやり取りを行うDCDCコンバータと、を備えた車両であって、前記非接触受電装置と前記インバータと前記DCDCコンバータと前記第1電源とが並列で、前記非接触受電装置から前記インバータに電力を供給する電力バスに電気的に接続されており、前記DCDCコンバータを介して前記第2電源と前記電力バスとを電気的に接続する。【選択図】図2

Description

本発明は、車両に関する。
特許文献1には、走行中非接触給電によって、走行路に設置された複数の非接触送電装置から非接触受電装置が非接触で受電した電力を、DCDCコンバータを介して、モータジェネレータ(インバータ)及び電源であるバッテリへ供給可能な車両が開示されている。
特開2014-147160号公報
しかしながら、特許文献1に開示された車両では、送電コイルが離散的に配置され、車両走行位置に応じて離散的に給電され、非接触送電装置から非接触受電装置が受電する電力が大きく変動するため、非接触受電装置からモータジェネレータ(インバータ)やバッテリに電力を供給する際のバス電圧も大きく変動してしまい、バス電圧の変動を低減するためにバッテリの充放電が行われることでバッテリの劣化を招いてしまう。
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電源の劣化を抑制することができる車両を提供することである。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る車両は、走行路に車両進行方向に沿って所定間隔をあけて配置された複数の非接触送電装置から非接触で電力を受電する非接触受電装置と、走行用の駆動力を発生可能な回転電機と、前記回転電機との間で電力のやり取りを行うインバータと、第1電源と、前記第1電源に対して出力密度が高く容量密度が低い第2電源と、前記第2電源との間で電力のやり取りを行うDCDCコンバータと、を備えた車両であって、前記非接触受電装置と前記インバータと前記DCDCコンバータと前記第1電源とが並列で、前記非接触受電装置から前記インバータに電力を供給する電力バスに電気的に接続されており、前記DCDCコンバータを介して前記第2電源と前記電力バスとを電気的に接続することを特徴とするものである。
これにより、非接触送電装置から非接触受電装置が受電する電力の変動分を、DCDCコンバータを介して第2電源で電力の入出力を行うことによって補償し、バス電圧の変動を低減させることで、バス電圧の変動を低減させるための第1電源の充放電を抑制することができるため、第1電源の劣化を抑制することができる。
また、上記において、前記非接触受電装置と前記電力バスとを電気的に直接接続するようにしてもよい。
これにより、非接触受電装置で受電した電力を、非接触受電装置からインバータに電力を供給する電力バスに給電する際の電力損失を抑制することができる。
また、上記において、前記第1電源は二次電池であり、前記第2電源はキャパシタであってもよい。
これにより、一般に車両に搭載される部品を、第1電源と第2電源として用いることができる。
また、上記において、前記DCDCコンバータでのDCDC変換指令値は、前記非接触受電装置から前記電力バスに供給される電力の変動分を前記第2電源で補償すると共に、前記回転電機の要求電力に応じた所望のバス平均電圧を得られる直流変換分を設定するようにしてもよい。
これにより、第2電源で前記変動分を補償してバス電圧を略安定化させるとともに、第2電源でクランプされるバス平均電圧を調整することができる。
また、上記において、目標バス電圧と実バス電圧との差に応じて、前記DCDC変換指令値をフィードバック制御するようにしてもよい。
これにより、バス平均電圧の制御精度を向上させることができる。
また、上記において、前記非接触受電装置が電流型の場合には、前記回転電機の消費電力が大きいほどバス電圧を大きくするようにしてもよい。
これにより、回転電機の消費電力が大きいほど、走行中非接触給電によって非接触送電装置から非接触受電装置が大電力を受電することができる。
また、上記において、前記非接触受電装置が電圧型の場合には、前記回転電機の消費電力と前記非接触受電装置の平均受電電力とに応じて、バス電圧を設定するようにしてもよい。
