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KR101318848B1 - 비접촉 급전 설비, 차량 및 비접촉 급전 시스템의 제어 방법 - Google Patents

비접촉 급전 설비, 차량 및 비접촉 급전 시스템의 제어 방법 Download PDF

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KR101318848B1
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신지 이치카와
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도요타 지도샤（주）
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Abstract

전원 장치(110)는, 소정의 주파수를 가지는 전력을 발생시킨다. 일차 자기 공진 코일(140)은, 이차 자기 공진 코일(210)과 전자장을 통해 공명함으로써 이차 자기 공진 코일(210)로 비접촉으로 송전한다. 전력 센서(115)는, 전원 장치(110)로의 반사 전력을 검출한다. 통신 장치(170)는, 차량(200)의 수전 상황을 수신한다. ECU(160)는, 수전 상황 및 반사 전력과, 일차 자기 공진 코일(140)에 대한 이차 자기 공진 코일(210)의 위치 어긋남량의 미리 구해진 관계를 이용하여, 차량(200)의 수전 상황 및 반사 전력에 의거하여 상기 위치 어긋남량을 추정한다.

Description

비접촉 급전 설비, 차량 및 비접촉 급전 시스템의 제어 방법{WIRELESS POWER FEEDING APPARATUS, VEHICLE, AND METHOD OF CONTROLLING WIRELESS POWER FEEDING SYSTEM}
본 발명은, 비접촉 급전 설비, 차량 및 비접촉 급전 시스템의 제어 방법에 관한 것으로, 특히, 송전 유닛과 수전 유닛이 전자장을 통해 공명함으로써 비접촉으로 급전을 행하는 비접촉 급전 설비 및 그것으로부터 수전하는 차량, 및 비접촉 급전 시스템의 제어 방법에 관한 것이다.
환경을 배려한 차량으로서, 전기 자동차나 하이브리드 자동차 등의 전동 차량이 크게 주목을 받고 있다. 이들 차량은, 주행 구동력을 발생시키는 전동기와, 그 전동기에 공급되는 전력을 축적하는 재충전 가능한 축전 장치를 탑재한다. 또한, 하이브리드 자동차는, 전동기와 함께 내연기관을 추가로 동력원으로서 탑재한 자동차나, 차량 구동용의 직류 전원으로서 축전 장치와 함께 연료전지를 추가로 탑재한 자동차 등이다.
하이브리드 자동차에 있어서도, 전기 자동차와 마찬가지로, 차량 외부의 전원으로부터 차량 탑재의 축전 장치를 충전 가능한 차량이 알려져 있다. 예를 들면, 가옥에 설치된 전원 콘센트와 차량에 설치된 충전구를 충전 케이블로 접속함으로써, 일반 가정의 전원으로부터 축전 장치를 충전 가능한 이른바 「플러그인·하이브리드 자동차」가 알려져 있다.
한편, 송전 방법으로서, 전원 코드나 송전 케이블을 사용하지 않는 와이어리스 송전이 최근 주목을 받고 있다. 이 와이어리스 송전 기술로서는, 유력한 것으로서, 전자 유도를 사용한 송전, 마이크로파를 사용한 송전, 및 공명법에 의한 송전의 3개의 기술이 알려져 있다.
이 중, 공명법은, 한 쌍의 공명기(예를 들면, 한 쌍의 코일)를 전자장(근접장)에 있어서 공명시키고, 전자장을 통해 송전하는 비접촉의 송전 기술로서, 수 kW의 대전력을 비교적 장거리(예를 들면, 수 m) 송전하는 것도 가능하다.
일본 특허공개 제2010-141976호 공보(특허문헌 1)는, 공명법에 의해 차량으로 비접촉으로 송전하는 비접촉 전력 전송 장치를 개시한다. 이 비접촉 전력 전송 장치는, 교류 전원과, 교류 전원에 접속된 일차 코일과, 일차 측 공명 코일과, 이차 측 공명 코일과, 부하(이차 전지)가 접속된 이차 코일을 구비하고, 교류 전원과 일차 코일 사이에 설치된 임피던스 가변 회로를 더 구비한다. 일차 코일, 일차 측 공명 코일, 이차 측 공명 코일, 이차 코일 및 부하는, 공명계를 구성한다. 그리고, 공명 주파수에 있어서의 공명계의 입력 임피던스와, 일차 코일보다 교류 전원 측의 임피던스가 맞도록, 임피던스 가변 회로의 임피던스가 조정된다.
이 비접촉 전력 전송 장치에 의하면, 공명 코일 사이의 거리나 전력을 받는 부하가 변화되어도, 교류 전원의 주파수를 변경하지 않고 교류 전원으로부터 부하로 효율적으로 전력을 공급할 수 있다(특허문헌 1 참조).
일본 특허공개 제2010-141976호 공보 일본 특허공개 제2010-119246호 공보
일차 측 공명 코일에 대하여 이차 측 공명 코일의 위치 어긋남이 생기면, 코일 사이의 거리가 변화됨으로써 공명계의 임피던스가 변화되고, 급전 설비로부터 차량으로의 송전 효율이 저하된다. 상기 공보에 개시되는 비접촉 전력 전송 장치에서는, 일차 측 공명 코일과 이차 측 공명 코일 사이의 거리가 거리 센서에 의해 측정되고, 그 측정 결과에 의거하여 임피던스 가변 회로에 의해 임피던스가 조정된다.
그러나, 일차 측 공명 코일과 이차 측 공명 코일 사이의 거리를 측정하는 거리 센서를 별도 설치하면, 설비 비용이 증가한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 송전 유닛과 수전 유닛이 전자장을 통해 공명함으로써 비접촉으로 급전을 행하는 비접촉 급전 시스템에 있어서, 송전 유닛과 수전 유닛 사이의 거리를 측정하기 위한 거리 센서를 불필요하게 하는 것이다.
