JP2010103200A - 給電システム - Google Patents

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Abstract

【課題】正確な位置決めを要することなく非接触で給電する。
【解決手段】給電コイル１０内に受電コイル１６を挿入して非接触で給電する。給電コイル１０のコイル径よりも受電コイル１６のコイル径を十分小さくして受電コイル１６を給電コイル１０内に挿入可能とし、給電コイル１０と受電コイル１６の共振周波数を一致させる。電源周波数調整手段１２で給電コイル１０及び受電コイル１６の共振周波数と同一あるいはその近傍の周波数で交流電力を給電コイル１０に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は給電システム、特に施設側に設けられた給電コイルから、車両等の移動体に設けられた受電コイルに非接触で電力を供給するシステムに関する。
従来より、電磁誘導を利用した非接触方式の給電システムが知られている。例えば、下記の特許文献１には、電源に接続される給電コイルに、負荷に接続される受電コイルを挿入することにより、電磁誘導で給電部から受電部に対して非接触で給電するシステムが記載されている。受電部は給電部の略２倍の長さを有し、下端側に受電コイル、上端側に支持部が設けられる。電磁結合する動作位置では受電部が上に引き出された状態となるように支持部が支え、収納位置では支持部が外されて受電部は下方に落ち込み、両コイルの電磁結合が解除される。受電部が動作位置にある場合にのみ給電コイルは自動的に駆動されるとしている。
特開２００５−２０９７９６号公報 ＷＯ２００７／００８６４６号公報
しかしながら、上記従来技術では、給電コイルと受電コイルの位置を近接させる必要があるため、給電コイルに受電コイルを挿入する場合においても、正確な位置決めが必要となる。このため、例えばコンセントに挿入して給電する場合に比べて必ずしも簡便であるとはいえない問題がある。
本発明の目的は、給電コイルに受電コイルを挿入して給電する場合においても、正確な位置合わせをすることなく効率良く給電することができるシステムを提供することにある。
本発明は、給電コイルと、前記給電コイルと同一共振周波数を有し、かつそのコイル径が前記給電コイルのコイル径よりも小さく前記給電コイル内に挿入可能な受電コイルと、前記給電コイル内に挿入された前記受電コイルの、前記給電コイルに対する角度を一定範囲内に規制する規制手段と、前記給電コイル及び前記受電コイルの前記共振周波数と同一もしくはその近傍の給電周波数で交流電力を前記給電コイルに供給する電源手段とを有することを特徴とする。
本発明の１つの実施形態では、前記規制手段は、前記受電コイルの前記給電コイルに対する角度を０度と６０度の間に規制する。
また、本発明の他の実施形態では、前記電源手段は、前記給電周波数を前記共振周波数に初期設定し、前記共振周波数を増減させて給電効率が最大となる周波数を探索する。
本発明によれば、給電コイルに受電コイルを挿入して給電する場合においても、正確な位置合わせをすることなく効率良く給電することができる。
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。
図１に、実施形態のシステム構成図を示す。本システムは、給電コイル１０及び受電コイル１６を含む。
給電コイル１０は、給電ステーション等の施設内に固定的に設けられる。給電コイル１０は、例えば給電部の筐体内に収納される。給電コイル１０の半径は、受電コイル１６の半径よりも十分大きく設定され、給電コイル１０内に受電コイル１６を挿入することができる。給電コイル１０の共振周波数は、受電コイル１６の共振周波数と同一周波数に設定される。
給電コイル１０には、電源周波数調整手段１２が接続され、電源周波数調整手段１２には家庭用コンセント等の電源１４が接続される。
