JP2015231306A

JP2015231306A - 非接触受電装置

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Publication number: JP2015231306A
Application number: JP2014117692A
Authority: JP
Inventors: 中智周; Chuchi Shu
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2015-12-21

Abstract

【課題】非接触受電装置において、整合器と整流器との間において発生する共振によって生じる高調波ノイズを低減する。【解決手段】非接触受電装置１０は、受電部１１０と、整流器１７０と、整流器に接続される負荷１０５とを備え、外部電源４００からの電力を非接触で受電する。受電部は、外部電力からの電力を受電する受電コイル１１１を含む。整流器は、複数のダイオードＤ１１〜Ｄ１４を含み、受電部で受けた電力を整流する。整流器は、上記の複数のダイオードの各々に対して並列に接続されたコンデンサＣ１１〜Ｃ１４をさらに含む。【選択図】図４

Description

本発明は、非接触受電装置に関し、より特定的には、外部電源からの電力を非接触で受電する非接触受電装置において生じる高調波ノイズを低減する技術に関する。

電源コードや送電ケーブルを用いない非接触のワイヤレス電力伝送が近年注目されており、車両外部の電源（以下「外部電源」とも称する。）からの電力によって車載の蓄電装置を充電可能な電気自動車やハイブリッド車両等への適用が提案されている。

ワイヤレス送電技術としては、有力なものとして、たとえば、電磁誘導を用いた送電、マイクロ波などの電磁波を用いた送電、および共鳴法による送電の３つの技術が知られている。

特開２０１３−２５１９７４号公報（特許文献１）および特開２０１２−１０５５０３号公報（特許文献２）は、非接触で電力を受電することができる非接触受電装置（車両）において、受電コイルによって非接触で受電された交流電力を、ダイオードブリッジを含む整流器で直流電力に整流して負荷に供給する構成を開示する。

特開２０１３−２５１９７４号公報特開２０１２−１０５５０３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

非接触受電装置においては、一般的に、受電した交流電力を整流器で整流して、蓄電装置に蓄えたり電気機器を駆動したりする。このような装置では、受電コイルから整流器までの回路と整流器内部の回路との間において、寄生容量も含めたコイル成分およびコンデンサ成分によるインピーダンスの違いによって電流の共振が発生する場合がある。このような電流の共振周波数は、電力伝送に用いられる電磁場の周波数（以下、「システム周波数」とも称する。）と一致せず、多くの場合システム周波数よりも数倍高い周波数となり得る。そうすると、整流器の入力電流には、インピーダンスの違いによる電流共振の影響で、リンギングと呼ばれる振動的な電流変動が生じる。

このような電流変動が生じると、整流器の入力電流の高調波成分が増大し、それによって給電コイルなどからの電磁放射ノイズの原因となり得る。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであって、その目的は、非接触受電装置において、整流器に起因して生じる高調波ノイズを低減することである。

本発明による非接触受電装置は、外部電源からの電力を非接触で受電するための装置であって、受電部と、整流器と、整流器に接続される負荷とを備える。受電部は、外部電源からの電力を受電する受電コイルを含む。整流器は、複数のダイオードを含み、受電部で受けた電力を整流する。整流器は、上記の複数のダイオードの各々に対して並列に接続されたコンデンサをさらに含む。

整流器をこのような回路構成とし、ダイオードに並列に設けられるコンデンサの容量を適切に設定することによって、整流器よりも受電コイル側の回路と整流器との間のインピーダンスの差を低減することができる。そのため、整流器の入力電流のリンギングを低減することができ、それによって整流器に起因して生じる高調波ノイズを低減することができる。