본 발명에 의하면, 비접촉 급전 설비는, 수전 유닛을 포함하는 수전 장치로 비접촉으로 급전하는 비접촉 급전 설비로서, 전원 장치와, 송전 유닛과, 검출 장치와, 통신 장치와, 추정부를 구비한다. 전원 장치는, 소정의 주파수를 가지는 전력을 발생시킨다. 송전 유닛은, 전원 장치로부터 전력을 받아, 수전 유닛과 전자장을 통해 공명함으로써 수전 유닛으로 비접촉으로 송전한다. 검출 장치는, 전원 장치로의 반사 전력을 검출한다. 통신 장치는, 수전 장치의 수전 상황을 수신한다. 추정부는, 수전 상황 및 반사 전력과, 송전 유닛에 대한 수전 유닛의 위치 어긋남량의 미리 구해진 관계를 이용하여, 수전 상황 및 반사 전력에 의거하여 상기 위치 어긋남량을 추정한다.
바람직하게는, 비접촉 급전 설비는, 임피던스 가변 장치와, 임피던스 조정부를 더 구비한다. 임피던스 가변 장치는, 전원 장치와 송전 유닛 사이에 설치된다. 임피던스 조정부는, 상기 위치 어긋남량과 임피던스 가변 장치의 임피던스의 미리 구해진 관계를 이용하여, 상기 위치 어긋남량에 의거하여 임피던스를 조정한다.
바람직하게는, 수전 상황은, 수전 장치의 수전 전압이다.
또, 바람직하게는, 수전 상황은, 수전 장치의 수전 전력이다.
바람직하게는, 수전 장치는, 주어지는 지령에 따라 수전 임피던스를 소정값으로 고정 가능하게 구성된다. 통신 장치는, 추가로, 추정부에 의한 위치 어긋남량의 추정 시에 수전 임피던스를 소정값으로 고정하기 위한 지령을 수전 장치로 송신한다.
바람직하게는, 송전 유닛은, 일차 코일과, 일차 자기 공진 코일을 포함하고, 수전 유닛은, 이차 자기 공진 코일과, 이차 코일을 포함한다. 일차 코일은, 전원 장치로부터 전력을 받는다. 일차 자기 공진 코일은, 일차 코일로부터 전자 유도에 의해 급전되어, 전자장을 발생시킨다. 이차 자기 공진 코일은, 전자장을 통해 일차 자기 공진 코일과 공명함으로써 일차 자기 공진 코일로부터 수전한다. 이차 코일은, 이차 자기 공진 코일에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출(取出)하여 출력한다.
바람직하게는, 수전 장치는, 차량에 탑재된다.
또, 본 발명에 의하면, 차량은, 송전 유닛을 포함하는 급전 설비로부터 비접촉으로 수전 가능한 차량으로서, 수전 유닛과, 검출 장치와, 통신 장치와, 추정부를 구비한다. 수전 유닛은, 송전 유닛과 전자장을 통해 공명함으로써 송전 유닛으로부터 비접촉으로 수전한다. 검출 장치는, 수전 유닛에 의한 수전 상황을 검출한다. 통신 장치는, 급전 설비에 있어서의 반사 전력의 검출값을 수신한다. 추정부는, 수전 상황 및 반사 전력과, 송전 유닛에 대한 수전 유닛의 위치 어긋남량의 미리 구해진 관계를 이용하여, 수전 상황 및 반사 전력에 의거하여 상기 위치 어긋남량을 추정한다.
또, 본 발명에 의하면, 제어 방법은, 급전 설비로부터 수전 장치로 비접촉으로 급전하는 비접촉 급전 시스템의 제어 방법이다. 급전 설비는, 전원 장치와, 송전 유닛을 구비한다. 전원 장치는, 소정의 주파수를 가지는 전력을 발생시킨다. 송전 유닛은, 전원 장치로부터 전력을 받아, 수전 장치의 수전 유닛과 전자장을 통해 공명함으로써 수전 유닛으로 비접촉으로 송전한다. 그리고, 제어 방법은, 전원 장치로의 반사 전력을 검출하는 단계와, 수전 장치의 수전 상황을 검출하는 단계와, 수전 상황 및 반사 전력과 송전 유닛에 대한 수전 유닛의 위치 어긋남량의 미리 구해진 관계를 이용하여, 수전 상황 및 반사 전력에 의거하여 상기 위치 어긋남량을 추정하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 급전 설비는, 전원 장치와 송전 유닛 사이에 설치되는 임피던스 가변 장치를 더 구비한다. 제어 방법은, 상기 위치 어긋남량과 임피던스 가변 장치의 임피던스의 미리 구해진 관계를 이용하여, 상기 위치 어긋남량에 의거하여 임피던스를 조정하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 의하면, 수전 장치의 수전 상황 및 전원 장치로의 반사 전력에 의거하여 송전 유닛에 대한 수전 유닛의 위치 어긋남량이 추정되기 때문에, 송전 유닛과 수전 유닛 사이의 거리를 측정하기 위한 거리 센서를 불필요하게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 의한 비접촉 급전 시스템의 전체 구성도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 임피던스 정합기의 회로 구성의 일례를 나타낸 회로도이다.
도 3은 공명법에 의한 송전의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 1에 나타내는 급전 설비의 ECU의 기능 블록도이다.
도 5는 수전 전압 및 반사 전력과, 일차 자기 공진 코일에 대한 이차 자기 공진 코일의 위치 어긋남량의 관계를 나타낸 도면이다.
도 6은 일차 자기 공진 코일에 대한 이차 자기 공진 코일의 위치 어긋남량과 임피던스 정합기의 조정값의 관계에 대한 일례를 나타낸 도면이다.