電源周波数調整手段１２は、電源１４から供給される交流電力の周波数を変化させて給電コイル１０に供給する。電源周波数調整手段１２は、基本的には交流電力の周波数を給電コイル１０の共振周波数と同一もしくはその近傍の周波数に設定して給電コイル１０に供給する。但し、給電コイル１０に供給すべき交流電力の周波数は、後述するように給電コイル１０内に挿入される受電コイル１６の、給電コイル１０に対する相対的位置、より特定的には挿入角度に応じて変化する。すなわち、電源周波数調整手段１２は、給電コイル１０に対する受電コイル１６の挿入角度に応じた周波数に設定する。
電源１４は、例えば家庭用のコンセントであって家庭用交流電力を供給するが、これに限定されるものではなく、任意の交流電力を用いることができる。また、電源１４として直流電源を用いることもできる。この場合、電源周波数調整手段１２は、直流電力を交流電力に変換するインバータとしても機能する。
受電コイル１６は、給電コイル１０からの電力を電磁誘導によって非接触で受けるコイルであり、受電コイル１６は給電時には給電コイル１０内に挿入され、非給電時には給電コイル１０から離脱する。受電コイル１６は、例えば給電ステーションにおいて給電を受ける移動体に設けられる。受電コイル１６には、整流手段１８が接続される。
整流手段１８は、受電コイル１６からの交流電力を直流電力に変換し、蓄電手段２０に供給して電力を蓄える。蓄電手段２０は、例えばバッテリである。
図２に、給電コイル１０の略中心に受電コイル１６を挿入した場合の相対的位置関係を示す。給電コイル１０のコイル軸に対し、受電コイル１６のコイル軸がなす角をθとする。
また、図３に、交流電力の周波数を給電コイル１０と受電コイル１６の共振周波数に設定して給電コイル１０に交流電力を供給した場合における、角度θと給電効率（％）との関係を示す。角度θが０度から６０度までは９０％程度の効率であり、特にθ＝４５度において最大効率が得られる。また、θ＝６０度を境界にしてそれ以上角度が増加すると効率は著しく低下する。
図３から分かるように、給電コイル１０と受電コイル１６の共振周波数を一致させ、給電コイル１０にその共振周波数と同一の周波数の交流電力を供給することで、給電コイル１０内に挿入される受電コイル１６の角度が多少変化したとしても、角度θが０度以上６０度以下の範囲内であれば、効率的に給電することができる。このことは、受電コイル１６を給電コイル１０内に挿入する場合の位置については、正確な位置合わせを行う必要がなく、θが６０度以下の任意の角度となるように調整すればよいことを意味する。
一方、図４に、角度θを変化させたときの、給電コイル１０に供給すべき交流電力の周波数と効率（％）との関係を示す。図において、横軸は交流電力の周波数であり、ｆｒは共振周波数である。角度θは、０度、３０度、４５度、６０度、７５度と変化させている。共振周波数ｆｒにおいて、θが０度〜６０度の範囲内においてほぼ効率は９０％程度であり、上述したように特にθ＝４５度において最大効率となる。但し、角度θが異なると、最大効率が得られる周波数は、共振周波数ｆｒから若干シフトする。したがって、給電コイル１０に供給すべき交流電力の周波数としては、基本的には共振周波数ｆｒに設定するが、給電コイル１０に対する受電コイル１６の角度θに応じて最大効率が得られる周波数が異なるため、最初に設定した共振周波数ｆｒから周波数を増減して効率を検出し、最大効率が得られる周波数を探索するのが好適である。角度θが４５度と既知であれば、当初に設定した共振周波数ｆｒが最大効率の得られる周波数となる。角度θが４５度と６０度の間にある場合、共振周波数ｆｒよりも高い周波数において最大効率が得られる。また、角度θが０度と４５度の間にある場合、共振周波数ｆｒよりも低い周波数において最大効率が得られる。
