JP6350439B2 - 非接触送電装置 - Google Patents

Description

この発明は、非接触送電装置に関し、特に、受電装置に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。

従来から送電装置から受電装置に非接触で電力を送電する非接触電力伝送システムが知られている（特許文献１〜６参照）。送電装置は、送電コイルを含み、受電装置は、受電コイルを含む。

たとえば、特開２０１４−２０７７９５号公報（特許文献６）に開示される非接触給電システムにおいては、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２０１４−２０７７９５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。

ここで、送電電力の大きさによって、デューティの調整量に対する送電電力の変化量は異なる。具体的には、送電電力が小さい場合の方が、送電電力が大きい場合よりも、デューティの調整量に対する送電電力の変化量は大きい。これは、送電電力が小さい領域においては、受電コイルからみた負荷インピーダンス変化が大きいためである。したがって、送電電力が小さい場合に、デューティを変化させると、送電電力が大きい場合と比較して、送電電力は大きく変化する。その結果、目標に対する送電電力のオーバーシュート量が大きくなり、制御が不安定になる可能性がある。このような問題及びその解決手段について、上記の特許文献１〜６では特に検討されていない。

この発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、送電電力の大きさを考慮して、送電電力のオーバーシュート量を適正に抑制することができる非接触送電装置を提供することである。

この発明のある局面に従う非接触送電装置は、送電部と、インバータと、制御部とを備える。送電部は、受電装置に非接触で送電するように構成される。電圧形のインバータは、送電部へ送電電力を供給する。制御部は、インバータを制御する。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を目標電力に近けるようにフィードバック制御を実行する。フィードバック制御のゲインは、目標電力が第１の電力である場合には、目標電力が第１の電力よりも大きな第２の電力である場合よりも小さい。

この非接触送電装置においては、目標電力が第１の電力である場合には、目標電力が第２の電力（＞第１の電力）である場合よりも、フィードバック制御のゲインとして小さな値が設定される。したがって、インバータ出力電圧のデューティの調整量に対する送電電力の変化量が大きくなる第１の電力に目標電力が設定されているときの方が、第２の電力に目標電力が設定されているときよりもデューティの調整量が抑えられる。その結果、この非接触送電装置によれば、出力電圧のデューティの調整量に対する送電電力の変化量が大きい場合であっても、送電電力のオーバーシュート量を抑制することができる。

この発明によれば、送電電力の大きさを考慮して、送電電力のオーバーシュート量を適正に抑制することができる非接触送電装置を提供することができる。

実施の形態の電力伝送システムの全体構成図である。 送電部及び受電部の回路構成の一例を示した図である。 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。 送電電力制御におけるゲインの決定手順を示すフローチャートである。

以下、この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、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

（非接触電力伝送システムの構成）
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。

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。

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。

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。

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。

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。）。なお、ターンオン電流は、必ずしも目標値に制御されなくてもよい。たとえば、ターンオン電流の目標値の代わりに、ターンオン電流の制限値が設けられてもよい。この場合には、ターンオン電流は制限値を超過しないように制御される。

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）を非接触で受電する。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。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。

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。

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。

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。

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、一次コイル２４２及びキャパシタ２４４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、一次コイル２４２に直列に接続される。受電部３１０は、二次コイル３１２及びキャパシタ３１４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、二次コイル３１２に直列に接続される。

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。

（各制御の制御ブロック）
図３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３を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、演算部４１０，４３０と、コントローラ４２０，４４０とを含む。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。

演算部４１０は、送電電力の目標値を示す目標電力Ｐｓｒ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することができる。

コントローラ４２０は、目標電力Ｐｓｒ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。送電電力Ｐｓが目標電力Ｐｓｒ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Ｐｓｒに制御される。

一方、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。また、上述のように、ターンオン電流は、必ずしも目標値に制御されなくてもよい。たとえば、ターンオン電流の目標値の代わりに、ターンオン電流の制限値が設けられてもよい。この場合には、ターンオン電流は制限値を超過しないように制御される。

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。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。

このような、インバータ出力電圧のデューティが調整されることにより送電電力が制御される非接触電力伝送システムにおいては、送電電力の大きさによってデューティの調整量に対する送電電力の変化量は異なる。具体的には、送電電力が小さい場合の方が、送電電力が大きい場合よりも、デューティの調整量に対する送電電力の変化量は大きい。これは、送電電力が小さい領域においては、二次コイル３１２からみた負荷インピーダンス変化が大きいためである。

