非接触供电系统的制作方法

文档序号:13426468
非接触供电系统的制作方法

本发明涉及在设置于停车空间的送电线圈与搭载于车辆的受电线圈之间进行非接触供电的非接触供电系统。



背景技术:

以往,专利文献1公开了进行非接触供电时的停车辅助系统。在专利文献1所公开的停车辅助系统中,在车辆后退着停车时显示后方摄像头的图像来对车辆进行引导。而且,当供电单元进入车身底部而拍摄不到时,从供电单元向受电单元供给较弱的电力,来根据由受电单元测定出的受电电压计算供电单元与受电单元之间的距离,从而判定出车辆的位置。

专利文献1:日本特开2011-15549号公报



技术实现要素:

然而,在上述以往的停车辅助系统中,存在即使供电单元与受电单元之间的距离靠近而受电单元的受电电压也不会单调增加的情况。因此,存在以下的问题点:需要追加装置、进行复杂的控制,从而无法低成本地判定车辆的位置。

因此,本发明是鉴于上述的实情而提出的,其目的在于提供一种不追加装置、进行复杂的控制就能够低成本地判定车辆的位置的非接触供电系统。

为了解决上述的课题,在本发明的一个方式所涉及的非接触供电系统中,在将车辆停放于停车空间时,从送电线圈向受电线圈传输用于判断停车位置的判定电力,使该判定电力的励磁频率低于同相谐振点的频率、或者高于反相谐振点的频率。

附图说明

图1是表示本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统的结构的框图。

图2是表示本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的受电线圈的受电电压的频率特性的图。

图3是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的同相谐振点和反相谐振点的图。

图4是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的同相谐振点和反相谐振点的图。

图5是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的同相谐振点和反相谐振点的图。

图6是用于说明本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的同相谐振点和反相谐振点的图。

图7是表示本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的受电线圈的受电电压与耦合系数之间的关系的图。

图8是表示本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的受电线圈的受电电压与耦合系数之间的关系的图。

图9是将本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的送电线圈的励磁电流的频率特性与受电线圈的受电电压的频率特性进行比较来表示的图。

图10是将本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的受电线圈的受电电压的频率特性与跨阻抗的频率特性进行比较来表示的图。

图11是表示本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统中的停车位置判定处理的处理过程的流程图。

图12是表示本发明的一个实施方式所涉及的非接触供电系统进行的停车位置判定处理的处理过程的流程图。

具体实施方式

以下,参照附图说明应用了本发明的一个实施方式。

[非接触供电系统的结构]

图1是表示本实施方式所涉及的非接触供电系统的结构的框图。如图1所示,本实施方式所涉及的非接触供电系统1具备作为地面侧单元的供电装置100和作为车辆侧单元的受电装置200。该非接触供电系统1以非接触的方式从配置于供电桩等的供电装置100向搭载于电动汽车、混合动力车等车辆10的受电装置200供给电力,来对车载电池充电。

供电装置100具备配置在供电桩附近的停车空间2的送电线圈12。另一方面,受电装置200具备设置在车辆10的底面的受电线圈22。该受电线圈22被配置为在车辆10停放于停车空间2的规定位置时该受电线圈22与送电线圈12相向。

送电线圈12由初级线圈构成,向受电线圈22传输电力,该初级线圈由导线构成。另外,同样地,受电线圈22由次级线圈构成,用于接收来自送电线圈12的电力,该次级线圈由导线构成。利用两个线圈间的电磁感应作用,能够以非接触的方式从送电线圈12向受电线圈22供给电力。

地面侧的供电装置100具备电力控制部11、送电线圈12、无线通信部13以及控制部14。

电力控制部11是用于将从交流电源110传输的交流电力变换为高频的交流电力并向送电线圈12传输的电路。而且,电力控制部11具备整流部111、PFC电路112以及逆变器113。

整流部111与交流电源110电连接,是对从交流电源110输出的交流电力进行整流的电路。PFC(Power Factor Correction:功率因数校正)电路112是用于通过对从整流部111输出的波形进行整形来改善功率因数的电路,连接在整流部111与逆变器113之间。逆变器113具备由IGBT等开关元件构成的PWM控制电路,根据开关控制信号将直流电力变换为交流电力并向送电线圈12供给。

