JP6304152B2 - 非接触送電装置及び電力伝送システム - Google Patents

Description

この発明は、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電力制御技術に関する。

特開２０１４−２０７７９５号公報（特許文献１）は、給電装置（送電装置）から車両（受電装置）へ非接触で給電する非接触給電システムを開示する。この非接触給電システムでは、給電装置は、送電コイルと、インバータと、制御部とを備える。送電コイルは、車両に搭載された受電コイルへ非接触で送電する。インバータは、駆動周波数に応じた交流電流を生成して送電コイルへ出力する。制御部は、バッテリへの充電電力指令とバッテリへの出力電力とを車両側から取得し、出力電力が充電電力指令に追従するようにインバータの駆動周波数をフィードバック制御する（特許文献１参照）。

特開２０１４−２０７７９５号公報 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

インバータが、電圧形のインバータであり、駆動周波数に応じた送電電力を送電部へ供給する場合に、インバータ出力電圧のデューティ（duty）を調整することによって送電電力を制御することができる。また、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を制御することができる。

なお、電圧形インバータにおいては、出力電圧の立上り時に出力電圧と同符号の出力電流（正のターンオン電流）が流れると、インバータの還流ダイオードにリカバリー電流が流れることが知られている。リカバリー電流が流れると、還流ダイオードが発熱し、損失が増大する。そこで、インバータの駆動周波数を調整してターンオン電流を目標値（たとえば０以下）に制御することにより、リカバリー電流の発生が抑えられる。

しかしながら、インバータの駆動周波数を調整して所望のインバータ動作点を探索している過程で、インバータから送電部に供給される電流が所定の制限値（定格電流等）を超過し、過電流が発生する可能性がある。このような過電流を抑制するとの課題及びその解決手段について、上記の特許文献１では特に検討されていない。

それゆえに、この発明の目的は、受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置において、インバータから送電部に供給される電流が過電流となるのを抑制することである。

また、この発明の別の目的は、送電装置から受電装置へ非接触で送電する電力伝送システムにおいて、送電装置のインバータから送電部に供給される電流が過電流となるのを抑制することである。

この発明によれば、非接触送電装置は、送電部と、電圧形のインバータと、インバータを制御する制御部とを備える。送電部は、受電装置へ非接触で送電するように構成される。インバータは、駆動周波数に応じた送電電力を送電部へ供給する。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、インバータの出力電圧のデューティ（duty）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ものである（送電電力制御）。第２の制御は、インバータの駆動周波数を調整することによって、出力電圧の立上り時におけるインバータの出力電流を示すターンオン電流を目標値に制御するものである（ターンオン電流制御）。なお、ターンオン電流の目標値は、たとえば、インバータの還流ダイオードにリカバリー電流が生じない範囲に設定される。そして、制御部は、第２の制御による駆動周波数の調整中に、インバータから送電部に供給される電流（以下「送電電流」とも称する。）が所定の制限値を超過した場合には、第１の制御における目標電力を低下させる。

また、この発明によれば、電力伝送システムは、送電装置と、受電装置とを備える。送電装置は、送電部と、電圧形のインバータと、インバータを制御する制御部とを含む。送電部は、受電装置へ非接触で送電するように構成される。インバータは、駆動周波数に応じた送電電力を送電部へ供給する。制御部は、第１の制御（送電電力制御）と、第２の制御（ターンオン電流制御）とを実行する。そして、制御部は、第２の制御による駆動周波数の調整中に送電電流が所定の制限値を超過した場合には、第１の制御における目標電力を低下させる。

上記の各発明においては、インバータの駆動周波数の調整中に送電電流が制限値を超過した場合に、目標電力を低下させることによって送電電流が抑制される。したがって、これらの発明によれば、送電電流が過電流となるのを抑制することができる。

