JP2011062037A - 非接触式充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電装置毎に給電装置側の給電電圧を変更する必要がなく、また、給電装置を簡易な構成とすることができて、システム全体としてのコストアップを抑制することができる非接触式充電システムを提供する。
【解決手段】給電装置は、ニッケル水素電池であって、給電用の電力を蓄積する充電用二次電池と、電力系統に接続され、電力系統より得た交流電力を直流電力に変換し、充電用二次電池に供給して、充電用二次電池を充電する充電手段と、充電用二次電池から出力される直流電力を交流電力に変換するスイッチング手段と、スイッチング手段からの交流電力を受け、受電装置側へ送電する給電コイルとを含む。受電装置は、給電装置の給電コイルから、電磁誘導によって交流電力を受電する受電コイルと、受電コイルで受電された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、整流手段から供給される電圧により充電される受電用二次電池とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、給電装置と充電対象物との間の充電システムに関し、特に、非接触で充電を行う電動車両装置等の非接触式充電システムに関する。

従来、電気自動車等の電動車両装置は、電気モータ等を動力源とするため、エネルギー源としての二次電池の充電が必要であり、通常、二次電池の充電は、車両に搭載された二次電池と外部に設けられた給電装置との間を、電気コード等を介して接続することにより行っていた。

上記電気コード等を介して電動車両装置の二次電池に充電を行うシステムでは、電気コードの接続が不十分な場合等には、漏電等の危険性がある。このため、近年、電動車両装置に搭載された二次電池に充電する電動車両装置の非接触式充電システムとして、例えば、電磁誘導によって住宅（給電装置）用蓄電池から電気自動車（電動車両装置）の二次電池への電力供給と、電気自動車の二次電池から住宅用蓄電池への電力供給とを可能にしたシステムが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−８３８０号公報（第１２−１３頁、第１０図）

上記電気コード等を介して電動車両装置の二次電池に充電を行うシステムにおいて、電動車両装置の充電コネクタの形状は規格統一されているが、電動車両装置に搭載されている二次電池の電池電圧は電動車両装置毎に異なることが多々ある。このため、電動車両装置毎に給電電圧を変更する必要があり、それに付随してシステムや制御プログラムの構成が複雑になり、給電装置がコストアップしてしまうという問題があった。

また、上記特許文献１に開示されている、このような電動車両装置の非接触充電システムにおいて、給電装置側の二次電池に着目すると、二次電池が例えば、鉛蓄電池や、リチウムイオン電池の場合、ＳＯＣ（state of Charge）の変動に対して電圧変動が大きいため、直流電圧を数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの交流電圧に変換する機器と二次電池の間に、変動する入力直流電圧に対して出力直流電圧を一定にするためのＤＣ−ＤＣコンバータ等を別途設ける必要がある。このため、給電装置の構成が複雑となり、システム全体がコストアップしてしまうという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決することを課題としてなされたものであり、その目的とするところは、受電装置毎に給電装置側の給電電圧を変更する必要がなく、また、給電装置を簡易な構成とすることができて、システム全体としてのコストアップを抑制することができる非接触式充電システムを提供することにある。

本発明に係る非接触式充電システムは、受電装置と、受電装置を充電する給電装置とを備えた、非接触式充電システムである。給電装置は、ニッケル水素電池であって、給電用の電力を蓄積する充電用二次電池と、電力系統に接続され、電力系統より得た交流電力を直流電力に変換し、充電用二次電池に供給して、充電用二次電池を充電する充電手段と、充電用二次電池から出力される直流電力を交流電力に変換するスイッチング手段と、スイッチング手段からの交流電力を受けて、受電装置側へ送電する給電コイルとを含んでいる。受電装置は、給電装置の給電コイルから、電磁誘導によって交流電力を受電する受電コイルと、受電コイルで受電された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、整流手段から供給される電圧により充電される受電用二次電池とを含んでいる。

受電装置の受電用二次電池は、ニッケル水素蓄電池であってもよい。

充電手段は、整流器を含んでいてもよい。

給電装置は、充電用二次電池と給電コイルとの間に、制御信号を受信したときに給電コイルへの給電を遮断する給電遮断手段をさらに備え、受電装置は、受電用二次電池の温度、圧力、電圧のうちの少なくとも一つを検出し、検出値が正常を示す条件を逸脱した場合に制御信号を出力する状態検出手段を備えていてもよい。