これにより、回転電機の消費電力が大きいほど、走行中非接触給電によって非接触送電装置から非接触受電装置が大電力を受電することができる。
また、上記において、前記非接触受電装置側に系統側へ電力を戻す回生機能が無く、且つ、前記回転電機が回生動作する場合には、前記非接触受電装置から前記第1電源へ供給される電力を減らすように、バス目標電圧を設定するようにしてもよい。
これにより、回転電機からの回生電力によってバス電圧が上昇しても、非接触受電装置から第1電源に供給される電力を減少させることによって、回転電機と非接触受電装置とから第1電源に供給される電力が大きくなり過ぎて、第1電源が劣化し易くなるのを抑制することができる。
また、上記において、前記DCDCコンバータでのDCDC変換指令値は、記非接触受電装置から前記電力バスに供給される電力の変動分の一部または全部を補償する値に設定するようにしてもよい。
これにより、第2電源で前記変動分を全補償してバス電圧を略安定化させることができる。また、第2電源で前記変動分の一部を補償するように制限することによって、DCDCコンバータを小型化することができる。
本発明に係る車両は、非接触送電装置から非接触受電装置が受電する電力の変動分を、DCDCコンバータを介して第2電源で電力の入出力を行うことによって補償し、バス電圧の変動を低減させることで、バス電圧の変動を低減させるための第1電源の充放電を抑制することができるため、第1電源の劣化を抑制することができるという効果を奏する。
図1は、実施形態における車両を模式的に示す図である。 図2は、車両の構成を説明するためのブロック図である。 図3は、DWPT電力の変動を説明するための図である。 図4(a)は、電流型の走行中非接触給電システムにおけるDCリンク電圧とDWPT電力との関係を示したグラフである。図4(b)は、DCリンク電圧とMG出力との関係を示したグラフである。 図5(a)は、電圧型の走行中非接触給電システムにおけるDCリンク電圧とDWPT電力との関係を示したグラフである。図5(b)は、DCリンク電圧とMG出力との関係を示したグラフである。 図6は、バス電圧予測値の算出方法を説明するための図である。 図7は、バッテリの特性として、バッテリのSOCと電圧との関係を示したグラフである。 図8は、車速によるDWPT電力の変動の周期の違いを説明するための図である。
以下に、本発明に係る車両の一実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。
図1は、実施形態に係る車両1を模式的に示す図である。実施形態に係る車両1は、走行用の動力源としてモータジェネレータ2を搭載した電動車両である。この車両1では、例えば、バッテリ3に蓄えられた電力をモータジェネレータ2に供給することによりモータジェネレータ2を駆動する。モータジェネレータ2から出力された動力は動力伝達装置を介して駆動輪に伝達される。
また、実施形態に係る車両1は、車両1が走行可能な走行路である道路22に設置された送電コイルを有する非接触送電装置21から供給される電力を、受電コイルによって非接触で受電できる非接触受電装置4を備えている。なお、本実施形態においては、非接触送電装置21と非接触受電装置4とによって、車両1の走行中に非接触送電装置21から非接触受電装置4に非接触で給電可能な走行中非接触給電(DWPT:Dynamic Wireless Power Transfer)システムが構成されている。そして、実施形態に係る車両1において、走行中非接触給電によって非接触送電装置21から非接触受電装置4が受電した電力は、モータジェネレータ2及びバッテリ3に供給される。
図2は、車両1の構成を説明するためのブロック図である。図2に示すように、実施形態に係る車両1は、モータジェネレータ2と、バッテリ3と、非接触受電装置4と、インバータ5と、DCDCコンバータ6と、キャパシタ7と、電力バス10と、ECU(Electronic Control Unit)100とを備えている。電力バス10は、正極用電力バス10Pと負極用電力バス10Nとからなる。そして、実施形態に係る車両1においては、正極用電力バス10Pと負極用電力バス10Nとの間にて、バッテリ3と非接触受電装置4とインバータ5とDCDCコンバータ6とキャパシタ7とが並列で配置されて電力バス10に電気的に接続されている。また、キャパシタ7は、正極側端子がDCDCコンバータ6に電気的に接続されており、負極側端子が電力バス10の負極用電力バス10Nに電気的に接続されており、DCDCコンバータ6を介してキャパシタ7が電力バス10に電気的に接続されている。また、インバータ5には、3相交流電力が授受可能なようにモータジェネレータ2が電気的に接続されている。