なお、インバータから送電部に供給される電流（送電電流）とは、送電部に流れる電流であってもよいし、インバータの出力電流であってもよい。また、送電電流が制限値を超過するとは、送電電流の実効値が制限値を超過するものとしてもよいし、送電電流の最大値（ピーク値）が制限値を超過するものとしてもよい。

好ましくは、制御部は、第２の制御による駆動周波数の調整中に送電電流が制限値を超過した場合には、制限値に対する送電電流の超過量に比例した補正量を目標電力から差引くことによって目標電力を低下させる。

このような構成とすることにより、簡易な構成で、制限値を超える過電流を迅速に抑制することができる。

好ましくは、制御部は、超過量の積分値に比例した補正量を目標電力から差引くことによって目標電力を低下させる。

このような構成とすることにより、送電電流が制限値を超えるような大きさになる場合に、送電電流が制限値に制御される。したがって、この発明によれば、過電流を確実に抑制し、かつ、目標電力の低下量を最小限に抑えることができる。

この発明によれば、受電装置へ非接触で送電する非接触送電装置において、インバータから送電部に供給される電流が過電流となるのを抑制することができる。

また、この発明によれば、送電装置から受電装置へ非接触で送電する電力伝送システムにおいて、送電装置のインバータから送電部に供給される電流が過電流となるのを抑制することができる。

この発明の実施の形態による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を示した図である。 インバータのスイッチング波形と、出力電圧及び出力電流の波形とを示した図である。 電源ＥＣＵにより実行される送電電力制御及びターンオン電流制御の制御ブロック図である。 図５に示す目標電力補正部の制御ブロック図である。 送電電力及びターンオン電流の等高線の一例を示した図である。 電源ＥＣＵにより実行されるインバータの動作点探索処理を説明するためのフローチャートである。 目標電力補正部の他の構成を示す制御ブロック図である。

以下、本発明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。

図１は、この発明の実施の形態による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得る。

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、ＰＦＣ回路２１０から受ける直流電力を、所定の伝送周波数を有する送電電力（交流）に変換する。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、伝送周波数を有する交流電力（送電電力）をインバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて受け、送電部２４０の周囲に生成される電磁界を通じて、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。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の出力電流を検出し、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（すなわち、送電部２４０から受電装置２０へ出力される電力）を検出することができる。電流センサ２７４は、送電部２４０に流れる電流を検出し、その検出値を電源ＥＣＵ２５０へ出力する。

なお、送電電力の検出には、電流センサ２７２に代えて電流センサ２７４を用いてもよいし、ＰＦＣ回路２１０とインバータ２２０との間の直流ラインにおいて電圧及び電流を検出することにより送電電力を算出してもよい。

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）、各種センサや機器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、インバータ２２０が送電電力（交流）を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。

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、送電電力を目標電力に制御するためのフィードバック制御（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の出力電圧のデューティ（duty）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。なお、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。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におけるターンオン電流を目標値に制御するためのフィードバック制御（以下「ターンオン電流制御」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の駆動周波数（スイッチング周波数）を調整することによって、ターンオン電流を目標値に制御する。ターンオン電流とは、インバータ２２０の出力電圧の立上り時におけるインバータ２２０の出力電流の瞬時値である。ターンオン電流が正であると、インバータ２２０の還流ダイオードに逆方向のリカバリー電流が流れ、還流ダイオードにおいて発熱すなわち損失が発生する。そこで、ターンオン電流制御の上記目標値（ターンオン電流目標値）は、インバータ２２０の還流ダイオードにリカバリー電流が生じない範囲に設定され、基本的には０以下の所定値とされる（力率が良くなる「０」が理想的であるが、マージンをとって負値に設定してもよく、また、リカバリー電流による損失が問題とならない程度に小さい正値に設定してもよい。）。

さらに、この実施の形態に従う送電装置１０においては、インバータ２２０から送電部２４０に供給される電流が過電流とならないように、電源ＥＣＵ２５０は、ターンオン電流制御によるインバータ駆動周波数の調整中に、インバータ２２０から送電部２４０に供給される電流が所定の制限値（たとえば定格電流）を超過した場合には、送電電力制御における目標電力を低下させる。この目標電力の調整を含めた送電電力制御及びターンオン電流制御については、後ほど詳しく説明する。