受電装置は、電動車両であってもよい。

本発明によれば、給電装置に搭載された二次電池をニッケル水素電池で構成し、給電装置のニッケル水素電池に蓄積された電力を電磁誘導によって非接触で受電装置に供給し、受電装置に搭載された二次電池を充電するので、充電に際して給電装置側の電圧がほぼ一定であっても、給電装置側のコイルの巻き数と電動車両側の受電装置のコイルの巻き数の比が電圧の比となるので、電動車両の受電コイルの巻き数を適切に選択することによって、個々の電動車両に適合した電圧の電力を受電することができるので、給電装置を簡易な構成とすることができる。また、ニッケル水素電池はＳＯＣに対する電圧変動が小さいので、従来のシステムのように、受電装置毎に給電装置側の給電電圧を変更するための充放電制御装置を必要としないので、システム全体としてのコストアップを抑制することができるという効果を奏する。

本発明に係る非接触式充電システムの第１実施形態を示した構成図である。 各種二次電池等のＳＯＣ（state of Charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。 充電用二次電池と受電用二次電池との充放電電圧の関係を示すグラフである。 第２実施形態における、商用電力の電圧と充電用二次電池の充電電圧の関係を示すグラフである。

以下、本実施の形態の非接触式充電システムについて、添付図面に従って説明する。

実施の形態１
１．電動車両装置の非接触充電システムの構成
図１は、本発明に係る電動車両装置の非接触式充電システム（以下、「非接触式充電システム」と記す。）の実施の形態を示した構成図である。図１に示すように、本実施の形態の非接触式充電システムは、給電装置１０と受電装置である電動車両装置２０とを含む。非接触式充電システムは、給電装置１０の二次電池に蓄積された電力を電動車両装置２０に搭載されている二次電池に非接触で充電を行う。図示のとおり、本実施の形態では、給電装置１０は住宅内に設けられている。

給電装置１０は、一般の商用電力３０から得た交流電力を所望の（一定の）電圧値の直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータからなる充電器１１と、充電用二次電池１２と、充電用二次電池１２の直流電力を交流電力に変換する高周波スイッチング装置１３と、制御信号を無線で受信する受信部（図示せず）を有し、制御信号を受信したときに電力の給電を停止する給電停止装置１４と、高周波スイッチング装置１３からの交流電力を受けて送電する給電コイル１５とを含む。充電用二次電池１２は、ニッケル水素電池からなる（ニッケル水素電池の詳細な説明は後述。）。

一方、電動車両装置２０は、交流電圧を受電する受電コイル２１と、交流電力を整流して直流電力に変換する整流器２２と、受電用二次電池２３と、受電用二次電池２３の電圧、電流、電池内部の圧力及び電池内部の温度のうち、少なくとも１つを検出し、その検出値が正常を示す条件を逸脱した場合に、給電停止装置１４に制御信号を無線で送信する不具合検出手段２４と、受電用二次電池２３の直流電力を交流電力に変換してモータＭに供給し、電動車両装置２０を駆動制御するＶＶＶＦインバータ２５とを含む。受電用二次電池２３は、ニッケル水素電池からなる。

また、受電用二次電池２３には、例えば、室内照明、ラジオ及びヘッドライト等の補機２６や、エアコン２８を駆動制御するためのインバータ２７も接続されている。

図１に示すように、給電コイル１５は、受電コイル２１と対向する位置に設けられ、受電コイル２１との間で電磁誘導を利用した非接触の給電を可能としている。

２．ニッケル水素電池の特性
ここで、本実施の形態の非接触式充電システムでは、特に、給電装置１０側の充電用二次電池１２としてニッケル水素電池を用いている。このニッケル水素電池の特性について図２を参照して説明する。

図２は、各種二次電池等のＳＯＣ（state of Charge）に対する電圧変化を示すＳＯＣ特性図である。曲線ａはニッケル水素電池の電圧変化を示し、曲線ｂは鉛蓄電池の電圧変化、曲線ｃはリチウムイオン電池の電圧変化、曲線ｄは電気二重層キャパシタの電圧変化を示している。

ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）は、ニッケル水素電池で約０．１、鉛蓄電池で約１．５、リチウムイオン電池で約２、電気二重層キャパシタで約３となっている。つまり、同じ電圧変化とすれば、ニッケル水素電池は、鉛蓄電池の１／１５に、リチウムイオン電池の１／２０に、電気二重層キャパシタの１／３０に電池容量を小さくできる。よって、これに相応して電池寸法を小さくできる。