モータジェネレータ(MG)2は、電動機としての機能と発電機としての機能を有する回転電機である。例えば、モータジェネレータ2の動力によって車両1が走行する際には、電子制御装置であるECU100がインバータ5を制御することによって、モータジェネレータ2から出力されるトルクが制御される。
バッテリ3は、第1電源であって、モータジェネレータ2に供給するための電力を蓄えることができる二次電池である。なお、前記二次電池としては、一般に車両(電動車両)に搭載される部品を用いることができ、例えば、リチウムイオン電池などを用いることができる。バッテリ3は、非接触受電装置4で受電され、且つ、DCDCコンバータ6で電圧を調整された電力を蓄電する。また、バッテリ3は、モータジェネレータ2によって車両駆動力を発生させるための電力を、DCDCコンバータ6を介してインバータ5へ供給する。さらに、バッテリ3は、モータジェネレータ2の回生動作によって発電された電力を、DCDCコンバータ6を介して蓄電する。
なお、バッテリ3には、いずれも図示しないが、バッテリ3の電圧及び入出力される電流を検出するための電圧センサ及び電流センサが設けられている。これらの検出値は、ECU100へ出力される。ECU100は、電圧センサ及び電流センサによって検出された電圧及び電流に基づいて、バッテリ3のSOC(State Of Charge)を演算する。
非接触受電装置4は、車両1の走行中などに、道路22に設置された非接触送電装置21が有する送電コイルから非接触で電力を受け取ることが可能な受電コイルを有している。そして、例えば、非接触送電装置21から所定距離の範囲内に非接触受電装置4が位置する状態で、非接触送電装置21から非接触受電装置4への送電が行われる。非接触送電装置21から非接触受電装置4に供給された電力は、モータジェネレータ2やバッテリ3などに送られる。
インバータ5は、モータジェネレータ2との間で電力のやり取りを行うことが可能であり、電力バス10からの直流電力を交流電力に変換してモータジェネレータ2に供給したり、モータジェネレータ2からの交流電力を直流電力に変換して電力バス10に供給したりする。
DCDCコンバータ6は、電力バス10とキャパシタ7との間でやり取りされる電力(キャパシタ7で入出力される電力)の調圧などを行なう。
キャパシタ7は、第1電源(バッテリ3)に対して出力密度が高く容量密度が低い第2電源であり、非接触受電装置4から電力バス10に供給された電力の一部を、一時的に蓄電することが可能である。キャパシタ7としては、一般に車両(電動車両)に搭載される部品を用いることができ、例えば、EDLC(Electrical Double Layer Capacitor)、LIC(Lithium Ion Capacitor)、及び、SRC(Super Redox Capacitor)などを用いることができる。
ここで、図1に示すように、複数の非接触送電装置21は、車両進行方向で離散的に道路22に配置されている。走行中非接触給電システムにおいては、道路22に設置された非接触送電装置21から車両1に設けられた非接触受電装置4へ車両1の走行中に非接触給電(走行中非接触給電)する場合、接触給電方式のパンタグラフ給電と異なり、図3に示すように、非接触送電装置21から非接触受電装置4に供給される電力であるDWPT電力(PDWPT)が大きく変動する。言い換えると、非接触受電装置4が受電したDWPT電力に大きな電力リプルが生じる。そのため、非接触受電装置4からモータジェネレータ2(インバータ5)やバッテリ3(DCDCコンバータ6)に電力を供給する際の電力バス10の電圧であるバス電圧も大きく変動してしまい、バッテリ3の劣化やモータジェネレータ2の制御性の悪化を招いてしまう。走行中非接触給電において、非接触送電装置21から非接触受電装置4が受電する電力の変動の原因は、例えば、車両進行方向で道路22に離散的に配置された複数の非接触送電装置21から離散的に給電されたり、非接触送電装置21と非接触受電装置4との相対位置が左右方向の位置ズレにより変化しながら給電されたりするためである。