なお、上記において、インバータ２２０から送電部２４０に供給される電流は、以下では、送電部２４０に流れる電流（電流センサ２７４によって検出される。）とするが、インバータ２２０の出力電流（電流センサ２７２によって検出される。）であってもよい。

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。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。

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として大容量のキャパシタも採用可能である。

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、送電装置１０による蓄電装置３５０の充電時にオンされる。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、受電電力の検出については、受電部３１０とフィルタ回路３２０との間の電力線、又はフィルタ回路３２０と整流部３３０との間の電力線において、電圧及び電流を検出することにより受電電力を検出してもよい。

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）、各種センサや機器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、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。

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、送電電力の力率を補償するために設けられ、コイル２４２に直列に接続される。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、受電電力の力率を補償するために設けられ、コイル３１２に直列に接続される。なお、このような回路構成は、ＳＳ方式（一次直列二次直列方式）とも称される。

なお、特に図示しないが、送電部２４０及び受電部３１０の構成は、このようなＳＳ方式のものに限定されない。たとえば、受電部３１０において、コイル３１２にキャパシタ３１４が並列接続されるＳＰ方式（一次直列二次並列方式）や、さらに送電部２４０において、コイル２４２にキャパシタ２４４が並列接続されるＰＰ方式（一次並列二次並列方式）等も採用され得る。

再び図１を参照して、この電力伝送システムにおいては、インバータ２２０からフィルタ回路２３０を通じて送電部２４０へ送電電力（交流）が供給される。送電部２４０及び受電部３１０の各々は、コイルとキャパシタとを含み、伝送周波数において共振するように設計されている。送電部２４０及び受電部３１０の共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。

送電装置１０において、インバータ２２０から送電部２４０へ送電電力が供給されると、送電部２４０のコイルと受電部３１０のコイルとの間に形成される電磁界を通じて、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３は、図１に示したインバータ２２０の回路構成を示した図である。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Ｖｏ及び出力電流Ｉｏ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Ｖｏはほぼ電圧Ｖ１（正値）となる。

図４は、インバータ２２０のスイッチング波形と、出力電圧Ｖｏ及び出力電流Ｉｏの波形とを示した図である。図４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Ｖｏ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Ｖｏ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Ｖｏ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Ｖｏ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Ｖｏが０からＶ１（正値）に立上がる（時刻ｔ４と同じ状態）。

この図４では、出力電圧Ｖｏ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Ｖｏのデューティを変化させることができる。たとえば、図４に示されるケースに対して、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のスイッチングタイミングを早めると、出力電圧Ｖｏのデューティを０．２５よりも小さくすることができ（最小値は０）、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ４のスイッチングタイミングを遅めると、出力電圧Ｖｏのデューティを０．２５よりも大きくすることができる（最大値は０．５）。

この出力電圧Ｖｏのデューティを調整することによって、送電電力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。そこで、この実施の形態では、電源ＥＣＵ２５０は、出力電圧Ｖｏ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送電電力制御を実行する。

また、出力電圧Ｖｏの立上り時（時刻ｔ４や時刻ｔ８）における出力電流Ｉｏの瞬時値Ｉｔは、上述の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の駆動周波数（スイッチング周波数）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（図３）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の駆動周波数（スイッチング周波数）が変化するとターンオン電流Ｉｔが変化するので、インバータ２２０の駆動周波数を調整することによって、ターンオン電流Ｉｔを制御し得る。そこで、この実施の形態では、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の駆動周波数を調整することによって、ターンオン電流Ｉｔを目標値に制御するターンオン電流制御を実行する。そして、ターンオン電流Ｉｔの目標値は、インバータ２２０においてリカバリー電流が生じないように、基本的に０以下の値とされる。