도 7은 급전 설비의 ECU에 의해 실행되는 처리의 순서를 설명하기 위한 플로우 차트이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여, 도면을 참조하면서 상세하게 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일한 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 실시 형태에 의한 비접촉 급전 시스템의 전체 구성도이다. 도 1을 참조하여, 이 비접촉 급전 시스템은, 급전 설비(100)와, 차량(200)을 구비한다.
급전 설비(100)는, 전원 장치(110)와, 전력 센서(115)와, 임피던스 정합기(120)와, 일차 코일(130)과, 일차 자기 공진 코일(140)과, 콘덴서(150)와, 전자 제어 유닛(이하 「ECU」라고 칭한다.)(160)과, 통신 장치(170)를 포함한다.
전원 장치(110)는, 소정의 주파수를 가지는 전력을 발생시킨다. 일례로서, 전원 장치(110)는, 도시 생략한 계통 전원으로부터 전력을 받아, 1MHz∼십수(十數) MHz의 소정의 주파수를 가지는 전력을 발생시킨다. 전원 장치(110)는, ECU(160)로부터 받는 지령에 따라, 전력의 발생 및 정지 및 출력 전력을 제어한다.
전력 센서(115)는, 전원 장치(110)에 있어서의 진행파 전력 및 반사 전력을 검출하고, 그들 각 검출값을 ECU(160)로 출력한다. 또한, 진행파 전력은, 전원 장치(110)로부터 출력되는 전력이다. 또, 반사 전력은, 전원 장치(110)로부터 출력된 전력이 반사되어 전원 장치(110)로 되돌아간 전력이다. 또한, 이 전력 센서(115)에는, 전원 장치에 있어서의 진행파 전력 및 반사 전력을 검출할 수 있는 여러가지 공지된 센서를 사용할 수 있다.
임피던스 정합기(120)는, 전원 장치(110)와 일차 코일(130) 사이에 설치되고, 내부의 임피던스를 변경할 수 있게 구성된다. 임피던스 정합기(120)는, ECU(160)로부터 받는 지령에 따라 임피던스를 변경함으로써, 일차 코일(130), 일차 자기 공진 코일(140) 및 콘덴서(150), 및 차량(200)의 이차 자기 공진 코일(210), 콘덴서(220) 및 이차 코일(230)(후술)을 포함하는 공명계의 입력 임피던스를 전원 장치(110)의 출력 임피던스와 정합시킨다.
도 2는, 도 1에 나타낸 임피던스 정합기(120)의 회로 구성의 일례를 나타낸 회로도이다. 도 2를 참조하여, 임피던스 정합기(120)는, 가변 콘덴서(122, 124)와, 코일(126)을 포함한다. 가변 콘덴서(122)는, 전원 장치(110)(도 1)에 병렬로 접속된다. 가변 콘덴서(124)는, 일차 코일(130)(도 1)에 병렬로 접속된다. 코일(126)은, 전원 장치(110)와 일차 코일(130) 사이에 배치하여 설치되는 전력선 쌍의 일방에 있어서, 가변 콘덴서(122, 124)의 접속 노드 사이에 접속된다.
이 임피던스 정합기(120)에 있어서는, ECU(160)(도 1)로부터 받는 지령에 따라 가변 콘덴서(122, 124)의 적어도 일방의 용량이 변경됨으로써, 임피던스가 변화된다. 이것에 의해, 임피던스 정합기(120)는, ECU(160)로부터 받는 지령에 따라, 공명계의 입력 임피던스를 전원 장치(110)의 출력 임피던스와 정합시킨다.
또한, 특별히 도시하지 않지만, 코일(126)을 가변 코일로 구성하고, 가변 코일의 인덕턴스를 변경함으로써 임피던스를 변경할 수 있게 해도 된다.
다시 도 1을 참조하여, 일차 코일(130)은, 일차 자기 공진 코일(140)과 소정의 간격을 두고 일차 자기 공진 코일(140)과 대략 동축 상에 배치하여 설치된다. 일차 코일(130)은, 전자 유도에 의해 일차 자기 공진 코일(140)과 자기적으로 결합하고, 전원 장치(110)로부터 공급되는 고주파 전력을 전자 유도에 의해 일차 자기 공진 코일(140)로 공급한다.
일차 자기 공진 코일(140)은, 일차 코일(130)로부터 전자 유도에 의해 전력을 받아, 차량(200)에 탑재되는 이차 자기 공진 코일(210)(후술)과 전자장을 통해 공명함으로써 이차 자기 공진 코일(210)로 송전한다. 또한, 일차 자기 공진 코일(140)에는, 콘덴서(150)가 설치된다. 콘덴서(150)는, 예를 들면, 일차 자기 공진 코일(140)의 양단부(兩端部) 사이에 접속된다. 그리고, Q값(예를 들면, Q>100) 및 결합도(κ) 등이 커지도록 일차 자기 공진 코일(140)의 코일 직경 및 감김수 및 콘덴서(150)의 용량이 적절히 설계된다.
또한, 일차 코일(130)은, 전원 장치(110)로부터 일차 자기 공진 코일(140)로의 급전을 용이하게 하기 위하여 설치되는 것으로, 일차 코일(130)을 설치하지 않고 일차 자기 공진 코일(140)에 전원 장치(110)를 직접 접속해도 된다. 또, 일차 자기 공진 코일(140)의 부유 용량을 이용하여, 콘덴서(150)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다.