无线通信部13与设置于车辆10侧的无线通信部23进行双方向的通信。

控制部14是对供电装置100整体进行控制的部分,具备逆变器控制部141、PFC控制部142以及序列控制部143。在将车辆10停放于停车空间2时,控制部14执行停车位置判定处理。此时,PFC控制部142生成判定电力的励磁电压指令,逆变器控制部141生成判定电力的频率指令、占空比来控制逆变器113。由此,控制部14从送电线圈12向受电线圈22传输用于判定停车位置的判定电力。在后面记述判定电力的详细内容。另外,序列控制部143经由无线通信部13来与受电装置200交换序列信息。

另一方面,车辆10侧的受电装置200具备受电线圈22、无线通信部23、充电控制部24、整流部25、继电器部26、电池27、逆变器28、电动机29以及通知部30。

受电线圈22被配置在当将车辆10停放于停车空间2的规定的停止位置时在送电线圈12的正上方正对送电线圈12且到送电线圈12的距离为规定的值的位置处。

无线通信部23与设置于供电装置100侧的无线通信部13进行双方向的通信。

充电控制部24是用于对电池27的充电进行控制的控制器,具备电压判定部241。特别地,在将车辆10停放于停车空间2时,充电控制部24执行停车位置判定处理。此时,电压判定部241监视受电线圈22对判定电力的受电状态。在后面记述停车位置判定处理的详细内容。另外,充电控制部24对无线通信部23、通知部30、继电器部26等进行控制,将开始充电的意思的信号经由无线通信部23发送到供电装置100的控制部14。

整流部25与受电线圈22连接,由整流电路构成,该整流电路将由受电线圈22接收到的交流电力整流为直流。

继电器部26具备继电器开关,该继电器开关通过充电控制部24的控制来切换接通和断开。另外,继电器部26通过使继电器开关断开,来将包括电池27的主电路系统与形成充电电路部的受电线圈22和整流部25切断。

电池27是将多个二次电池连接而构成的,成为车辆10的电力源。

逆变器28具备由IGBT等开关元件构成的PWM控制电路,根据开关控制信号将从电池27输出的直流电力变换为交流电力并向电动机29供给。

电动机29例如是由三相的交流电动机构成的,成为用于驱动车辆10的驱动源。

通知部30是由警告灯、导航系统的显示器或扬声器等构成的,根据充电控制部24的控制向用户输出光、图像或声音等。

根据这样的结构,非接触供电系统1利用送电线圈12与受电线圈22之间的电磁感应作用来以非接触状态进行高频电力的传输和接收。即,通过对送电线圈12施加电压,在送电线圈12与受电线圈22之间产生磁性耦合,来从送电线圈12向受电线圈22供给电力。

[判定电力的励磁频率的设定方法]

在将车辆10停放于停车空间2时,本实施方式所涉及的非接触供电系统1执行用于判定停车位置的停车位置判定处理。在该停车位置判定处理中,从送电线圈12向受电线圈22传输用于判定车辆10的停车位置的判定电力,通过监视受电线圈22的受电电压来判定车辆10的停车位置。关于在该停车位置判定处理中传输的判定电力,是使送电线圈12的励磁电压和励磁频率固定并传输比通常的充电电力弱的电力。

在此,受电线圈22的受电电压被设定为与送电线圈12和受电线圈22之间的距离靠近相应地单调增加,因此当受电电压超过规定的阈值时,送电线圈12与受电线圈22足够地靠近。

其中,为了将受电线圈22的受电电压设定为与送电线圈12和受电线圈22之间的距离相应地单调增加,需要使判定电力的励磁频率低于同相谐振点的频率、或者高于反相谐振点的频率。以下,详细地说明该判定电力的励磁频率的设定方法。