したがって、送電電力が小さい場合にデューティを変化させると、送電電力が大きい場合と比較して、送電電力は大きく変化する。その結果、目標電力に対する送電電力のオーバーシュート量が大きくなり、制御が不安定になる可能性がある。

この実施の形態に従う送電装置１０において、送電電力制御（フィードバック制御）のゲインは、目標電力が第１の電力である場合には、第２の電力（＞第１の電力）である場合よりも小さい。

これにより、出力電圧のデューティの調整量に対する送電電力の変化量が大きくなる第１の電力に目標電力が設定されているときの方が、第２の電力に目標電力が設定されているときよりもインバータの出力電圧のデューティの調整量が抑えられる。その結果、この送電装置１０によれば、出力電圧のデューティの調整量に対する送電電力の変化量が大きい場合であっても、送電電力のオーバーシュート量を抑制することができる。

次に、送電電力制御のゲインを具体的にどのように決定するかについて説明する。
（ゲインの決定）
図４は、送電電力制御におけるゲインの決定手順を示すフローチャートである。このフローチャートに示される処理は、上述の送電電力制御と並列に実行される。図４を参照して、電源ＥＣＵ２５０は、通信部２６０，３７０を介して、充電ＥＣＵ３６０から送電電力の目標電力に関する情報を受信する（ステップＳ１００）。

送電電力の目標電力に関する情報が受信されると、電源ＥＣＵ２５０は、目標電力が所定値Ｐ１以下であるか否かを判断する（ステップＳ１１０）。これは、送電電力の大きさによってインバータ出力電圧のデューティの調整量に対する送電電力の変化量が異なるため、目標電力の大きさによって送電電力制御におけるゲインを変更する必要があるためである。

目標電力が所定値Ｐ１より大きいと判断されると（ステップＳ１１０においてＮＯ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力のゲインとしてゲインＧ２を設定する（ステップＳ１２０）。一方、目標電力が所定値Ｐ１以下であると判断されると（ステップＳ１１０においてＹＥＳ）、電源ＥＣＵ２５０は、送電電力制御のゲインとして、ゲインＧ２よりも小さいゲインＧ１を設定する（ステップＳ１３０）。

たとえば、充電開始時から所定時間は大きい一定電力（第２の電力）が送電され、所定時間経過後、蓄電装置３５０の満充電間近から小さい一定電力（第１の電力）が送電されるような電力伝送システムにおいては、所定時間が経過するまでは送電電力制御のゲインとして大きいゲイン（ゲインＧ２）が設定され、所定時間経過後はゲインとして小さいゲイン（ゲインＧ１）が設定される。ステップＳ１２０又はＳ１３０の処理が完了すると、処理はステップＳ１４０に移行する。

このように、送電装置１０において、送電電力制御（フィードバック制御）のゲインは、目標電力が第１の電力である場合には、第２の電力（＞第１の電力）である場合よりも小さい。これにより、この送電装置１０によれば、出力電圧のデューティの調整量に対する送電電力の変化量が大きい場合であっても、送電電力のオーバーシュート量を抑制することができる。

なお、電源ＥＣＵ２５０は、不図示の内部メモリに、目標電力毎に最適なゲインを算出できる関数を記憶し、この関数に基づいて目標電力毎に送電電力制御のゲインを算出するようにしてもよい。これにより、目標電力毎により適切なゲインを設定できるため、制御をより安定させることができる。

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説明ではなく、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およ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 一次コイル、２４４，３１４ キャパシタ、２４６，３１６ 抵抗、２５０ 電源ＥＣＵ、２６０，３７０ 通信部、２７０，３８０ 電圧センサ、２７２，３８２ 電流センサ、３１０ 受電部、３１２ 二次コイル、３３０ 整流部、３４０ リレー回路、３５０ 蓄電装置、３６０ 充電ＥＣＵ、４１０，４３０ 演算部、４２０，４４０ コントローラ。

Claims (1)

1. 受電装置に非接触で送電するように構成された送電部と、
   前記送電部へ送電電力を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近づけるようにフィードバック制御を実行し、
   前記フィードバック制御のゲインは、前記目標電力が第１の電力である場合には、前記目標電力が前記第１の電力よりも大きな第２の電力である場合よりも小さい、非接触送電装置。

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