ECU(160)는, 급전 설비(100)로부터 차량(200)으로의 급전 시, 반사 전력 및 진행파 전력의 검출값을 전력 센서(115)로부터 받고, 통신 장치(170)에 의해 수신되는 차량(200) 측의 수전 상황을 통신 장치(170)로부터 받는다. 또한, 차량(200)의 수전 상황에는, 차량(200)에 있어서의 수전 전압이나 수전 전류, 수전 전력 등의 정보가 포함된다. 또, ECU(160)는, 수전 상황 외에, 차량(200)에 탑재되는 축전 장치(280)(후술)의 충전 상태(이하 「SOC(State Of Charge)」라고 칭한다.)에 관한 정보나 급전 개시/종료 지령 등도 통신 장치(170)로부터 받는다.
그리고, ECU(160)는, 미리 기억된 프로그램을 CPU(Central Processing Unit)에서 실행하는 것에 의한 소프트웨어 처리 및/또는 전용의 전자 회로에 의한 하드웨어 처리에 의해, 소정의 처리를 실행한다.
구체적으로는, ECU(160)는, 전원 장치(110)의 동작을 제어한다. 또, ECU(160)는, 차량(200)의 수전 상황 및 전원 장치(110)로의 반사 전력에 의거하여, 일차 자기 공진 코일(140)에 대한 이차 자기 공진 코일(210)의 위치 어긋남량(이하, 간단히 「위치 어긋남량」이라고 칭한다.)을 추정한다. 또한, 일차 자기 공진 코일(140)과 이차 자기 공진 코일(210)은 중심축이 서로 평행하게 되도록 배치하여 설치되고, 일차 자기 공진 코일(140)의 중심축에 대한 이차 자기 공진 코일(210)의 중심축의 오프셋량을 「위치 어긋남량」이라고 칭한다. 또, ECU(160)는, 추정된 위치 어긋남량에 의거하여, 임피던스 정합기(120)의 임피던스를 조정한다. 또한, 이들의 처리에 대해서는, 나중에 자세하게 설명한다.
통신 장치(170)는, 차량(200)과 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다. 통신 장치(170)는, 차량(200)의 수전 상황이나 축전 장치(280)의 SOC 등의 정보를 차량(200)으로부터 수신하여 ECU(160)로 출력한다. 또, 통신 장치(170)는, 위치 어긋남량의 추정 및 임피던스 조정을 포함하는 일련의 처리(이하, 간단히 「조정 처리」라고도 칭한다.)의 개시를 지시하는 지령이나, 축전 장치(280)를 충전하기 위한 본격적인 급전의 개시를 지시하는 지령을 ECU(160)로부터 받아서 차량(200)으로 송신한다.
한편, 차량(200)은, 이차 자기 공진 코일(210)과, 콘덴서(220)와, 이차 코일(230)과, 정류기(240)와, 전환 장치(250)와, 충전기(270)와, 축전 장치(280)와, 동력 출력 장치(285)를 포함한다. 또, 차량(200)은, 전압 센서(262)와, 전류 센서(264)와, ECU(290)와, 통신 장치(300)를 더 포함한다.
이차 자기 공진 코일(210)은, 급전 설비(100)의 일차 자기 공진 코일(140)과 전자장을 통해 공명함으로써 일차 자기 공진 코일(140)로부터 수전한다. 또한, 이차 자기 공진 코일(210)에는, 콘덴서(220)가 설치된다. 콘덴서(220)는, 예를 들면, 이차 자기 공진 코일(210)의 양단부 사이에 접속된다. 그리고, Q값(예를 들면, Q>100) 및 결합도(κ) 등이 커지도록 이차 자기 공진 코일(210)의 코일 직경 및 감김수 및 콘덴서(220)의 용량이 적절히 설계된다.
이차 코일(230)은, 이차 자기 공진 코일(210)과 소정의 간격을 두고 이차 자기 공진 코일(210)과 대략 동축 상에 배치하여 설치된다. 이차 코일(230)은, 전자 유도에 의해 이차 자기 공진 코일(210)과 자기적으로 결합 가능하고, 이차 자기 공진 코일(210)에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여 정류기(240)로 출력한다.
또한, 이차 코일(230)은, 이차 자기 공진 코일(210)로부터의 전력의 취출을 용이하게 하기 위하여 설치되는 것으로, 이차 코일(230)을 설치하지 않고 이차 자기 공진 코일(210)에 정류기(240)를 직접 접속해도 된다. 또, 이차 자기 공진 코일(210)의 부유 용량을 이용하여, 콘덴서(220)를 설치하지 않는 구성으로 해도 된다.
정류기(240)는, 이차 코일(230)로부터 출력되는 전력(교류)을 정류한다. 충전기(270)는, 정류기(240)로부터 출력되는 직류 전력을 축전 장치(280)의 충전 전압으로 전압 변환하여 축전 장치(280)로 출력한다. 축전 장치(280)는, 재충전 가능한 직류 전원이고, 예를 들면, 리튬 이온이나 니켈 수소 등의 이차 전지로 이루어진다. 축전 장치(280)는, 충전기(270)로부터 받는 전력을 축적하는 것 외에, 동력 출력 장치(285)에 의해 발전되는 회생 전력도 축적한다. 그리고, 축전 장치(280)는, 그 축적한 전력을 동력 출력 장치(285)로 공급한다. 또한, 축전 장치(280)로서 대용량의 커패시터도 채용 가능하다.
동력 출력 장치(285)는, 축전 장치(280)에 축적되는 전력을 이용하여 차량(200)의 주행 구동력을 발생시킨다. 특별히 도시하지 않지만, 동력 출력 장치(285)는, 예를 들면, 축전 장치(280)로부터 전력을 받는 인버터, 인버터에 의해 구동되는 모터, 모터에 의해 구동되는 구동륜 등을 포함한다. 또한, 동력 출력 장치(285)는, 축전 장치(280)를 충전하기 위한 발전기와, 발전기를 구동할 수 있는 엔진을 포함해도 된다.