そのため、実施形態に係る車両1では、図3に示した電力上限ラインL1と電力下限ラインL2との間にDWPT電力(PDWPT)が収まるように、走行中非接触給電において非接触送電装置21から非接触受電装置4が受電する電力(非接触受電装置4から電力バス10に供給される電力)の変動分(走行中非接触給電システムでの電力リプル)を、DCDCコンバータ6を介してキャパシタ7で電力の入出力を行うことによって一部または全部を補償している。これにより、実施形態に係る車両1においては、走行中非接触給電システムでの電力リプルに起因したバス電圧の変動を低減させて、前記バス電圧の変動(前記電力リプル)によるバッテリ3の充放電を抑制することができるため、バッテリ3の小容量化やバッテリ3の劣化抑制などが可能となる。なお、DCDCコンバータ6としては、キャパシタ7で入出力される電力を変換するのに十分な小容量のDCDCコンバータを用いることによって低損失化を図ることができる。
また、実施形態に係る車両1では、DCDCコンバータ6を介さずに非接触受電装置4からインバータ5に直接給電するため、DCDCコンバータ6を介して非接触受電装置4からインバータ5に給電する場合よりも、電力の損失を低減させることができる。
また、実施形態に係る車両1は、非接触受電装置4と電力バス10との間にDCDCコンバータ6を接続せずに、非接触受電装置4と電力バス10とを直接接続している。これにより、実施形態に係る車両1では、DCDCコンバータ6を介さずに、非接触受電装置4から電力バス10を通じてモータジェネレータ2(インバータ5)及びバッテリ3に電力を供給するため、DCDCコンバータ6での電力損失を低減することができる。
また、実施形態に係る車両1において、DCDCコンバータ6でのDCDC変換指令値は、非接触受電装置4から電力バス10に供給される電力の変動分(走行中非接触給電システムでの電力リプル)をキャパシタ7で補償すると共に、MG電力(走行中非接触給電システムでのモータジェネレータ2の要求電力)に応じた所望のバス平均電圧を得られる直流変換分を設定する。言い換えると、DCDC変換指令値は、MG電力指令値とバッテリ充放電電力指令値とに応じて設定する。これにより、実施形態に係る車両1においては、キャパシタ7で前記変動分(前記電力リプル)を補償してバス電圧を略安定化させるととともに、キャパシタ7でクランプされるバス平均電圧を調整することができる。また、実施形態に係る車両1においては、DCDCコンバータ6でのDCDC変換指令値は、非接触受電装置4から電力バス10に供給される電力の変動分(走行中非接触給電システムでの電力リプル)の一部または全部を補償する値に設定するようにしてもよい。これにより、実施形態に係る車両1においては、キャパシタ7で前記変動分(前記電力リプル)を全補償してバス電圧を略安定化させることができる。また、実施形態に係る車両1においては、キャパシタ7で前記変動分(前記電力リプル)の一部を補償するように制限することによって、DCDCコンバータ6を小型化することができる。
実施形態に係る車両1においては、DCリンク電圧に応じて電力バス10のバス電圧を制御して、走行中非接触給電システムでの非接触受電装置4の受電電力を制御する。例えば、実施形態に係る車両1においては、目標バス電圧と実バス電圧との差に応じて、DCDCコンバータ変換指令値をフィードバック制御する。これにより、バス平均電圧の制御精度を向上させることができる。
図4(a)は、電流型の走行中非接触給電システムにおけるDCリンク電圧とDWPT電力との関係を示したグラフである。図4(b)は、DCリンク電圧とMG出力との関係を示したグラフである。
走行中非接触給電システムを構成する非接触受電装置4に電流型(イミタンス、SS等)を採用した場合には、図4(a)に示すように、DCリンク電圧が大きくなるほど、DWPT電力も大きくなる関係を満たす。また、DCリンク電圧は、図4(b)に示すように、MG出力(モータジェネレータ2の消費電力)が大きいほど、必要とするDCリンク電圧が大きくなる。よって、実施形態に係る車両1においては、非接触受電装置4が電流型の場合、MG出力が大きいほどDCリンク電圧(バス電圧)を大きくするために、DWPT電力を大きくする。これにより、モータジェネレータ2の消費電力が大きいほど、走行中非接触給電によって非接触送電装置21から非接触受電装置4が大電力を受電することができる。