再び図１を参照して、上述のように、この実施の形態では、インバータ２２０の出力電圧のデューティを調整することによって、インバータ２２０から送電部２４０へ供給される送電電力が目標電力に制御される（送電電力制御）。また、インバータ２２０においてリカバリー電流が生じないように、インバータ２２０の駆動周波数（スイッチング周波数）を調整することによって、ターンオン電流が０以下の目標値に制御される（ターンオン電流制御）。

ここで、インバータ２２０の駆動周波数を調整して所望のインバータ動作点を探索している過程で、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが所定の制限値（定格電流等）を超過し、送電部２４０に過電流が生じる可能性がある（なお、電流Ｉｓは交流であり、制限値との比較については、電流Ｉｓの実効値を用いてもよいし、電流Ｉｓの最大値（ピーク値）を用いてもよい。以下では、電流Ｉｓはその実効値を示すものとする。）。送電部２４０のコイル２４２と受電部３１０のコイル３１２との結合係数ｋは、受電装置２０の負荷を電流Ｉｓで除算した値に比例するので（受電装置２０の負荷をＶＲとして、ｋ∝ＶＲ／Ｉｓ）、特に結合係数ｋが小さい場合には、電流Ｉｓが大きくなり過電流が生じ得る。

そこで、この実施の形態に従う送電装置１０では、インバータ２２０の駆動周波数を調整して所望のインバータ動作点を探索している場合に、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが制限値を超過したときは、送電電力制御における目標電力を低下させる。これにより、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが抑制され、送電部２４０に過電流が生じるのを抑制することができる。以下、電源ＥＣＵ２５０により実行される送電電力制御及びターンオン電流制御の詳細について説明する。

図５は、電源ＥＣＵ２５０により実行される送電電力制御及びターンオン電流制御の制御ブロック図である。図５を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、目標電力補正部４５０と、演算部４１０，４３０と、コントローラ４２０，４４０とを含む。目標電力補正部４５０、演算部４１０、コントローラ４２０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、演算部４３０、コントローラ４４０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、ターンオン電流制御を構成する。

目標電力補正部４５０は、送電電力の目標値を示す目標電力Ｐｓｒと、送電部２４０に流れる電流Ｉｓの検出値とを受ける。電流Ｉｓは、電流センサ２７４（図１）によって検出される。そして、電流Ｉｓが所定の制限値（たとえば電流Ｉｓの定格値）を超過すると、目標電力補正部４５０は、その超過量に応じて目標電力Ｐｓｒを低下させ、低下補正後の目標電力Ｐｓｒａを演算部４１０へ出力する。

図６は、図５に示した目標電力補正部４５０の詳細な制御ブロック図である。図６を参照して、目標電力補正部４５０は、演算部４５２，４５８と、フィルタ部４５４と、補正量算出部４５６とを含む。

演算部４５２は、送電部２４０に流れる電流Ｉｓの制限値Ｉｓｕ（たとえば定格値）から電流Ｉｓの検出値を減算し、その演算値をフィルタ部４５４へ出力する。フィルタ部４５４は、演算部４５２から受ける演算値について、負値についてはそのまま出力し、正値については０を出力する。すなわち、電流Ｉｓが制限値Ｉｓｕを超過しているとき、フィルタ部４５４は超過量を負値として出力し、電流Ｉｓが制限値Ｉｓｕよりも小さいときは、フィルタ部４５４の出力は０となる。

補正量算出部４５６は、フィルタ部４５４の出力を受けて目標電力Ｐｓｒの補正量を算出する。具体的には、補正量算出部４５６は、比例項４６０によって構成される。比例項４６０は、フィルタ部４５４の出力に所定の比例ゲインＫＰを乗算することによって、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に比例した目標電力Ｐｓｒの補正量（低下量）を算出する。なお、この比例項４６０は、正のゲインを持っており、したがって、補正量算出部４５６の出力は、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に比例した負値となる。