首先,参照图2说明在从送电线圈12向受电线圈22传输了判定电力时由受电线圈22接收到的受电电压的频率特性。图2示出了受电线圈22的受电电压与判定电力的励磁频率之间的关系。如图2所示,受电线圈22的受电电压的频率特性以与耦合系数K相应的多条曲线来表示,在图2中,以K=0.03~0.17的8条曲线表示。这些曲线呈具有同相谐振点集中的同相谐振点群和反相谐振点集中的反相谐振点群的两个顶点的形状。

在此,说明在受电线圈22的受电电压的频率特性中出现同相谐振点和反相谐振点的原理。图3的(a)表示圆型线圈的电路示意图,示出了送电线圈12及其谐振电路以及受电线圈22及其谐振电路。负载设为RL,将送电线圈12和受电线圈22的线圈电流分别设为I1、I2并定义为向图示的方向流动。在电流I1流过送电线圈12的情况下,基于右手螺旋法则而在送电线圈12中产生磁通φ1。同样地,在电流I2流过受电线圈22的情况下,产生磁通φ2。

在本实施方式中,将φ1与φ2的相位差θ为-90度~90度的范围定义为同相模式,将φ1与φ2的相位差θ为-180度~-90度或90度~180度的范围定义为反相模式。在同相模式中,φ1与φ2的磁通和如图3的(b)所示那样相互增强,因此远处磁场增大。另一方面,在反相模式中,由于φ1与φ2反转,因此如图3的(c)所示那样,双方相互抵消而磁通和减少。

图4表示图3的(a)的T型等效电路,L1表示送电线圈12的自感,L2表示受电线圈22的自感,M表示互感,C1、C2表示各自的电容。I1和I2的电流方向与图3的定义相同,当电流向图示的方向流动时,成为远处的磁通相互增强的同相模式。

在图4的电路中励磁的频率极小的情况下,由C1和L1-M构成的线路的电抗以由C1形成的电抗:-1/ωC1为主。另外,由C2和L2-M构成的线路的电抗以由C2形成的电抗:-1/ωC2为主。当从该状态中逐渐地提高频率时,成为谐振状态,该电路的谐振以C1、C2与互感M进行谐振为主,从而如图5所示那样成为相互增强的状态。该状态是同相模式。

另一方面,在图4的电路中频率极大的情况下,由C1和L1-M构成的线路的电抗以由L1-M形成的电抗:ω(L1-M)为主。另外,由C2和L2-M构成的线路的电抗以由L2-M形成的电抗:ω(L2-M)为主。当从该状态中逐渐地降低频率时,成为谐振状态,如图6所示那样的由L1-M、L2-M、C1、C2的串联谐振电路形成的谐振为主。该状态是反相模式。

此外,在汽车用的非接触供电系统中,耦合系数比较小。因此,互感M比漏感L1-M、L2-M小,在该状态下,L1-M、L2-M为主。这是出现同相谐振点和反相谐振点的原理。另外,由于这样的出现原理,同相谐振点成为比反相谐振点的频率低的频率。

因而,如上所述,同相谐振点是送电线圈12所产生的磁通与受电线圈22所产生的磁通相互增强且成为谐振状态时的频率。另外,反相谐振点是送电线圈12所产生的磁通与受电线圈22所产生的磁通相互抵消且成为谐振状态时的频率。

接着,说明在耦合系数发生了变化的情况下谐振点移动的原理。在耦合系数增加的情况下,互感M增加。在此,LC串联谐振的谐振频率f一般表示为因此当L或C变大时,谐振频率减小。基于该原理,在互感M增加的情况下,在同相模式中,谐振点向低的频率侧移动。

另一方面,在反相模式中,L1-M、L2-M、C1、C2的串联谐振电路为主,因此随着互感M增加,电感L1-M、L2-M减少。因此,在反相模式中,谐振点向高的频率侧移动。这是谐振点的频率随着耦合系数的增加而移动的原理。基于这样的原理,如图2所示那样在频率低的一侧产生同相谐振点,在频率高的一侧产生反相谐振点。另外,形成为耦合系数越高则同相谐振点和反相谐振点的频率分离得越远。