図5(a)は、電圧型の走行中非接触給電システムにおけるDCリンク電圧とDWPT電力との関係を示したグラフである。図5(b)は、DCリンク電圧とMG出力との関係を示したグラフである。
走行中非接触給電システムを構成する非接触受電装置4に電圧型(BPF、PP等)を採用した場合には、図5(a)に示すように、DCリンク電圧(バス電圧)が高くなるほど非接触受電装置4の平均受電電力が減少するため、図5(b)に示したMG出力(モータジェネレータ2の消費電力)と前記平均受電電力とのバランスが取れるDCリンク電圧(バス電圧)を設定する。これにより、モータジェネレータ2の消費電力が大きいほど、走行中非接触給電によって非接触送電装置21から非接触受電装置4が大電力を受電することができる。
また、実施形態に係る車両1においては、走行中非接触給電システム側に系統側へ電力を戻す回生機能が無く、且つ、モータジェネレータ2が回生動作する場合、非接触受電装置4からバッテリ3へ供給される電力を減らすように、バス目標電圧を設定する。これにより、モータジェネレータ2からの回生電力によってバス電圧が上昇しても、非接触受電装置4からバッテリ3に供給される電力を減少させることによって、モータジェネレータ2と非接触受電装置4とからバッテリ3に供給される電力が大きくなり過ぎて、バッテリ3が劣化し易くなるのを抑制することができる。
図6は、バス電圧予測値の算出方法を説明するための図である。なお、図6中の白抜き矢印は、電流の流れ方向を示している。図7は、バッテリ3の特性として、バッテリ3のSOCと電圧との関係を示したグラフである。なお、図7中、SOCBatはバッテリ3のSOCであり、VBatはバッテリ3の電圧である。
実施形態に係る車両1においては、走行中非接触給電によって非接触送電装置21から非接触受電装置4が受電する電力の変動に基づいて、モータジェネレータ2の回転駆動をPWM制御する際のPWMデューティを決定する。PWMデューティは、例えば、下記数式(1)によって算出する。
Figure 2023108524000002
上記数式(1)中のバス電圧予測値は、周期的なDWPT電力瞬時値に基づき、図7に示したようなバッテリ3の特性(バッテリ3のSOCと電圧との関係)からバス電圧を推定する。なお、この際、バッテリ3の出し入れ電力(充放電電流)と、バッテリ3の内部抵抗(電池内部抵抗)とに基づき、バッテリ3の瞬時電圧を開放端電圧に対する変動分を含んで推定する。
非接触受電装置4からインバータ5(モータジェネレータ2)とDCDCコンバータ6(キャパシタ7)とへ電力を供給する場合に、バッテリ3に供給される電力は、下記数式(2)によって算出することができる。なお、下記数式(2)中、PDCDC(Cap)はDCDCコンバータ6(キャパシタ7)に入力される電力であり、PDWPTはDWPT電力(非接触受電装置4から出力される電力)であり、PInv(MG)はインバータ5(モータジェネレータ2)に入力される電力であり、PBatはバッテリ3に入力される電力である。
Figure 2023108524000003
実施形態に係る車両1においては、上記数式(1)及び数式(2)を用いて算出したPWMデューティを用いてモータジェネレータ2の回転駆動をPWM制御することにより、走行中非接触給電での電力リプルに起因したバス電圧の変動があっても、前記PWM制御の精度を確保することができる。
また、本実施形態においては、車両1が走行中の道路22に配置された複数の非接触送電装置21の車両進行方向における配置間隔(車両進行方向で隣り合う非接触送電装置21間の距離)が一定のため、現在の車速から車両1の移動距離を求めて、複数の非接触送電装置21のそれぞれに対する車両1の相対位置を算出することができる。そのため、非接触送電装置21に対する車両1(非接触受電装置4)の相対位置に基づいて、走行中非接触給電によって非接触送電装置21から非接触受電装置4が受電する電力の変動分(繰り返し)を推定することができる。