演算部４５８は、補正量算出部４５６の出力を目標電力Ｐｓｒに加算し、その演算結果を目標電力Ｐｓｒａとして出力する。なお、補正量算出部４５６の出力は、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に比例した負値であるので、目標電力Ｐｓｒａは、目標電力Ｐｓｒよりも、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に比例した小さい値となる。

再び図５を参照して、演算部４１０は、目標電力補正部４５０による補正後の目標電力Ｐｓｒａ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４２０へ出力する。なお、送電電力Ｐｓは、たとえば、電圧センサ２７０及び電流センサ２７２（図１）の検出値に基づいて算出され得るが、ＰＦＣ回路２１０（図１）とインバータ２２０との間の直流ラインにおいて検出される電圧及び電流に基づいて算出されてもよい。

コントローラ４２０は、目標電力Ｐｓｒａと送電電力Ｐｓとの偏差に基づいて、インバータ２２０の出力電圧Ｖｏのデューティ指令値を生成する。コントローラ４２０は、たとえば、目標電力Ｐｓｒａと送電電力Ｐｓとの偏差を入力とするＰＩ制御（比例積分制御）等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とする。これにより、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒａに近づくように出力電圧Ｖｏのデューティが調整され、送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒａに制御される。

なお、この実施の形態では、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目標電力Ｐｓｒが生成されるものとしている。したがって、送電装置１０において、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に応じて目標電力を低下させることにより送電電力Ｐｓが低下すると、受電装置２０において受電電力が低下し、その結果、受電装置２０において生成される目標電力Ｐｓｒが増加してしまう。そこで、この実施の形態では、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に応じて目標電力を低下させているときは、たとえば、受電電力に基づいて生成される目標電力Ｐｓｒの増加を許容しないこととしている。

一方、ターンオン電流制御について、演算部４３０は、ターンオン電流の目標値Ｉｔｒからターンオン電流Ｉｔの検出値を減算し、その演算値をコントローラ４４０へ出力する。なお、ターンオン電流の目標値Ｉｔｒは、上述のように基本的に０以下の値とされる。また、ターンオン電流Ｉｔの検出値は、電圧センサ２７０（図１）により出力電圧Ｖｏの立上りが検知されたときの電流センサ２７２（図１）の検出値（瞬時値）である。

コントローラ４４０は、ターンオン電流の目標値Ｉｔｒとターンオン電流Ｉｔとの偏差に基づいて、インバータ２２０の駆動周波数（スイッチング周波数）指令値を生成する。コントローラ４４０は、たとえば、ターンオン電流の目標値Ｉｔｒとターンオン電流Ｉｔとの偏差を入力とするＰＩ制御等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上記の周波数指令値とする。これにより、ターンオン電流Ｉｔが目標値Ｉｔｒに近づくようにインバータ２２０の駆動周波数が調整され、ターンオン電流Ｉｔが目標値Ｉｔｒに制御される。

なお、インバータ２２０の出力電圧Ｖｏのデューティを調整する送電電力制御と、インバータ２２０の駆動周波数を調整するターンオン電流制御とは互いに干渉する。送電電力制御によって調整されるデューティによっては、ターンオン電流制御によってターンオン電流Ｉｔを目標値Ｉｔｒに制御できない場合もあり得る。

図７は、送電電力Ｐｓ及びターンオン電流Ｉｔの等高線の一例を示した図である。図７を参照して、横軸はインバータ２２０の駆動周波数（スイッチング周波数）を示し、縦軸はインバータ２２０の出力電圧Ｖｏのデューティを示す。

線ＰＬ１，ＰＬ２の各々は、送電電力Ｐｓの等高線を示す。線ＰＬ１によって示される送電電力は、線ＰＬ２によって示される送電電力よりも大きい。図から分かるように、ある送電電力を実現するデューティは、周波数依存性を示す。線ＩＬ１は、ターンオン電流の等高線を示す。図示される線ＩＬ１は、ターンオン電流が０以下の所定値となる等高線であり（ここでは、一例としてターンオン電流が０となる等高線が示されている。）、デューティが増大し、かつ、周波数が低下するにつれて、ターンオン電流は小さくなる（負方向へ増大）。