図５に、給電コイル１０内に挿入された受電コイル１６の他の相対的位置関係を示す。図２では、給電コイル１０の中心に受電コイル１６を挿入した場合であるが、図５は受電コイル１６の先端部が給電コイル１０のコイル軸上に位置するように挿入した場合である。この場合においても、給電コイル１０のコイル軸に対する受電コイル１６のコイル軸のなす角度をθとし、図６に角度θと効率（％）との関係を示す。この図６においても、図３と同様の傾向が見られる。すなわち、角度θが０度〜６０度の範囲内において９０％程度の効率が得られる。但し、角度θが７５度においても９０％以上の効率が得られている点が図３と相違する。図５の位置関係においても、給電コイル１０に供給すべき交流電力の周波数を共振周波数ｆｒに設定すると、少なくとも角度θが０度〜６０度の範囲内であれば、効率的に給電できる。
このように、給電コイル１０の半径を受電コイル１６の半径よりも大きくして給電コイル１０内に受電コイル１６を挿入可能とし、給電コイル１０と受電コイル１６の共振周波数を一致させ、給電コイル１０に供給すべき交流電力の周波数を共振周波数あるいはその近傍に設定することで、給電コイル１０に対する受電コイル１６の角度が０度〜６０度の範囲内のいずれであっても高効率で給電することができる。
そして、給電コイル１０に供給すべき交流電力の周波数を共振周波数の近傍で探索することで、最大効率で給電することができる。
なお、本実施形態では給電コイル１０に対する受電コイル１６の角度θを０度〜６０度の範囲内に限定しているが、この条件を実現するために、給電コイル１０あるいは受電コイル１６のいずれか、あるいは両方に、給電コイル１０内に受電コイル１６を挿入する際に角度θが６０度を超える角度とならないような規制部材あるいはガードを設けることも好適である。
図７に、給電コイル１０側に規制部材を設けた例を示す。給電コイル１０内に、円錐状、コーン状、あるいはすり鉢状の中空のガード１１を設ける。ガード１１の軸は給電コイル１０のコイル軸に一致する。ガード１１の図中下端部は給電コイル１０の下端部よりも径が小さく、ガード１１の図中上端部は給電コイル１０の上端部とほぼ径が等しい。受電コイル１６を給電コイル１０内に挿入すると、受電コイル１６がガード１１の内壁面に沿うように位置決めされる。給電コイル１０のコイル軸と、ガード１１の壁面とのなす角度αを６０度以下に制限することで、給電コイル１０と受電コイル１６のなす角度θを６０度以下に制限することができる。もちろん、角度αを例えば４５度に設定することで、給電コイル１０と受電コイル１６のなす角度を４５度に設定でき、交流電力の周波数が共振周波数ｆｒの場合に最大効率で給電することができる。
図８に、本実施形態のシステムを車両に適用した場合のシステム構成を示す。システムは、給電ステーション側の構成と車両側の構成に大別される。
まず、給電ステーション側の構成について説明する。給電ステーションの給電部には給電コイル１０が設けられる。給電コイル１０は、給電部の格納庫内に格納される。格納庫は通常状態では蓋部２２で覆われており、給電コイル１０は格納庫内に密閉される。また、通常状態では蓋部２２はロックされており、自由に開閉することはできない。給電時には蓋部２２のロックは解除され、給電コイル１０を露出することができる。給電コイル１０が格納庫から露出した状態で受電コイル１６を給電コイル１０内に挿入する。給電コイル１０には図７に示すようなガード１１が設けられており、給電コイル１０内に挿入された受電コイル１６の角度を０度〜６０度の範囲内に規制するようになっている。給電コイル１０には電源制御部２６が接続され、電源制御部２６にはさらに通信部２４が接続される。
通信部２４は、後述する車両側の通信部３４と無線でデータ通信する。通信すべきデータは、給電開始と給電停止のタイミングデータあるいはコマンドデータである。通信部２４は、車両側の通信部３４からの給電開始タイミングデータあるいはコマンドデータを受信すると、電源制御部２６に給電開始を指令する。また、通信部２４は、車両側の通信部３４からの給電停止タイミングデータあるいはコマンドデータを受信すると、電源制御部２６に給電停止を指令する。