另外,受电线圈22的受电电压随着谐振点的电流振幅增加而同样增加,因此线圈的谐振点直接类似于受电线圈22的电压特性。并且,在连接了除了非接触充电线圈的谐振频率以外还具有外置滤波器电路那样的谐振频率的电路的情况下,即使耦合系数发生变化,外置滤波器电路的谐振频率也不变。因而,在此,在耦合系数变化的汽车用的非接触充电的用途中,将谐振频率发生变化的系统作为对象。

接着,说明为了使受电线圈22的受电电压与送电线圈12和受电线圈22之间的距离靠近相应地单调增加而将判定电力的励磁频率设定为低于同相谐振点的频率、或高于反相谐振点的频率的理由。

在图2所示的受电线圈22的受电电压的频率特性中,当将判定电力的励磁频率设为85kHz时,受电线圈22的受电电压与耦合系数之间的关系成为图7所示的关系。在图7中,受电线圈22的受电电压与耦合系数从K=0.03向0.05增加相一致地急剧上升,在耦合系数为K=0.05附近形成峰,之后大幅地减少。即,示出了即使耦合系数增加(即使送电线圈12与受电线圈22之间的距离靠近)但是受电线圈22的受电电压也不会单调增加的情形。另外,地面线圈12的励磁电流也同样地变化。因而,在这样的情况下,存在用于判定受电线圈22与送电线圈12是否靠近了的逻辑变复杂的问题点。

与此相对地,当将判定电力的励磁频率设定为比同相谐振点群的频率低的频率即80kHz时,受电线圈22的受电电压与耦合系数之间的关系成为图8所示的关系。在图8中,受电线圈22的受电电压与耦合系数增加相应地(与送电线圈12和受电线圈22之间的距离靠近相应地)单调增加。此时,地面线圈12的励磁电流也同样地变化。该特性在将判定电力的励磁频率设定为比反相谐振点群的频率高的频率的情况下也相同。

因而,为了与送电线圈12和受电线圈22之间的距离靠近相应地将受电线圈22的受电电压设定为单调增加,需要将判定电力的励磁频率设定为低于同相谐振点的频率、或者高于反相谐振点的频率。此外,作为具体的设定方法,只要将励磁频率设定为低于成为最大的耦合系数的曲线的同相谐振点的频率、或者高于反相谐振点的频率即可。例如,在图2中,只要设定为低于作为最大的耦合系数的K=0.17的曲线的同相谐振点的频率、或者高于反相谐振点即可,因此只要设定为低于81.2kHz、或者高于95.6kHz即可。

[跨阻抗]

在本实施方式所涉及的非接触供电系统1中,在传输判定电力时需要减小来自送电线圈12的漏磁场。因此,需要使送电线圈12的表面漏磁通密度处于对送电线圈12设定的标准值以下的范围,因此需要使送电线圈12的励磁电流例如低于1A。因此,如图9的(b)的励磁电流的频率特性所示,需要将判定电力的励磁频率设定于在所有的耦合系数时励磁电流都低于1A的区域X。在图9的(b)中,设定于低于80.9kHz的范围、或者高于95.8kHz的范围。

另一方面,需要将受电线圈22的受电电压设定于至少比用于检测受电线圈22的受电电压的电压检测器(未图示)的最小分辨率高的范围。因此,在最小分辨率为2V的情况下,如图9的(a)的受电电压的频率特性所示,需要将判定电力的励磁频率设定于在停车位置的判定为OK(可)的K=0.15的曲线中受电电压高于2V的区域Y。在图9的(a)中,判定电力的励磁频率被设定在高于79.9kHz且低于96.4kHz的范围。因而,满足这两个条件的励磁频率的范围为区域Z。在图9中,为高于79.9kHz且低于80.9kHz的范围和高于95.8kHz且低于96.4kHz的范围。

然而,如果要分开考虑这些励磁电流和受电电压的条件来设定判定电力的励磁频率,则条件变得严格。因此,在本实施方式中,引入跨阻抗这样的指标,从而能够容易地选择励磁频率。