例えば、図8に示すように、所定の車速で走行中非接触給電を行っている際のDWPT電力(バス電圧)の変動が周期T1で起こっている場合に、時刻t1で一定の車速まで低下すると、DWPT電力(バス電圧)の変動の周期が周期T1よりも長い周期T2になる。よって、実施形態に係る車両1では、走行中非接触給電を行っている際に、道路22上における車両位置(車速)に基づいて、DWPT電力ひいてはバス電圧を推定することができる。
なお、現在の車速から車両1の移動距離を求めて、複数の非接触送電装置21のそれぞれに対する車両1(非接触受電装置4)の相対位置を算出する際に、起点とする道路22上における車両位置としては、例えば、車両1に設けられたカーナビゲーションシステムが有するGPSを用いて所定のタイミングで検知した車両位置を設定するようにしてもよい。また、所定の車速で走行中非接触給電を行っている際のDWPT電力(バス電圧)の変動の周期を車速ではなく、モータジェネレータ2の回転角度に基づいて推定するようにしてもよい。
1 車両
2 モータジェネレータ
3 バッテリ
4 非接触受電装置
5 インバータ
6 DCDCコンバータ
7 キャパシタ
10 電力バス
10P 正極用電力バス
10N 負極用電力バス
100 ECU

Claims (9)

  1. 走行路に車両進行方向に沿って所定間隔をあけて配置された複数の非接触送電装置から非接触で電力を受電する非接触受電装置と、
    走行用の駆動力を発生可能な回転電機と、
    前記回転電機との間で電力のやり取りを行うインバータと、
    第1電源と、
    前記第1電源に対して出力密度が高く容量密度が低い第2電源と、
    前記第2電源との間で電力のやり取りを行うDCDCコンバータと、
    を備えた車両であって、
    前記非接触受電装置と前記インバータと前記DCDCコンバータと前記第1電源とが並列で、前記非接触受電装置から前記インバータに電力を供給する電力バスに電気的に接続されており、
    前記DCDCコンバータを介して前記第2電源と前記電力バスとを電気的に接続することを特徴とする車両。
  2. 前記非接触受電装置と前記電力バスとを電気的に直接接続することを特徴とする請求項1に記載の車両。
  3. 前記第1電源は二次電池であり、
    前記第2電源はキャパシタである、
    ことを特徴とする請求項1または2に記載の車両。
  4. 前記DCDCコンバータでのDCDC変換指令値は、前記非接触受電装置から前記電力バスに供給される電力の変動分を前記第2電源で補償すると共に、前記回転電機の要求電力に応じた所望のバス平均電圧を得られる直流変換分を設定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の車両。
  5. 目標バス電圧と実バス電圧との差に応じて、前記DCDC変換指令値をフィードバック制御することを特徴とする請求項4に記載の車両。
  6. 前記非接触受電装置が電流型の場合には、前記回転電機の消費電力が大きいほどバス電圧を大きくすることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の車両。
  7. 前記非接触受電装置が電圧型の場合には、前記回転電機の消費電力と前記非接触受電装置の平均受電電力とに応じて、バス電圧を設定することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載の車両。
  8. 前記非接触受電装置側に系統側へ電力を戻す回生機能が無く、且つ、前記回転電機が回生動作する場合には、前記非接触受電装置から前記第1電源へ供給される電力を減らすように、バス目標電圧を設定することを特徴とする請求項6または7に記載の車両。
  9. 前記DCDCコンバータでのDCDC変換指令値は、記非接触受電装置から前記電力バスに供給される電力の変動分の一部または全部を補償する値に設定することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載の車両。
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