電源制御部２６は、図１における電源周波数調整手段１２及び電源１４を含み、通信部２４からの給電開始指令を受けて、商用交流電源等からの交流電力の周波数を調整して給電コイル１０に供給する。給電コイル１０への給電は、２段階に分けて実行される。第１段階は、交流電力パワーを微弱なレベルに抑制し、交流電力の周波数を増減して最大効率が得られる周波数を探索する段階である。第２段階は、探索して得られた最大効率が得られる周波数にて交流電力パワーを上げ、給電コイル１０に給電する段階である。電源制御部２６は、通信部２４から給電停止指令を受けると、給電コイル１０に対する交流電力の給電を停止する。
次に、車両側の構成について説明する。車両１００には、受電コイル１６が設けられる。受電コイル１６は、通常状態では受電コイル格納庫２８内に格納されている。給電時にはユーザが受電コイル格納庫２８から受電コイル１６を引き出して給電コイル１０内に挿入する。受電コイル１６には制御部３０が接続される。
制御部３０は、受電コイル１６による受電を制御する機器であり、整流部１８、充電制御部３２、車載電池２０及び通信部３４を含む。整流部１８は図１における整流手段であり、受電コイル１６からの交流電力を整流して直流電力を生成する。充電制御部３２は、直流電力を車載電池２０に供給して充電する。充電制御部３２は、車載電池２０の充電状態（ＳＯＣ）を常に、あるいは一定間隔で監視する。充電制御部３２は、検出した充電状態に基づいて車載電池２０が満充電状態になったか否かを判定し、満充電状態になった場合にその旨の検出信号を通信部３４に供給する。また、充電制御部３２は、検出した充電状態に基づいて車載電池２０の充電が必要になったことを検出してその旨の検出信号を通信部３４に供給してもよい。また、充電制御部３２は、ユーザの充電に関する操作信号を受けて各種指令を通信部３４に供給する。
車載電池２０は、ニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の二次電池である。
通信部３４は、充電制御部３２からの各種指令に応じて給電開始信号及び給電停止信号を通信部２４に送信する。給電開始信号は、ユーザの操作信号に応じて送信する。また、給電停止信号は、ユーザの操作信号あるいは充電制御部３２から満充電状態になったことを示す検出信号を受信したことに応じて送信する。
図９に、図８のシステムにおける給電処理のフローチャートを示す。まず、ユーザが運転席近傍にあるスイッチやボタン等の操作手段を操作して給電開始（充電開始）を指令する（Ｓ１０１）。ユーザが音声等により給電開始（充電開始）を指令してもよい。給電開始指令を受けた充電制御部３２は、受電コイル格納庫２８のロックを解除して受電コイル１６の引き出しが可能な状態とする。また、充電制御部３２は、充電開始指令を通信部３４に供給する。通信部３４は、通信部２４に対して給電開始指令を送信する。給電ステーション側では、通信部２４が給電開始指令を受信したことに応じて、蓋部２２のロックを解除して給電コイル１０の露出が可能な状態とする。もちろん、受電コイル格納庫２８のロック解除及び蓋部２２のロック解除を手動で行うようにしてもよい。
次に、ユーザは、ロックが解除された受電コイル格納庫２８より受電コイル１６を取り出す（Ｓ１０２）。
次に、ユーザは、ロックが解除された蓋部（投入口）２２を開けて給電コイル１０を露出させ、給電コイル１０内に受電コイル１６を挿入する（Ｓ１０３）。受電コイル１６を挿入した後、蓋部２２を必要に応じて再び閉める。受電コイル１６は、ガード１１によりその角度が規制されつつ給電コイル１０内に位置決めされる。
次に、電源制御部２６は、通信部２４からの給電開始指令に応じ、微弱パワーの交流電力を給電コイル１０に供給しつつ、給電周波数を増減して最大効率が得られる周波数を探索する（Ｓ１０４）。具体的には、電源制御部２６は、給電周波数をまず給電コイル１０及び受電コイル１６の共振周波数ｆｒに設定し、そこから所定量だけ周波数を増減させる。例えば、まず給電周波数を共振周波数ｆｒに設定してそのときの効率を検出する。次に、給電周波数をｆｒ＋Δｆに設定してそのときの効率を検出し前回の効率と大小比較する。効率が増大していれば、さらに給電周波数をｆｒ＋２Δｆに設定してそのときの効率を検出し再び前回の効率と大小比較する。一方、効率が減少していれば、給電周波数をｆｒ−Δｆに設定する。以上の処理を繰り返すことで最大効率が得られる周波数を探索する。