跨阻抗表示受电线圈22的受电电压与送电线圈12的励磁电流之比,能够用以下的式子表示。

跨阻抗=受电线圈22的受电电压/送电线圈12的励磁电流

例如在想要将受电线圈22的受电电压设定为高于2V并将送电线圈12的励磁电流设定为低于1A的情况下,只要将判定电力的励磁频率设定在使跨阻抗大于2的区域即可。通过像这样设定跨阻抗,能够确定受电线圈22的受电电压变高且送电线圈12的励磁电流变低的区域。具体地说,参照图10的(b)的跨阻抗的频率特性进行说明。如图10的(b)所示,跨阻抗以与耦合系数相应的多条曲线来表示,在图10的(b)中,通过K=0.03~0.17的8条曲线表示。其中,耦合系数K=0.15的曲线成为在判定停车位置时将停车位置判定为OK(可)的阈值。因而,只要将判定电力的励磁频率设定于在耦合系数K=0.15的曲线中跨阻抗大于2的区域U即可。在图10的(b)中,为高于52.8kHz且低于151.6kHz的范围。

并且,如图2中说明的那样,需要使判定电力的励磁频率低于同相谐振点的频率、高于反相谐振点的频率,因此如图10的(a)所示那样将判定电力的励磁频率设定于区域V。区域V为低于81.2kHz的范围、或者高于95.6kHz的范围。

因而,如果将判定电力的励磁频率设定在满足区域U和区域V两方的区域W的频率范围,则能够设定为受电线圈22的受电电压单调增加并且跨阻抗满足条件。即,能够设定为使漏磁场减小并且受电电压变高。这样的区域W成为高于52.8kHz且低于81.2kHz的范围和高于95.6kHz且低于151.6kHz的范围。并且,如图9中所说明的那样,如果分开考虑励磁电流和受电电压的条件来设定判定电力的励磁频率,则能够将判定电力的励磁频率设定于更严格地满足两方的条件的区域Z。如果像这样设定跨阻抗并将判定电力的励磁频率设定为使跨阻抗成为规定值以上的频率,则能够使漏磁场减小,并且能够将受电电压设定为高于电压检测器的最小分辨率。

[停车位置判定处理的过程]

接着,参照图11的流程图说明本实施方式所涉及的非接触供电系统1进行的停车位置判定处理的过程。

如图11所示,首先,在步骤S10中,当车辆10靠近停车空间2时,在步骤S20中,受电装置200的充电控制部24经由无线通信部23来向地面侧的供电装置100通知车辆10向停车空间2的靠近。

在步骤S30中,供电装置100的控制部14经由无线通信部13接收来自受电装置200的通知,对车辆10的靠近进行识别。

在步骤S40中,控制部14通过控制逆变器113来开始从送电线圈12传输判定电力,并经由无线通信部13向受电装置200通知判定电力的送电开始。

在步骤S50中,充电控制部24当经由无线通信部23接收到来自供电装置100的通知时,允许开始向停车空间2停放车辆10,并监视受电线圈22对判定电力的受电状态。

然后,当驾驶员开始停放车辆10或利用自动驾驶开始停放车辆10时,在步骤S60中,充电控制部24的电压判定部241判定受电线圈22的受电电压是否大于规定的阈值Vth。然后,在受电线圈22的受电电压为阈值Vth以下的情况下,返回步骤S50继续监视判定电力的受电状态,在受电线圈22的受电电压大于阈值Vth的情况下,进入步骤S70。

在步骤S70中,充电控制部24判定为受电线圈22与送电线圈12之间的距离足够靠近且符合停车位置,经由通知部30向驾驶员通知停车位置的判定为OK(可)。

在步骤S80中,当驾驶员使车辆10停止而完成停车时,结束停车位置判定处理。之后,充电控制部24转移到充电序列。

另外,在上述的图11的停车位置判定处理中,在停放车辆10时传输了判定电力,但是也可以在车辆10停止后传输判定电力。以下,参照图12说明在车辆10停止后传输判定电力的情况下的停车位置判定处理。