本実施の形態に従う非接触給電システムの全体ブロック図である。比較例における整流器の構成を説明するための図である。比較例における整流器入力電流の波形の一例を示す図である。本実施の形態における整流器の構成を説明するための図である。本実施の形態における整流器入力電流の波形の一例を示す図である。比較例における整流器入力電流の高調波成分波形のシミュレーション結果を示す図である。比較例の回路において測定された整流器入力電流の高調波成分の一例を示す図である。本実施の形態における整流器入力電流の高調波成分波形のシミュレーション結果を示す図である。本実施の形態において測定された整流器入力電流の高調波成分の一例を示す図である。変形例の構成を説明するための図である。変形例における整流器入力電流の波形の一例を示す図である。変形例における整流器入力電流の高調波成分波形のシミュレーション結果を示す図である。変形例において測定された整流器入力電流の高調波成分の一例を示す図である。

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。

［非接触給電システムの構成］
図１は、本実施の形態に従う非接触給電システム１０の全体構成図である。図１を参照して、非接触給電システム１０は、車両１００と、送電装置２００とを備える。なお、本実施の形態においては、「非接触受電装置」が非接触で電力を受電可能に構成された車両１００である場合を例として説明するが、非接触での受電が可能なものであれば車両以外の他の電気機器であってもよい。

図１を参照して、送電装置２００は、電源装置２１０と、送電部２２０とを含む。電源装置２１０は、所定の周波数を有する交流電力を発生する。一例として、電源装置２１０は、商用電源４００から電力を受けて高周波の交流電力を発生し、その発生した交流電力を送電部２２０へ供給する。そして、送電部２２０は、送電部２２０の周囲に発生する電磁界を介して、車両１００の受電部１１０へ非接触で電力を出力する。

電源装置２１０は、通信部２３０と、制御装置である送電ＥＣＵ２４０と、電源部２５０とを含む。また、送電部２２０は、共振コイル２２１と、コンデンサ２２２とを含む。

電源部２５０は、送電ＥＣＵ２４０からの制御信号ＭＯＤによって制御され、商用電源４００などの交流電源から受ける電力を高周波の電力に変換する。そして、電源部２５０は、その変換した高周波電力を共振コイル２２１へ供給する。

また、電源部２５０は、図示されない電圧センサ，電流センサによってそれぞれ検出される送電電圧Ｖｔｒおよび送電電流Ｉｔｒを送電ＥＣＵ２４０へ出力する。

共振コイル２２１は、電源部２５０から伝達された電力を、車両１００の受電部１１０に含まれる共振コイル１１１へ非接触で電力を転送する。共振コイル２２１はコンデンサ２２２とともにＬＣ共振回路を構成する。

通信部２３０は、送電装置２００と車両１００との間で無線通信を行なうための通信インターフェースであり、車両１００側の通信部１９５と情報ＩＮＦＯの授受を行なう。通信部２３０は、車両１００側の通信部１９５から送信される車両情報、ならびに、送電の開始および停止を指示する信号等を受信し、受信したこれらの情報を送電ＥＣＵ２４０へ出力する。また、通信部２３０は、送電ＥＣＵ２４０からの送電電圧Ｖｔｒおよび送電電流Ｉｔｒ等の情報を車両１００へ送信する。

送電ＥＣＵ２４０は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ（Central Processing Unit）、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、電源装置２１０における各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、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。

車両１００は、受電部１１０と、整合器１６０と、整流器１７０と、負荷１０５と、制御装置である車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３００と、通信部１９５とを含む。負荷１０５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０と、充電リレーＣＨＲ１８５と、蓄電装置１９０と、システムメインリレーＳＭＲ１１５と、パワーコントロールユニットＰＣＵ（Power Control Unit）１２０と、モータジェネレータ１３０と、動力伝達ギヤ１４０と、駆動輪１５０とを含む。

受電部１１０は、たとえば車両１００のフロアパネル付近に設けられ、共振コイル１１１と、コンデンサ１１２とを含む。

共振コイル１１１は、送電装置２００に含まれる共振コイル２２１から非接触で電力を受電する。共振コイル１１１は、コンデンサ１１２とともにＬＣ共振回路を構成する。

共振コイル１１１により受電した電力は、整合器１６０を介して整流器１７０へ出力される。整合器１６０は、典型的には、リアクトルとコンデンサとを含んで構成され、共振コイル１１１により受電された電力が供給される負荷の入力インピーダンスを調整する。