次に、電源制御部２６は、得られた最大効率が所定の規定値よりも大きいか否かを判定することで給電の可否を判定する（Ｓ１０５）。最大効率を規定値と比較するのではなく、最低反射量が規定値よりも小さいか否かを判定してもよい。最大効率が規定値よりも小さい場合、給電不可と判定し、ユーザにその旨を報知する。報知方法としては、例えば給電ステーションの表示装置に表示する、あるいは通信部２４及び通信部３４を介して車両１００内のディスプレイに表示する等である。音声で給電不可を報知してもよい。ユーザは、給電不可を報知されると、受電コイル１６を給電コイル１０内に挿入し直す。その後、再びＳ１０４の周波数探索を実行して給電可否を判定する。
給電可と判定された場合、電源制御部２６はその旨をユーザに報知する。例えば、給電ステーションの表示装置に表示する、あるいは通信部２４及び通信部３４を介して車両１００内のディスプレイに表示する。そして、ユーザはこの報知を受けて給電開始を指令する。この指令を受けた充電制御部３２は通信部３４に供給し、通信部３４は通信部２４に送信する。通信部３４から給電開始指令（第２段階の給電開始指令）を受けた電源制御部２６は、交流電力のパワーを上げて、Ｓ１０４で探索した最大効率が得られる給電周波数で給電コイル１０に給電する（Ｓ１０６）。給電中は、蓋部２２を再びロックすることが好適である。
次に、充電制御部３２は、車載電池２０の充電状態（ＳＯＣ）を監視する（Ｓ１０７）。この監視は、整流部１８から直流電力が供給されたことをトリガとして開始してもよく、充電制御部３２から第２段階の給電開始指令を通信部３４に送信したことをトリガとして開始してもよい。車載電池２０が満充電状態になると、充電制御装置３２はその旨を通信部３４に送信し、通信部３４は通信部２４に給電停止指令を送信する。電源制御部２６は、通信部２４から給電停止指令を受けると、交流電力の給電を停止する（Ｓ１０８）。なお、充電制御部３２は、車載電池２０が満充電状態となった場合に、ユーザに対してその旨を報知する。給電終了後、蓋部２２のロックを解除し、ユーザは受電コイル１６を取り出して受電コイル格納庫２８内に格納する。
以上、本実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更が可能である。
例えば、本実施形態では、給電可否判定を行って給電可能と判定した場合、ユーザからの給電開始指令に応じて電源制御部２６が交流電力のパワーを上げて給電を開始しているが、給電可能と判定した場合にユーザからの指令を待つことなく、そのまま交流電力のパワーを上げて給電を開始してもよい。この場合、給電開始指令は１回だけで済む。
また、本実施形態では図９のＳ１０４に示すように給電周波数を探索しているが、給電コイル１０内のガード１１の存在により給電コイル１０に対する受電コイル１６のなす角度が規制され、ある角度範囲に規制されることが明らかであるため、周波数探索範囲は一定範囲に制限することができる。また、ガード１１により給電コイル１０に対する受電コイル１６のなす角度が４５度に規制される場合、Ｓ１０４における給電周波数探索処理を省略し、給電周波数を共振周波数に設定してもよい。
また、本実施形態では、給電コイル１０内に規制手段としてのガード１１を設けているが、既述したように、規制手段は給電コイル１０あるいは受電コイル１６の少なくともいずれかに設けることができる。給電コイル１０自体の形状あるいは受電コイル１６自体の形状を加工して、給電コイル１０に対する受電コイル１６のなす角度θを０度〜６０度の間に規制してもよい。
また、本実施形態では、給電コイル１０に対する受電コイル１６のなす角度を０度〜６０度の範囲に規制しているが、これは図３に示すように、給電周波数を給電コイル１０及び受電コイル１６の共振周波数と同一周波数として給電する場合の効率（給電効率）がほとんど変わらないという事実に基づくものであり、どの程度の効率変動を許容できるかによって規制すべき角度範囲が決まることになる。例えば、図３において効率８０％以上であれば許容できるものとすると、規制すべき角度範囲の上限は６０度よりも増大し、６３度〜６５度程度となる。但し、６０度を超えると既述したように効率の変動が大きくなるので、効率の安定化を図るという観点からは、０度〜６０度の範囲に規制するのが好適である。