図２に示すように、曲線ａで示されるニッケル水素電池は、他の二次電池等に比較して電圧の変動に対するＳＯＣの変動の範囲Ｓが広いという特性を有する。すなわち、ニッケル水素電池は、ＳＯＣの変動に対して電池電圧の変動が小さい。これに比べて、曲線ｂ、ｃ、ｄで示される他の二次電池等では、ＳＯＣの変動に対して電圧の変動が大きい。

例えば、ＳＯＣの中央値でみれば、ニッケル水素電池では、中央値の電圧をＶ_１とし、電圧変動が範囲ｄＶ_１内に収まるように使用する場合、ＳＯＣのほぼ全ての範囲において使用することができ、電池容量を有効に利用することができる。これに対し、鉛蓄電池では中央値の電圧をＶ_２とし、電圧変動が範囲ｄＶ_２内に収まるように使用する場合には、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。同様に、リチウムイオン電池では中央値の電圧をＶ_３とし、電圧変動が範囲ｄＶ_３内に収まるように使用する場合、ＳＯＣが狭い範囲でしか使用することができず、電池容量を有効に利用できない。ここで、電圧変動範囲の大きさは、ｄＶ_１／Ｖ_１＝ｄＶ_２／Ｖ_２＝ｄＶ_３／Ｖ_３とする。

このため、鉛蓄電池やリチウムイオン電池もしくは電気二重層キャパシタでは、充電する電圧に適合させるために充放電制御装置を必要としたところ、本実施の形態の非接触式充電システムが採用するニッケル水素電池では、ＳＯＣに対する電圧の変動が小さいため、充放電制御装置を必要としないという特徴を有している。一般に、充放電制御装置は高価だけでなく、寸法が大きく、重量物である。充放電制御装置を省略することができれば、その分安価となる。さらには、車両重量を軽量化できるし、車内スペースも広くすることができる。

３．動作
上述のように構成された本実施の形態の非接触式充電システムの動作について説明する。給電装置１０側のスイッチＳＷをオンすると、商用電力３０から交流電力が供給され、充電器１１により交流電力が直流電力に変換されて、ニッケル水素電池からなる二次電池１２が充電される。

充電用二次電池１２からの直流電力が、高周波スイッチング装置１３により数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの交流電力に変換され、給電コイル１５に供給される。

受電用二次電池２３を充電するには、電動車両装置２０の受電コイル２１が給電装置１０の給電コイル１５に対向するように電動車両装置２０を所定位置に駐車する。

電動車両装置２０の受電コイル２１が給電装置１０の給電コイル１５と対向して配置されたときに、給電コイル１５と受電コイル２１とでトランスＴｒが構成されることとなる。これにより、給電コイル１５に印加した電圧が、給電コイル１５と受電コイル２１の巻き線比で変圧され、変圧された電圧が受電コイル２１に誘導される。

一方、電動車両装置２０において、整流器２２により受電コイル２１に誘導された交流電力が整流され、整流された直流電力がニッケル水素電池からなる受電用二次電池２３に供給される。その結果、受電用二次電池２３が充電される。受電用二次電池２３に充電された直流電力は、ＶＶＶＦインバータ２５により可変電圧可変周波数制御されてモータＭの動力、室内照明、ラジオ及びヘッドライト等の補機２６の電力、及びインバータ２７により交流電力に変換されてエアコン２８を作動させる電力として供給される。

受電用二次電池２３が充電されている間、不具合検出装置２４により受電用二次電池２３の電圧、電流、電池内部の圧力及び電池内部の温度のうち、少なくとも１つが検出される。その検出値が正常を示す条件を逸脱した場合、不具合検出装置２４から制御信号が無線で送信され、給電装置１０における給電停止装置１４の受信部がこれを無線で受信して給電装置１０からの給電を停止する。

例えば、受電用二次電池２３内のセルに一部不具合があった状態で充電を継続すると、受電用二次電池２３が発熱し、それに伴って該受電用二次電池２３内の圧力が上昇する。このような状態で充電を継続することは危険であるので、不具合検出装置２４がそれを検出して給電停止装置１４に制御信号を無線で送信し、給電装置１０からの給電を停止させる。また、例えば、受電用二次電池２３の電圧の急激な低下を検出した場合や、過大な電流が流れた場合も同様に、給電装置１０からの給電を停止させる。