整流器１７０は、整合器１６０を介して共振コイル１１１から受けた交流電力を整流し、その整流された直流電力を蓄電装置１９０に出力する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０は、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＤによって制御され、整流器１７０で整流された直流電圧を所望の電圧に変換する。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０は必ずしも必須ではなく、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０を有さない構成であってもよい。

ＣＨＲ１８５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０と蓄電装置１９０との間に電気的に接続される。ＣＨＲ１８５は、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ２により制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０から蓄電装置１９０への電力の供給と遮断とを切換える。

蓄電装置１９０は、充放電可能に構成された電力貯蔵要素である。蓄電装置１９０は、たとえば、リチウムイオン電池あるいはニッケル水素電池などの二次電池や、電気二重層コンデンサなどの蓄電素子を含んで構成される。

蓄電装置１９０は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０からの電力を蓄電する。また、蓄電装置１９０は、ＳＭＲ１１５を介してＰＣＵ１２０とも接続される。蓄電装置１９０は、車両駆動力を発生させるための電力をＰＣＵ１２０へ供給する。さらに、蓄電装置１９０は、モータジェネレータ１３０で発電された電力を蓄電する。

蓄電装置１９０には、いずれも図示しないが、蓄電装置１９０の電圧ＶＢおよび入出力される電流ＩＢをそれぞれ検出するための電圧センサおよび電流センサが設けられる。これらの検出値は、車両ＥＣＵ３００へ出力される。車両ＥＣＵ３００は、この電圧ＶＢおよび電流ＩＢに基づいて、蓄電装置１９０の充電状態（「ＳＯＣ（State Of Charge）」とも称する。）を演算する。

ＳＭＲ１１５は、蓄電装置１９０とＰＣＵ１２０との間に電気的に接続される。そして、ＳＭＲ１１５は、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＳＥ１によって制御され、蓄電装置１９０とＰＣＵ１２０との間での電力の供給と遮断とを切換える。

ＰＣＵ１２０は、いずれも図示しないが、コンバータやインバータを含んで構成される。コンバータは、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＣにより制御されて蓄電装置１９０からの電圧を変換する。インバータは、車両ＥＣＵ３００からの制御信号ＰＷＩにより制御されて、コンバータで変換された電力を用いてモータジェネレータ１３０を駆動する。

モータジェネレータ１３０は交流回転電機であり、たとえば、永久磁石が埋設されたロータを備える永久磁石型同期電動機である。モータジェネレータ１３０の出力トルクは、動力伝達ギヤ１４０を介して駆動輪１５０に伝達される。車両１００は、このトルクを用いて走行する。モータジェネレータ１３０は、車両１００の回生制動時には、駆動輪１５０の回転力によって発電することができる。そして、その発電電力は、ＰＣＵ１２０によって蓄電装置１９０の充電電力に変換される。

また、モータジェネレータ１３０の他にエンジン（図示せず）が搭載されたハイブリッド自動車では、エンジンおよびモータジェネレータ１３０を協調的に動作させることによって、必要な車両駆動力が発生される。この場合、エンジンの回転による発電電力を用いて、蓄電装置１９０を充電することも可能である。

通信部１９５は、車両１００と送電装置２００との間で無線通信を行なうための通信インターフェースであり、送電装置２００の通信部２３０と情報ＩＮＦＯの授受を行なう。

車両ＥＣＵ３００は、いずれも図１には図示しないがＣＰＵ、記憶装置および入出力バッファを含み、各センサ等からの信号の入力や各機器への制御信号の出力を行なうとともに、車両１００における各機器の制御を行なう。なお、これらの制御については、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。