斜線で示される領域Ｓは、インバータ２２０においてリカバリー電流が生じる領域である。すなわち、領域Ｓに含まれるインバータ２２０の動作点では、ターンオン電流が０よりも大きくなり、インバータ２２０においてリカバリー電流が生じる。以下では、この領域Ｓを「禁止帯Ｓ」とも称する。なお、この実施の形態では、禁止帯Ｓの境界は、ターンオン電流が０のラインではなく、小さい正値のターンオン電流は許容するものとしている。

動作点Ｐ０は、インバータ２２０の動作点の目標値である。すなわち、線ＰＬ１，ＩＬ１がそれぞれ目標電力Ｐｓｒ及びターンオン電流目標値Ｉｔｒを示す場合に、インバータ２２０は、線ＰＬ１，ＩＬ１の交点である動作点Ｐ０に制御される。太線で示されるラインは、インバータ２２０の起動処理の実行時における動作点の推移を示したものである。禁止帯Ｓは、図示されるように、デューティが小さいときに拡大する傾向にある。そこで、インバータ２２０の起動時（デューティが０から増大する送電電力立上げ時）には、動作点が禁止帯Ｓを速やかに通過するように、デューティを調整する送電電力制御のゲインが大きくされる。これにより、動作点は、太線で示されるように推移する。

目標電力Ｐｓｒを実現する線ＰＬ１に動作点が達すると、インバータ２２０の駆動周波数が調整されて動作点が目標のＰ０まで推移する。基本的には、動作点は、目標電力Ｐｓｒを維持しつつ（線ＰＬ１を辿りつつ）目標のＰ０まで推移する（点線Ａ）。しかしながら、ここでは、インバータ２２０の駆動周波数の調整中に、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが制限値（定格値）を超過したために、その超過量に応じて目標電力Ｐｓｒが下げられ、その結果、動作点は線Ｂのように推移している。これにより、送電部２４０に過電流が生じるのを抑制することができる。

図８は、図１に示した電源ＥＣＵ２５０により実行されるインバータ２２０の動作点探索処理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８を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、送電装置１０から受電装置２０への送電の開始指示が有ったか否かを判定する（ステップＳ１０）。この送電開始指示は、送電装置１０又は受電装置２０において利用者による指示に基づくものであってもよいし、タイマー等による充電開始時刻の到来に伴ない発生させてもよい。送電開始指示が無いときは（ステップＳ１０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、以降の一連の処理を実行することなくステップＳ８０へ処理を移行する。

ステップＳ１０において送電開始指示が有ったものと判定されると（ステップＳ１０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力Ｐｓの目標電力Ｐｓｒ及びターンオン電流Ｉｔの目標値Ｉｔｒ（初期値）を設定する（ステップＳ２０）。なお、目標電力Ｐｓｒは、上述のように受電装置２０の受電状況に基づいて生成されるところ、送電が開始されていないこの時点では、予め定められた初期値に設定される。ターンオン電流目標値Ｉｔｒの初期値には、たとえば０が設定される。

目標電力Ｐｓｒ及びターンオン電流目標値Ｉｔｒ（初期値）が設定されると、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御及びターンオン電流制御を実行する（ステップＳ３０）。なお、送電電力制御の実行に伴ない送電装置１０から受電装置２０への送電が開始されると、受電装置２０の受電状況に応じて目標電力Ｐｓｒが修正され、受電装置２０において受電電力が目標値に近づくと、目標電力Ｐｓｒも安定する。