전환 장치(250)는, 정류기(240)와 충전기(270) 사이에 설치된다. 전환 장치(250)는, 릴레이(252, 254)와, 저항 소자(256)를 포함한다. 릴레이(252)는, 정류기(240)와 충전기(270) 사이의 전력선에 설치된다. 릴레이(254) 및 저항 소자(256)는, 릴레이(252)보다 정류기(240) 측에 있어서, 정류기(240)와 충전기(270) 사이의 전력선 쌍 사이에 직렬로 접속된다.
그리고, 급전 설비(100)에 의한 축전 장치(280)의 충전 시, 릴레이(252, 254)는 각각 온, 오프된다. 한편, 조정 처리 시에는, 릴레이(252, 254)는 각각 오프, 온된다. 이 전환 장치(250)는, 위치 어긋남량의 추정 및 임피던스의 조정을 안정적으로 행하기 위하여, SOC에 의해 임피던스가 변화되는 축전 장치(280)를 분리하여 소정의 임피던스를 가지는 저항 소자(256)를 접속하기 위한 것이다.
전압 센서(262)는, 정류기(240)에 의해 정류된 수전 전압(V)을 검출하고, 그 검출값을 ECU(290)로 출력한다. 전류 센서(264)는, 정류기(240)로부터 출력되는 수전 전류(I)를 검출하고, 그 검출값을 ECU(290)로 출력한다.
ECU(290)는, 수전 전압(V) 및 수전 전류(I)의 검출값을 각각 전압 센서(262) 및 전류 센서(264)로부터 받는다. 또, ECU(290)는, 조정 처리의 개시를 지시하는 지령이나, 축전 장치(280)의 충전 개시를 지시하는 지령을 통신 장치(300)로부터 받는다. 그리고, ECU(290)는, 미리 기억된 프로그램을 CPU에서 실행하는 것에 의한 소프트웨어 처리 및/또는 전용의 전자 회로에 의한 하드웨어 처리에 의해, 상기 지령에 따라 전환 장치(250) 및 충전기(270)의 동작을 제어한다.
통신 장치(300)는, 급전 설비(100)와 통신을 행하기 위한 통신 인터페이스이다. 통신 장치(300)는, 차량(200)의 수전 상황이나 축전 장치(280)의 SOC 등의 정보를 ECU(290)로부터 받아 급전 설비(100)로 송신한다. 또, 통신 장치(300)는, 조정 처리의 개시를 지시하는 지령이나, 축전 장치(280)의 충전 개시를 지시하는 지령을 수신하여 ECU(290)로 출력한다.
이 비접촉 급전 시스템에 있어서는, 일차 자기 공진 코일(140) 및 이차 자기 공진 코일(210)이 전자장을 통해 공명함으로써, 급전 설비(100)로부터 차량(200)으로의 급전이 행하여진다. 급전 설비(100)로부터 차량(200)으로의 급전 시, 차량(200)에 있어서 수전 상황이 검출되고, 급전 설비(100)에 있어서 전원 장치(110)로의 반사 전력이 검출된다. 그리고, 차량(200)의 수전 상황 및 반사 전력에 의거하여 위치 어긋남량이 추정된다. 또한, 그 추정된 위치 어긋남량에 의거하여, 공명계의 입력 임피던스가 전원 장치(110)의 출력 임피던스와 정합하도록 임피던스 정합기(120)의 임피던스가 조정된다.
도 3은, 공명법에 의한 송전의 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3을 참조하여, 이 공명법에서는, 2개의 음차가 공명하는 것과 마찬가지로, 동일한 고유 진동수를 가지는 2개의 LC 공진 코일이 전자장(근접장)에 있어서 공명함으로써, 일방의 코일로부터 타방의 코일로 전자장을 통해 전력이 전송된다.
구체적으로는, 전원 장치(110)에 일차 코일(130)을 접속하고, 전자 유도에 의해 일차 코일(130)과 자기적으로 결합되는 일차 자기 공진 코일(140)로 1M∼십수 MHz의 고주파 전력을 급전한다. 일차 자기 공진 코일(140)은, 콘덴서(150)와 함께 LC 공진기를 형성하고, 일차 자기 공진 코일(140)과 동일한 공진 주파수를 가지는 이차 자기 공진 코일(210)과 전자장(근접장)을 통해 공명한다. 그렇게 하면, 일차 자기 공진 코일(140)로부터 이차 자기 공진 코일(210)로 전자장을 통해 에너지(전력)가 이동한다. 이차 자기 공진 코일(210)로 이동한 에너지(전력)는, 전자 유도에 의해 이차 자기 공진 코일(210)과 자기적으로 결합되는 이차 코일(230)에 의해 취출되고, 정류기(240)(도 1) 이후의 부하(350)로 공급된다. 또한, 공명법에 의한 송전은, 일차 자기 공진 코일(140)과 이차 자기 공진 코일(210)의 공명 강도를 나타내는 Q값이 예를 들면, 100보다 클 때에 실현된다.
도 4는, 도 1에 나타낸 급전 설비(100)의 ECU(160)의 기능 블록도이다. 도 4를 참조하여, ECU(160)는, 통신 제어부(400)와, 전력 제어부(410)와, 위치 어긋남량 추정부(420)와, 정합기 조정부(430)를 포함한다.
통신 제어부(400)는, 통신 장치(170)(도 1)에 의한 차량(200)과의 통신을 제어한다. 구체적으로는, 통신 제어부(400)는, 통신 장치(170)와 차량(200) 측의 통신 장치(300) 사이의 통신의 확립을 행한다. 또, 통신 제어부(400)는, 급전 설비(100)에 의한 차량(200)의 축전 장치(280)(도 1)의 충전에 앞서 조정 처리의 개시를 지시하는 지령이나, 조정 처리의 종료 후, 축전 장치(280)를 충전하기 위한 본격적인 급전의 개시를 지시하는 지령을 통신 장치(170)에 의해 차량(200)으로 송신한다. 또, 통신 제어부(400)는, 차량(200) 측의 수전 상황이나 축전 장치(280)의 SOC에 관한 정보, 급전 개시/종료 지령 등을 통신 장치(170)에 의해 차량(200)으로부터 수신한다.