図２は、本実施の形態と対比される比較例における、図１の整合器１６０および整流器１７０の詳細構成を示す図である。

図２を参照して、整合器１６０は、リアクトルＬ１〜Ｌ６とコンデンサＣ１，Ｃ２とを含んで構成されるいわゆる三段ＬＣフィルタであり、受電部１１０（図１）からの一方の電力線にリアクトルＬ１，Ｌ３，Ｌ５が直列に接続され、他方の電力線にリアクトルＬ２，Ｌ４，Ｌ６が直列に接続される。リアクトルＬ１，Ｌ３の接続ノードと、リアクトルＬ２，Ｌ４の接続ノードとの間に、コンデンサＣ１が接続される。リアクトルＬ３，Ｌ５の接続ノードと、リアクトルＬ４，Ｌ６の接続ノードとの間に、コンデンサＣ２が接続される。整合器１６０は、リアクトルＬ１〜Ｌ６のリアクタンスおよびコンデンサＣ１，Ｃ２のキャパシタンスを適切に調節することによって、受電部１１０のインピーダンスと、整流器１７０以降のインピーダンスとを整合させる。

整流器１７０は、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４で構成されるダイオードブリッジ１７１と、フィルタ回路Ｆ１０とを含む。整流器１７０は、整合器１６０を通過した交流電力をダイオードブリッジ１７１によって全波整流するとともに、整流波形をフィルタ回路Ｆ１０にて平滑化を行ない、ＤＣ／ＤＣコンバータ１８０へ供給する。

このような回路では、受電部１１０から整合器１６０までの回路と整流器１７０内部の回路との間において、寄生容量も含めたコイル成分およびコンデンサ成分によるインピーダンスの違いによって、整合器１６０と整流器１７０との間で電流の共振が発生する場合がある。このような電流の共振周波数は、受電部１１０と送電部２２０との間の電力伝送に用いられる電磁場の周波数（システム周波数）よりも数倍高い周波数となり得る。そうすると、整流器１７０の入力電流には、システム周波数と周波数が異なる共振電流の影響によって、図３に示されるように、整流器入力電流に「リンギング」と呼ばれる振動的な電流変動が生じる。このような電流変動が生じると、整流器１７０の入力電流の高調波成分が増大し、それによって共振コイルなどからの放射ノイズの原因となり得る。

そこで、本実施の形態においては、上記の整流器の構成を変更することによって、整合器と整流器との間のリンギングを防止する手法について説明する。

図４は、本実施の形態における整流器の構成を説明するための図である。図４を参照して、本実施の形態における整流器１７０Ａは、ブリッジ回路１７１Ａと、フィルタ回路Ｆ１０Ａとを含む。

ブリッジ回路１７１Ａは、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４で構成されるダイオードブリッジにおいて、ダイオードＤ１１〜Ｄ１４にコンデンサＣ１１〜Ｃ１４がそれぞれ並列に接続された構成となっている。このコンデンサＣ１１〜Ｃ１４のキャパシタンスを適切に設定することによって、整合器１６０と整流器１７０内部の回路との間で生じる電流の共振周波数とシステム周波数とを整合（同調）させることができる。このような回路とすることによって、図５に示されるように、整流器入力電流におけるリンギングを抑制し、より正弦波に近い整流器入力電流波形とすることができる。

また、整流器入力電流の電流変動成分が低減されるために、フィルタ回路Ｆ１０Ａをよりシンプルな構成とすることもできる。

図６〜図９を用いて、本実施の形態および比較例における、電流の高調波成分（ノーマルモードのノイズ）について比較する。図６および図７は、それぞれ比較例における電流高調波成分のシミュレーション結果と、実機での測定結果を示す。図８および図９は、それぞれ本実施の形態における電流高調波成分のシミュレーション結果と、実機での測定結果を示す。図６〜図９において、実線ＬＮ１０，ＬＮ２０，ＬＮ３０，ＬＮ４０は電流波形を示し、破線ＬＮ１１，ＬＮ２１，ＬＮ２２，ＬＮ３１，ＬＮ４１，ＬＮ４２は高調波成分（奇数次，偶数次）のピークの包絡線を示している。なお、図６および図８のシミュレーションにおいては、奇数次の高調波成分についてのみ記載されている。