送電電力制御及びターンオン電流制御が実行されると、電源ＥＣＵ２５０は、送電部２４０に流れる電流Ｉｓの検出値を電流センサ２７４（図１）から取得する（ステップＳ４０）。そして、電源ＥＣＵ２５０は、検出された電流Ｉｓが所定の制限値（たとえば定格電流等）を超過しているか否かを判定する（ステップＳ５０）。上述のように、送電電力制御によって送電電力を目標電力に制御しつつ、インバータ２２０の駆動周波数を調整して所望のインバータ動作点（ターンオン電流目標値）を探索している過程で、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが制限値（定格電流等）を超える場合がある。この過電流は、特に、送電部２４０のコイル２４２と受電部３１０のコイル３１２との結合係数ｋが小さい場合に生じやすい。

ステップＳ５０において電流Ｉｓが制限値を超過していると判定されると（ステップＳ５０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御の目標電力を所定量低下させる（ステップＳ６０）。具体的には、図５及び図６に示した目標電力補正部４５０において、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に比例した量（超過量に所定の比例ゲインＫＰを乗算した値）が目標電力の低下量として算出される。ステップＳ５０において電流Ｉｓは制限値以下であると判定されたときは（ステップＳ５０においてＮＯ）、ステップＳ６０に示される処理は実行されずにステップＳ７０へ処理が移行する。

次いで、電源ＥＣＵ２５０は、インバータ２２０の動作点の探索が完了したか否かを判定する（ステップＳ７０）。基本的には、ステップＳ２０において設定された目標電力及びターンオン電流目標値の初期値が動作点探索の目標動作点であるが、ステップＳ６０において目標電力の低減が実施されているときは、低減された目標電力及びターンオン電流目標値が目標動作点となる。

そして、インバータ２２０の動作点が所望の目標動作点に到達し、動作点の探索が完了したものと判定されると（ステップＳ７０においてＹＥＳ）、ステップＳ８０へ処理が移行する。一方、ステップＳ７０において動作点の探索がまだ完了していないと判定されると（ステップＳ７０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、ステップＳ３０へ処理を戻し、送電電力制御及びターンオン電流制御が継続して実行される。

以上のように、この実施の形態においては、インバータ２２０の駆動周波数の調整中に、送電部２４０に流れる電流Ｉｓ（インバータ２２０の出力電流でもよい。）が制限値Ｉｓｕを超過した場合に、目標電力Ｐｓｒを低下させることによって電流Ｉｓが抑制される。したがって、この実施の形態によれば、送電部２４０に過電流が生じるのを抑制することができる。

また、この実施の形態によれば、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に比例して目標電力Ｐｓｒを低下させるので、簡易な構成で、制限値を超える過電流を迅速に抑制することができる。

なお、上記の実施の形態では、目標電力補正部４５０の補正量算出部４５６（図６）は、比例項４６０によって構成されるものとしたが、積分項をさらに含んでもよい。

図９は、目標電力補正部４５０の他の構成を示す制御ブロック図である。なお、この図９は、図６に対応するものである。図９を参照して、目標電力補正部４５０の補正量算出部４５６は、比例項４６０に加えて、積分項４６２と、積分ゲイン項４６４と、演算部４６６とをさらに含んで構成される。積分項４６２は、フィルタ部４５４の出力の積分値を出力する。積分ゲイン項４６４は、積分項４６２の出力に所定の積分ゲインＫＩを乗算して出力する。演算部４６６は、比例項４６０の出力に積分ゲイン項４６４の出力を加算することによって、目標電力Ｐｓｒの補正量（低下量）を算出する。なお、積分ゲイン項４６４は、正のゲインを持っており、したがって、積分ゲイン項４６４の出力は、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量の積分値に比例した負値となる。

演算部４５８は、補正量算出部４５６の出力を目標電力Ｐｓｒに加算し、その演算結果を目標電力Ｐｓｒａとして出力する。なお、補正量算出部４５６の演算部４６６の出力は、制限値Ｉｓｕに対する電流Ｉｓの超過量に比例した負値と、その超過量の積分値に比例した負値との和であるので、目標電力Ｐｓｒａは、超過量に比例した値と超過量の積分値に比例した値との合計分だけ目標電力Ｐｓｒよりも小さい値となる。