전력 제어부(410)는, 전원 장치(110)를 제어함으로써 차량(200)으로의 급전 전력을 제어한다. 여기서, 조정 처리 시에는, 축전 장치(280)를 충전하기 위한 본격적인 급전 시보다 작은 전력(조정용 전력)을 출력하도록 전원 장치(110)를 제어한다.
위치 어긋남량 추정부(420)는, 차량(200)으로부터 수신한 수전 상황에 포함되는 수전 전압 및 전력 센서(115)(도 1)에 의해 검출되는 반사 전력에 의거하여, 일차 자기 공진 코일(140)에 대한 이차 자기 공진 코일(210)의 위치 어긋남량(δ)을 추정한다.
도 5는, 수전 전압 및 반사 전력과, 위치 어긋남량(δ)의 관계를 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하여, 위치 어긋남량(δ)이 작을 때는, 차량(200)에 있어서의 수전 전압은 높고, 급전 설비(100)에 있어서의 반사 전력은 작다. 한편, 위치 어긋남량(δ)이 클 때는, 수전 전압은 낮고, 반사 전력은 크다.
그래서, 이러한 수전 전압 및 반사 전력과, 위치 어긋남량의 관계를 미리 구하여 맵 등을 작성해 두고, 그 맵 등을 이용하여, 급전 설비(100)로부터 차량(200)으로의 송전 시에 검출되는 수전 전압 및 반사 전력에 의거하여 위치 어긋남량(δ)이 추정된다.
또한, 특별히 도시하지 않지만, 수전 전압 대신 수전 전력을 사용할 수도 있다. 즉, 위치 어긋남량(δ)이 작을 때는, 차량(200)에 있어서의 수전 전력은 크고, 급전 설비(100)에 있어서의 반사 전력은 작다. 한편, 위치 어긋남량(δ)이 클 때는, 수전 전력은 작고, 반사 전력은 크다. 그래서, 수전 전력 및 반사 전력과, 위치 어긋남량의 관계를 미리 구하여 맵 등을 작성해 두고, 그 맵 등을 이용하여, 급전 설비(100)로부터 차량(200)으로의 송전 시에 검출되는 수전 전력 및 반사 전력에 의거하여 위치 어긋남량(δ)을 추정해도 된다.
다시 도 4를 참조하여, 정합기 조정부(430)는, 위치 어긋남량 추정부(420)에 의해 추정된 위치 어긋남량(δ)에 의거하여, 공명계의 입력 임피던스와 전원 장치(110)의 출력 임피던스가 정합하도록 임피던스 정합기(120)(도 1, 2)의 임피던스를 조정한다.
도 6은, 위치 어긋남량(δ)과 임피던스 정합기(120)의 조정값의 관계에 대한 일례를 나타낸 도면이다. 도 6을 참조하여, C1, C2는, 각각 가변 콘덴서(122, 124)(도 2)의 조정값을 나타낸다. 이와 같이, 위치 어긋남량(δ)에 의해 조정값(C1, C2)은 변화된다.
그래서, 위치 어긋남량(δ)과 조정값(C1, C2)의 관계를 미리 구하여 맵 등을 작성해 두고, 그 맵 등을 이용하여, 수전 전압 및 반사 전력에 의거하여 추정된 위치 어긋남량(δ)에 기초하여 임피던스 정합기(120)의 임피던스가 조정된다.
다시 도 4를 참조하여, 임피던스의 조정이 종료되면, 전력 제어부(410)는, 차량(200)의 축전 장치(280)를 충전하기 위한 본격적인 급전을 행하도록 전원 장치(110)를 제어한다.
도 7은, 급전 설비(100)의 ECU(160)에 의해 실행되는 처리의 순서를 설명하기 위한 플로우 차트이다. 도 7을 참조하여, ECU(160)는, 차량(200)과의 통신이 확립되었는지의 여부를 판정한다(단계 S10). 차량(200)과의 통신이 확립되어 있지 않을 때는, 이후의 일련의 처리는 실행되지 않고 단계 S120으로 처리가 이행된다.
단계 S10에 있어서 차량(200)과의 통신이 확립되어 있다고 판정되면(단계 S10에 있어서 YES), ECU(160)는, 조정 처리의 개시를 지시하는 지령을 통신 장치(170)(도 1)에 의해 차량(200)으로 송신한다(단계 S20). 또한, 차량(200)에 있어서는, 이 지령이 수신되면, 릴레이(252, 254)(도 1)가 각각 오프, 온된다. 이것에 의해, 저항 소자(256)가 전기적으로 접속되고, 축전 장치(280)는 전기적으로 분리된다.
그 후, 저항 소자(256)가 접속되었다는 취지의 응답(answerback)을 받으면, ECU(160)는, 조정용 전력을 출력하도록 전원 장치(110)를 제어한다(단계 S30). 또한, 이 조정용 전력은, 축전 장치(280)를 충전하기 위한 본격적인 급전 시보다 작은 소정의 전력이다.
이어서, ECU(160)는, 이차 측(차량)의 수전 상황(수전 전압이나 수전 전류, 수전 전력 등)을 통신 장치(170)에 의해 수신한다(단계 S40). 또한, ECU(160)는, 전력 센서(115)(도 1)에 의해 검출되는 전원 장치(110)로의 반사 전력을 전력 센서(115)로부터 받는다(단계 S50).