図６〜図９を参照して、シミュレーション結果および実測結果のいずれにおいても、本実施の形態の整流器を用いた場合の方が、比較例の場合に比べて、特に高次数の高調波成分のピーク値が小さくなっていることがわかる。すなわち、本実施の形態のような整流器の構成とすることによって、高調波ノイズを低減することができる。

［変形例］
上記のように、整流器のダイオードブリッジの各ダイオードに、適当なコンデンサを並列接続して電流の共振周波数とシステム周波数とを同調させることによって、整流器入力電流波形におけるリンギングを低減でき、その結果として滑らかな入力電流波形を得ることができることがわかった。

そのため、本実施の形態のような整流器の構成とすることによって、受電部と負荷とのインピーダンスを整合させる整合器をより簡素化することが期待できる。

そこで、変形例においては、図１０に示されるように、整流器については上記の図４で示した本実施の形態の整流器１７０Ａと同様の回路とする一方で、整合器については、リアクトルＬ２１，Ｌ２２およびコンデンサＣ２１のみを含む一段ＬＣフィルタを有する整合器１６０Ａを用いる例について説明する。

図１０に示される変形例の回路の場合における整流器入力電流の波形、高調波成分波形のシミュレーション結果の波形、および実測された高調波成分の波形を、それぞれ図１１〜１３に示す。

図１１に示されるように、一段ＬＣフィルタの整合器１６０Ａを有する変形例においても、リンギングが抑制された滑らかな整流器入力電流が得られていることがわかる。

さらに、図１２に示される高調波成分波形のシミュレーション結果、および図１３に示される実測電流波形の高調波成分についても、上述した比較例における各波形（図６，図７）よりも、高周波成分のピーク値が小さくなっていることがわかる。

なお、三段ＬＣフィルタを用いる整合器１６０を用いた図４の構成におけるシミュレーション波形（図８）および実測電流波形（図９）と比較しても、ほぼ同等の高周波成分の低減が実現されている。

このように、各ダイオードにコンデンサが並列接続されたブリッジ回路を有する、本実施の形態のような整流器を用いることによって、整合器をよりシンプルな構成とした場合においても高周波ノイズを低減できる。これにより、整合器の小型化および車両への搭載性を向上することができ、車両重量の軽量化および燃費の向上、ならびにコスト削減に寄与することが可能となる。

なお、本実施の形態においては、図１における受電部および送電部は、コンデンサが接続された共振コイルのみで構成される場合を例として説明したが、受電部および送電部は、共振コイルに加えて、電磁誘導により共振コイルに電力を供給したりあるいは電力を取り出したりするための電磁誘導コイルがさらに設けられる構成であってもよい。

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非接触給電システム、１００車両、１０５負荷、１１０受電部、１１１，２２１共振コイル、１１２，２２２，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１〜Ｃ１４，Ｃ２１コンデンサ、１１５ＳＭＲ、１２０ＰＣＵ、１３０モータジェネレータ、１４０動力伝達ギヤ、１５０駆動輪、１６０，１６０Ａ整合器、１７０，１７０Ａ整流器、１７１ダイオードブリッジ、１７１Ａブリッジ回路、１８０ＤＣ／ＤＣコンバータ、１８５ＣＨＲ、１９０蓄電装置、１９５，２３０通信部、２００送電装置、２１０電源装置、２２０送電部、２４０送電ＥＣＵ、２５０電源部、３００車両ＥＣＵ、４００商用電源、Ｄ１１〜Ｄ１４ダイオード、Ｆ１０，Ｆ１０Ａフィルタ回路、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ２１，Ｌ２２リアクトル。

Claims

外部電源からの電力を非接触で受電するための非接触受電装置であって、
受電コイルを含み、前記外部電源からの電力を受電する受電部と、
複数のダイオードを含み、前記受電部で受けた電力を整流する整流器と、
前記整流器に接続される負荷とを備え、
前記整流器は、前記複数のダイオードの各々に対して並列に接続されたコンデンサをさらに含む、非接触受電装置。