また、本実施形態では、給電コイル１０に対する受電コイル１６のなす角度が０度〜６０度の間の任意の角度にあることを前提として、最大効率が得られる給電周波数を探索しているが、ガード１１により角度がある値に規定される場合に加え、給電コイル１０あるいは受電コイル１６に角度センサを設け、給電コイル１０に対する受電コイル１６のなす角度を検出するようにすれば、検出された角度に応じて最大効率が得られる給電周波数は一義的に定まるから探索する必要はない。この場合、図８の構成において、例えば、受電コイル１６側に角度センサを設け、受電コイル１６のなす角度θを検出する。給電コイル１０のコイル軸が鉛直方向にあるとすると、受電コイル１６の鉛直方向からの傾き角を検出することで角度θを検出することができる。検出された角度は、通信部３４から通信部２４に送信される。通信部２４は、受信した角度を電源制御部２６に供給する。電源制御部２６は、受信した角度に基づいて給電周波数を決定する。電源制御部２６がメモリを有し、このメモリ内に予め検出された角度θと給電周波数との対応関係をマップとして格納してもよい。電源制御部２６は、検出された角度θに対応する給電周波数をマップから読み出して設定する。このように角度θに対応して給電周波数を設定する場合、電源制御部２６は最初に共振周波数を設定する必要もない。マップとして、角度θと給電周波数の値ではなく、角度θと共振周波数からの変位量Δｆの対応関係を格納することもできる。また、角度θ＝４５度からのずれ量と、これに対応する共振周波数からの変位量Δｆを格納することもできる。この場合、角度θ＝４５度からのずれ量が０のときにΔｆも０である。
さらに、本実施形態では、給電周波数として、給電コイル１０及び受電コイル１６の共振周波数と同一周波数あるいはその近傍の周波数に設定しているが、共振周波数の近傍の周波数とは、共振周波数を基準として所定の微少量Δの範囲内にあることを意味し、微小量Δは図４を参照すると０．２５ＭＨｚ〜０．５ＭＨｚである。
実施形態の構成図である。 給電コイルと受電コイルの相対的位置関係を示す説明図である。 図２における角度θと効率との関係を示すグラフ図である。 給電周波数と効率との関係を示すグラフ図である。 給電コイルと受電コイルの他の相対的位置関係を示す説明図である。 図６における角度θと効率との関係を示すグラフ図である。 給電コイル内のガード説明図である。 実施形態のシステム構成図である。 実施形態の処理フローチャートである。
符号の説明
１０ 給電コイル、１１ ガード、１６ 受電コイル、１００ 車両。

Claims (3)

  1. 給電コイルと、
    前記給電コイルと同一共振周波数を有し、かつそのコイル径が前記給電コイルのコイル径よりも小さく前記給電コイル内に挿入可能な受電コイルと、
    前記給電コイル内に挿入された前記受電コイルの、前記給電コイルに対する角度を一定範囲内に規制する規制手段と、
    前記給電コイル及び前記受電コイルの前記共振周波数と同一もしくはその近傍の給電周波数で交流電力を前記給電コイルに供給する電源手段と、
    を有することを特徴とする給電システム。
  2. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記規制手段は、前記受電コイルの前記給電コイルに対する角度を０度と６０度の間に規制することを特徴とする給電システム。
  3. 請求項１記載のシステムにおいて、
    前記電源手段は、前記給電周波数を前記共振周波数に初期設定し、前記共振周波数を増減させて給電効率が最大となる周波数を探索することを特徴とする給電システム。
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