그리고, ECU(160)는, 차량(200)의 수전 전압 및 급전 설비(100)에 있어서의 반사 전력과, 위치 어긋남량의 관계를 나타내는, 미리 준비된 위치 어긋남량 추정 맵을 이용하여, 수신된 수전 전압 및 검출된 반사 전력에 의거하여 위치 어긋남량(δ)을 추정한다(단계 S60). 또한, ECU(160)는, 일차 자기 공진 코일(140)에 대한 이차 자기 공진 코일(210)의 위치 어긋남량과 임피던스 정합기(120)의 조정값의 관계를 나타내는, 미리 준비된 정합기 조정 맵을 이용하여, 단계 S60에 있어서 추정된 위치 어긋남량(δ)에 의거하여 임피던스 정합기(120)를 조정한다(단계 S70).
이어서, ECU(160)는, 반사 전력 및 차량(200)의 수전 전력이 소정 범위 내인지의 여부를 판정한다(단계 S80). 이 판정 처리는, 전원 장치(110)로부터 출력되는 전력(진행파 전력)에 대하여 반사 전력 및 수전 전력의 크기가 타당한지의 여부를 판단하기 위한 것이다.
그리고, 반사 전력 및 수전 전력은 소정 범위 내라고 판정되면(단계 S80에 있어서 YES), ECU(160)는, 축전 장치(280)를 충전하기 위한 본격적인 급전의 개시를 지시하는 지령을 통신 장치(170)(도 1)에 의해 차량(200)으로 송신한다(단계 S90). 또한, 차량(200)에 있어서는, 이 지령이 수신되면, 릴레이(252, 254)가 각각 온, 오프된다. 이것에 의해, 충전기(270)가 정류기(240)와 전기적으로 접속되고, 저항 소자(256)는 전기적으로 분리된다. 그 후, ECU(160)는, 축전 장치(280)를 충전하기 위한 충전 전력을 출력하도록 전원 장치(110)를 제어한다(단계 S100).
한편, 단계 S80에 있어서 반사 전력 및 수전 전력이 소정 범위 내에 없다고 판정되면(단계 S80에 있어서 NO), ECU(160)는, 전원 장치(110)를 정지시키고, 급전 설비(100)에 의한 축전 장치(280)의 충전을 중지한다(단계 S110).
이상과 같이, 본 실시 형태에 있어서는, 차량(200)의 수전 상황 및 급전 설비(100)에 있어서의 반사 전력에 의거하여, 일차 자기 공진 코일(140)에 대한 이차 자기 공진 코일(210)의 위치 어긋남량(δ)이 추정된다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 일차 자기 공진 코일(140)과 이차 자기 공진 코일(210) 사이의 거리를 측정하기 위한 거리 센서를 불필요하게 할 수 있다.
또, 본 실시 형태에 있어서는, 추정된 위치 어긋남량(δ)에 의거하여 임피던스 정합기(120)의 임피던스가 조정된다. 따라서, 본 실시 형태에 의하면, 송전 효율의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기의 실시 형태에 있어서는, 급전 설비(100)의 ECU(160)에 있어서 위치 어긋남량(δ)을 추정하는 것으로 하였으나, 차량(200)의 ECU(290)에 있어서 위치 어긋남량(δ)을 추정해도 된다. 이 경우에는, 급전 설비(100)로부터 차량(200)으로 반사 전력의 검출값이 송신되고, 위치 어긋남량(δ)의 추정 결과가 차량(200)으로부터 급전 설비(100)로 송신된다.
또, 상기에 있어서는, 추정된 위치 어긋남량(δ)에 의거하여 임피던스 정합기(120)의 임피던스를 조정하는 것으로 하였으나, 추정된 위치 어긋남량(δ)에 의거하여, 급전 설비(100)에 대한 차량(200)의 위치 조정을 행해도 된다.
또, 상기에 있어서는, 임피던스 정합기(120)는, 일차 측의 급전 설비(100)에만 설치되는 것으로 하였으나, 이차 측의 차량(200)에 임피던스 정합기를 설치해도 된다. 그리고, 임피던스 정합기가 차량(200)에 설치되는 경우에 있어서도, 상기의 실시 형태와 마찬가지로, 수전 전압(또는 수전 전력) 및 반사 전력에 의거하여 위치 어긋남량(δ)을 추정하고, 그 추정 결과에 의거하여 차량(200)의 임피던스 정합기를 조정할 수 있다.
또, 상기에 있어서는, 급전 설비(100)의 일차 자기 공진 코일(140)과 차량(200)의 이차 자기 공진 코일(210)을 공명시켜서 송전하는 것으로 하였으나, 한 쌍의 고유전체 디스크에 의해 송전 유닛 및 수전 유닛을 구성해도 된다. 고유전체 디스크는, 고유전율재로 이루어지고, 예를 들면, TiO2나 BaTi4O9, LiTaO3 등이 이용된다.
또한, 상기에 있어서, 일차 코일(130), 일차 자기 공진 코일(140) 및 콘덴서(150)는, 본 발명에 있어서의 「송전 유닛」의 일 실시예를 형성하고, 이차 자기 공진 코일(210), 콘덴서(220) 및 이차 코일(230)은, 본 발명에 있어서의 「수전 유닛」의 일 실시예를 형성한다. 또, 전력 센서(115)는, 본 발명에 있어서의 「반사 전력을 검출하기 위한 검출 장치」의 일 실시예에 대응하고, ECU(160)[위치 어긋남량 추정부(420)]는, 본 발명에 있어서의 「추정부」의 일 실시예에 대응한다.