如图12所示,首先,在步骤S110中,当车辆10靠近停车空间2时,在步骤S120中,驾驶员开始向停车空间2停放车辆10或利用自动驾驶开始向停车空间2停放车辆10。

然后,在步骤S130中,当车辆10停止时,在步骤S140中,受电装置200的充电控制部24经由无线通信部23来向地面侧的供电装置100通知车辆10的停止。

在步骤S150中,供电装置100的控制部14经由无线通信部13接收来自受电装置200的通知来识别车辆10的停止。

在步骤S160中,控制部14通过控制逆变器113来开始从送电线圈12传输判定电力,经由无线通信部13向受电装置200通知判定电力的送电开始。

在步骤S170中,充电控制部24当经由无线通信部23接收到来自供电装置100的通知时,监视受电线圈22对判定电力的受电状态。此时,电压判定部241判定受电线圈22的受电电压是否大于规定的阈值Vth。然后,在受电线圈22的受电电压为阈值Vth以下的情况下,返回步骤S120,充电控制部24从通知部30向驾驶员通知重新停放车辆10。另一方面,在受电线圈22的受电电压大于阈值Vth的情况下,进入步骤S180。

在步骤S180中,充电控制部24判定为受电线圈22与送电线圈12之间的距离足够靠近且与停车位置一致,经由通知部30向驾驶员通知停车位置的判定为OK(可)。由此,车辆10的停放完成,结束停车位置判定处理。之后,充电控制部24转移到充电序列。

[实施方式的效果]

如以上详细说明的那样,在本实施方式所涉及的非接触供电系统1中,从送电线圈12向受电线圈22传输用于判定停车位置的判定电力,使该判定电力的励磁频率低于同相谐振点的频率、或者高于反相谐振点的频率。由此,能够与送电线圈12和受电线圈22之间的距离靠近相应地使受电线圈22的受电电压单调增加,因此能够不追加装置、不进行复杂的控制而低成本地判定车辆的位置。

另外,在本实施方式所涉及的非接触供电系统1中,将送电线圈12所产生的磁通与受电线圈22所产生的磁通相互增强且成为谐振状态时的频率设为同相谐振点。另外,将送电线圈12所产生的磁通与受电线圈22所产生的磁通相互抵消且成为谐振状态时的频率设为反相谐振点。由此,能够确定受电线圈22的受电电压成为峰的频率,因此能够设定需要的励磁频率的范围。

并且,在本实施方式所涉及的非接触供电系统1中,将受电线圈22的受电电压与送电线圈12的励磁电流之比设定为跨阻抗,将判定电力的励磁频率设定为使跨阻抗成为规定值以上的频率。由此,能够减小送电线圈12的励磁电流来减少送电线圈12的漏磁场,并且能够将励磁频率设定为受电线圈22的受电电压高于电压检测器的最小分辨率。

另外,在本实施方式所涉及的非接触供电系统1中,将受电线圈22的受电电压设定值高于电压检测器的最小分辨率的范围。由此,能够由电压检测器可靠地测定受电线圈22的受电电压,因此能够稳定地进行停车位置的判定。

并且,在本实施方式所涉及的非接触供电系统1中,将送电线圈12的励磁电流设定在使送电线圈12的表面漏磁通密度成为标准值以下的范围。由此,不需要对送电线圈12追加设置屏蔽器,因此能够降低成本。

此外,上述的实施方式是本发明的一例。因此,本发明不限定于上述的实施方式,即使是该实施方式以外的方式,只要在不脱离本发明所涉及的技术思想的范围内,就能够根据设计等进行各种变更,这是不言而喻的。

附图标记说明

1:非接触供电系统;2:停车空间;10:车辆;11:电力控制部;12:送电线圈;13:无线通信部;14:控制部;22:受电线圈;23:无线通信部;24:充电控制部;25:整流部;26:继电器部;27:电池;28:逆变器;29:电动机;30:通知部;100:供电装置;110:交流电源;111:整流部;112:PFC电路;113:逆变器;141:逆变器控制部;142:PFC控制部;143:序列控制部;200:受电装置;241:电压判定部。

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