この構成によれば、目標電力補正部４５０が積分項を含むので、送電部２４０に流れる電流Ｉｓが制限値Ｉｓｕを超えるような大きさになる場合に、電流Ｉｓが制限値Ｉｓｕに制御される。したがって、電流Ｉｓが過電流になるのを確実に抑制し、かつ、目標電力Ｐｓｒの低下量を最小限に抑えることができる。

なお、目標電力補正部４５０の構成は、図６や図９に示される構成に限定されるものではなく、比例制御や比例積分制御以外の制御手法を用いて目標電力Ｐｓｒの補正量を算出してもよい。

なお、上記において、電源ＥＣＵ２５０は、この発明における「制御部」の一実施例に対応する。また、送電電力制御は、この発明における「第１の制御」に対応し、ターンオン電流制御は、この発明における「第２の制御」に対応する。

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 電源ＥＣＵ、２６０，３７０ 通信部、２７０，３８０ 電圧センサ、２７２，２７４，３８２ 電流センサ、３１０ 受電部、３３０ 整流部、３４０ リレー回路、３５０ 蓄電装置、３６０ 充電ＥＣＵ、４１０，４３０，４５２，４５８，４６６ 演算部、４２０，４４０ コントローラ、４５０ 目標電力補正部、４５４ フィルタ部、４５６ 補正量算出部、４６０ 比例項、４６２ 積分項、４６４ 積分ゲイン項、Ｑ１〜Ｑ４ スイッチング素子、Ｄ１〜Ｄ４ 還流ダイオード、Ｔ１〜Ｔ４ 端子。

Claims (6)

1. 受電装置へ非接触で送電するように構成された送電部と、
   駆動周波数に応じた送電電力を前記送電部へ供給する電圧形のインバータと、
   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を目標電力に制御する第１の制御と、
   前記駆動周波数を調整することによって、前記出力電圧の立上り時における前記インバータの出力電流を示すターンオン電流を制御する第２の制御とを実行し、
   前記制御部は、前記第２の制御による前記駆動周波数の調整中に、前記インバータから前記送電部に供給される電流が所定の制限値を超過した場合には、前記第１の制御における前記目標電力を低下させる、非接触送電装置。
2. 前記制御部は、前記第２の制御による前記駆動周波数の調整中に前記電流が前記制限値を超過した場合には、前記制限値に対する前記電流の超過量に比例した補正量を前記目標電力から差引くことによって前記目標電力を低下させる、請求項１に記載の非接触送電装置。
3. 前記制御部は、前記超過量の積分値に比例した補正量を前記目標電力からさらに差引くことによって前記目標電力を低下させる、請求項２に記載の非接触送電装置。
4. 送電装置と、
   受電装置とを備え、
   前記送電装置は、
   受電装置へ非接触で送電するように構成された送電部と、
   駆動周波数に応じた送電電力を前記送電部へ供給する電圧形のインバータと、
   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を目標電力に制御する第１の制御と、
   前記駆動周波数を調整することによって、前記出力電圧の立上り時における前記インバータの出力電流を示すターンオン電流を制御する第２の制御とを実行し、
   前記制御部は、前記第２の制御による前記駆動周波数の調整中に、前記インバータから前記送電部に供給される電流が所定の制限値を超過した場合には、前記第１の制御における前記目標電力を低下させる、電力伝送システム。
5. 前記制御部は、前記第２の制御による前記駆動周波数の調整中に前記電流が前記制限値を超過した場合には、前記制限値に対する前記電流の超過量に比例した補正量を前記目標電力から差引くことによって前記目標電力を低下させる、請求項４に記載の電力伝送システム。
6. 前記制御部は、前記超過量の積分値に比例した補正量を前記目標電力からさらに差引くことによって前記目標電力を低下させる、請求項５に記載の電力伝送システム。

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