또한, 임피던스 정합기(120)는, 본 발명에 있어서의 「임피던스 가변 장치」의 일 실시예에 대응하고, ECU(160)[정합기 조정부(430)]는, 본 발명에 있어서의 「임피던스 조정부」의 일 실시예에 대응한다. 또, 추가로, 전압 센서(262) 및 전류 센서(264)는, 본 발명에 있어서의 「수전 상황을 검출하기 위한 검출 장치」의 일 실시예에 대응한다.
금회 개시된 실시 형태는, 모든 점에서 예시로서 제한적인 것은 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는, 상기한 실시 형태의 설명이 아니라 청구 범위에 의해 나타나고, 청구 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
100 : 급전 설비 110 : 전원 장치
115 : 전력 센서 120 : 임피던스 정합기
122, 124 : 가변 콘덴서 126 : 코일
130 : 일차 코일 140 : 일차 자기 공진 코일
150, 220 : 콘덴서 160, 290 : ECU
170, 300 : 통신 장치 200 : 차량
230 : 이차 코일 240 : 정류기
250 : 전환 장치 252, 254 : 릴레이
256 : 저항 소자 262 : 전압 센서
264 : 전류 센서 270 : 충전기
280 : 축전 장치 285 : 동력 출력 장치
350 : 부하 400 : 통신 제어부
410 : 전력 제어부 420 : 위치 어긋남량 추정부
430 : 정합기 제어부

Claims (13)

  1. 수전 유닛(210, 220, 230)을 포함하는 수전 장치(200)로 비접촉으로 급전하는 비접촉 급전 설비로서,
    상기 수전 유닛으로 송전하는 송전 유닛(130, 140, 150)과,
    상기 수전 장치의 수전 상황과, 당해 비접촉 급전 설비에 있어서의 반사 전력에 의거하여, 상기 송전 유닛과 상기 수전 유닛의 상대 위치 관계를 추정하는 추정부(420)를 구비하는 비접촉 급전 설비.
  2. 제1항에 있어서,
    전력을 발생시켜 상기 송전 유닛으로 공급하는 전원 장치(110)를 더 구비하는, 비접촉 급전 설비.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반사 전력을 검출하는 검출 장치(115)를 더 구비하는, 비접촉 급전 설비.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수전 상황은, 상기 수전 장치의 수전 전압인, 비접촉 급전 설비.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수전 상황은, 상기 수전 장치의 수전 전력인, 비접촉 급전 설비.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수전 장치는, 수전 임피던스를 소정값으로 고정 가능하게 구성되고,
    상기 추정부에 의한 상기 상대 위치 관계의 추정 시, 상기 수전 임피던스는, 상기 소정값으로 고정되는, 비접촉 급전 설비.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 송전 유닛은,
    상기 수전 유닛으로 비접촉으로 송전하기 위한 전자장을 발생시키는 일차 자기 공진 코일(140)과,
    상기 일차 자기 공진 코일로 전자 유도에 의해 급전하는 일차 코일(130)을 포함하고,
    상기 수전 유닛은,
    상기 전자장을 통해 상기 일차 자기 공진 코일과 공명함으로써 상기 일차 자기 공진 코일로부터 수전하는 이차 자기 공진 코일(210)과,
    상기 이차 자기 공진 코일에 의해 수전된 전력을 전자 유도에 의해 취출하여 출력하는 이차 코일(230)을 포함하는, 비접촉 급전 설비.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 송전 유닛은, 상기 수전 유닛으로 비접촉으로 송전하기 위한 전자장을 발생시키는 일차 자기 공진 코일(140)을 포함하고,
    상기 수전 유닛은, 상기 전자장을 통해 상기 일차 자기 공진 코일과 공명함으로써 상기 일차 자기 공진 코일로부터 수전하는 이차 자기 공진 코일(210)을 포함하는, 비접촉 급전 설비.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수전 장치의 수전 상황을 상기 수전 장치로부터 수신하는 통신 장치(170)를 더 구비하는, 비접촉 급전 설비.
  10. 제1항에 있어서,
    임피던스를 변경 가능한 임피던스 가변 장치(120)와,
    상기 상대 위치 관계와 상기 임피던스 가변 장치의 임피던스의 미리 구해진 관계를 이용하여, 상기 추정부에 의해 추정된 상대 위치 관계에 의거하여 상기 임피던스를 조정하는 임피던스 조정부(430)를 더 구비하는, 비접촉 급전 설비.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 수전 장치는, 차량에 탑재되는, 비접촉 급전 설비.
  12. 송전 유닛(130, 140, 150)을 포함하는 급전 설비(100)로부터 비접촉으로 수전 가능한 차량으로서,
    상기 송전 유닛으로부터 비접촉으로 수전하는 수전 유닛(210, 220, 230)과,
    상기 수전 유닛에 의한 수전 상황과, 상기 급전 설비에 있어서의 반사 전력에 의거하여, 상기 송전 유닛과 상기 수전 유닛의 상대 위치 관계를 추정하는 추정부(290)를 구비하는 차량.
  13. 급전 설비(100)로부터 수전 장치(200)로 비접촉으로 급전하는 비접촉 급전 시스템의 제어 방법으로서,
    상기 급전 설비는, 상기 수전 장치로 송전하는 송전 유닛(130, 140, 150)을 구비하고,
    상기 수전 장치는, 상기 송전 유닛으로부터 비접촉으로 수전하는 수전 유닛(210, 220, 230)을 구비하고,
    상기 제어 방법은,
    상기 급전 설비에 있어서의 반사 전력을 검출하는 단계와,
    상기 수전 장치의 수전 상황을 검출하는 단계와,
    상기 반사 전력과 상기 수전 상황에 의거하여, 상기 송전 유닛과 상기 수전 유닛의 상대 위치 관계를 추정하는 단계를 포함하는, 비접촉 급전 시스템의 제어 방법.
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