上記構成とすることで、受電用二次電池２３への充電時の安全性を確保することができる。なお、本実施の形態では、不具合検出装置２４により検出された検出値が正常を示す条件を逸脱した場合、給電停止信号を無線で送信し、給電停止装置１４がこれを受信して給電装置１０からの給電を停止させる例を説明したが、これに限らず、例えば、不具合検出装置２４の送信部（図示せず）にＬＥＤを設け、給電停止装置１４の受信部にフォトセンサを設けて給電停止信号を送受信する構成であってもよい。また、例えば、有線によって給電停止信号を送受信する構成であってもよい。

動作説明に戻り、受電用二次電池２３が充電されるに際し、受電用二次電池２３と充電用二次電池１２の充放電電圧の変化を、図１及び図３を参照して説明する。

図３において、縦軸は電池電圧、横軸は時間を示す。実線Ｖｔ１は充電用二次電池１２の放電電圧の変化（図１におけるＶｔ１の電圧）を示す。破線Ｖｔ２は、給電コイル１５に印加した充電用二次電池１２の放電電圧が給電コイル１５と受電コイル２１の所定の巻き線比（例えば、２：１）で変圧された後の電圧の変化、すなわち、受電コイル２１の出力電圧を整流器２２により整流した電圧の変化を示す。実線Ｖｔ３は受電用二次電池２３の充電電圧の変化（図１におけるＶｔ３の電圧）を示す。なお、本実施の形態において、給電コイル１５と受電コイル２１との巻き線比を例えば、２：１とした場合、実線Ｖｔ１に対して破線Ｖｔ２が図３に示す関係となるが、上記破線Ｖｔ２の電圧の絶対値及び曲線の傾き等は、給電コイル１５と受電コイル２１との巻き線比に応じて変化する。

図３に示すように、受電用二次電池２３の充電が開始されると、充電用二次電池１２（ニッケル水素電池）の電圧（Ｖｔ２）は、ＳＯＣの減少に伴い低下してゆく。しかし、充電用二次電池１２（ニッケル水素電池）は、前述したように、内部抵抗が小さく、かつ、ＳＯＣの変動による電圧変動が小さいという特性を有する。このため、充電用二次電池１２（ニッケル水素電池）から放電されても電池電圧は殆ど低下せず、ほぼ一定の電圧を保つ。そして、充電用二次電池１２が完全放電状態に近づくと、電池電圧は急激に低下する。

一方、受電用二次電池２３（ニッケル水素電池）の電圧（曲線Ｖｔ３）は、電池電圧の上昇を抑えたままで満充電状態付近に至るまでは、ほぼ一定の電池電圧を保ち、満充電状態付近のある時点から急激に上昇する。

そして、完全放電状態に近づき、充電用二次電池１２の電池電圧が急激に低下した時の電圧値と、満充電状態に近づき、受電用二次電池２３の電池電圧が急激に上昇した時の電圧値とが互いにバランスするポイントＰ１において、充電用二次電池１２の放電電圧と受電用二次電池２３の充電電圧との電位差がゼロとなり、充電用二次電池１２から受電用二次電池２３への電力供給が停止する。すなわち、受電用二次電池２３の充電が完了する。

このように、本実施の形態では、給電装置１０及び電動車両装置２０の二次電池として、ニッケル水素電池で構成したことにより、充電用二次電池１２が完全放電状態に近づくまでの広いＳＯＣの範囲にわたりほぼ一定の電圧を保ち、受電用二次電池２３が満充電状態付近に至るまでほぼ一定の電圧を保つことができる。その結果、充電用二次電池１２及び受電用二次電池２３の充放電を制御するための手段（充放電制御装置）を設ける必要がなく、非接触式充電システムの構成を簡略化でき、全体としてのコストを抑制することができる。

また、電動車両装置２０の二次電池として、ニッケル水素電池で構成したことにより、ニッケル水素電池の媒体は水溶液のため、仮に故障が生じても導体として働くため車両全体が動作しなくなることはないが、リチウム電池の場合、媒体が非水溶液で不導体であるので、故障により全く機能しなくなり、車両全体が作動不能に陥るというリスクがある。したがって、本実施の形態においては、このようなリスクを回避することも可能である。

さらに、電動車両装置２０に搭載されている受電用二次電池２３を充電する際、給電コイル１５と受電コイル２１とがトランスとして作用する。これにより、１次巻き線と２次巻き線との比率を、受電用二次電池２３が充電される必要電圧に適宜選定しておけばよく、従来の電気コード等を介して電動車両装置の二次電池に充電を行うシステムのように、給電装置側の給電電圧を電動車両装置の電池電圧に応じた電圧仕様の給電装置を用意する必要がない。また、給電装置１０側と電動車両装置２０側とを非接触の状態で充電するので、雨水等による漏電等の危険性が低減する。

なお、本実施の形態では、電動車両装置２０の二次電池をニッケル水素電池で構成した例を説明したが、これに限らず、他の二次電池であってもよい。この場合の二次電池は、ＳＯＣの変動に対する電圧変化（ΔＶ／ΔＳＯＣ）が小さく、内部抵抗が小さく、体積エネルギー密度が高いという特性を有していることが好ましい。

また、電動車両装置２０側の整流器２２と受電用二次電池２３との間に受電用二次電池２３の充電状態を監視する、充電電流監視装置を設けてもよい。

本実施の形態において、給電装置１０を住宅内に設ける例を説明した。このように、一般家庭のような契約電力が小さな所に給電装置１０を設置しても、当該給電装置１０を介して電動車両装置２０を急速に充電することが可能になる。

実施の形態２
実施の形態１では、給電装置１０の構成において、充電器１１は、商用電力３０からの交流電力を所望の電圧値の直流電力に変換するＡＣ−ＤＣコンバータで構成していた。この充電器１１に代えて、商用電力３０からの交流電力を単に整流する整流器を設けてもよい。

この場合、商用電力３０の電圧と充電用二次電池１２の充電電圧との関係を図１及び図４を参照して説明する。図４において、縦軸は電圧、横軸は時間を示す。実線Ｖｔ０は、整流器により商用電力３０から得た交流電力を整流し、整流された後の直流の電圧（図１におけるＶｔ０の電圧）である。実線Ｖｔ４は、充電用二次電池１２の充電電圧の変化（図１におけるＶｔ４の電圧）を示している。

図４に示すように、商用電力３０は、例えば、１００Ｖの一定電圧であるので、整流器により整流された後の直流の電圧は一定電圧となる。充電用二次電池１２の充電が開始されると、充電用二次電池１２（ニッケル水素電池）の電圧（曲線Ｖｔ４）は、前述したように大量の電荷に対しても、電池電圧の上昇を抑えたままで満充電状態付近に至るまでは、ほぼ一定の電池電圧を保ち、満充電状態付近のある時点から急激に上昇する。

そして、商用電力３０の電圧、すなわち、整流器により整流された後の直流の電圧（図１におけるＶｔ０の電圧）と、満充電状態に近づいた充電用二次電池１２の電池電圧とが互いにバランスするポイントＰ２において、上記直流電圧と、充電用二次電池１２の充電電圧との電位差がゼロとなり、充電用二次電池１２の充電が停止する。このように、充電電圧を一定にした状態で充電用二次電池１２を充電することができる。

上記構成とすることで、前述の実施の形態で説明した、電圧を変換する変換回路（図示せず）を有し、商用電力３０から得た交流電力を直流電力に変換する充電器１１（ＡＣ−ＤＣコンバータ）等の機器が不要となり、非接触式充電システムをさらに簡素化することができる。その結果、システム全体としてのコストをさらに抑制することができる。

今回、開示した実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は、上記で説明した範囲ではなく、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での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明の電動車両装置の非接触式充電システムは、電気自動車のほか、電動自動二輪車、電動車椅子、電動ゴルフカートの電動車両や、家電製品等の、充電可能な二次電池を備えた装置、機器に対する充電システムに適用可能である。

１０ 給電装置、１１ 充電器、１２ 充電用二次電池、１３ 高周波スイッチング装置、１４ 給電停止装置、１５ 給電コイル、２０ 電動車両装置（受電装置）、２１ 受電コイル、２２ 整流器、２３ 受電用二次電池、２４ 不具合検出装置、２５ ＶＶＶＦインバータ、３０ 商用電力

Claims (5)

1. 受電装置と、前記受電装置を充電する給電装置とを備えた、非接触式充電システムであって、
   前記給電装置は、
   ニッケル水素電池であって、給電用の電力を蓄積する充電用二次電池と、
   電力系統に接続され、前記電力系統より得た交流電力を直流電力に変換し、前記充電用二次電池に供給して、前記充電用二次電池を充電する充電手段と、
   前記充電用二次電池から出力される直流電力を交流電力に変換するスイッチング手段と、
   前記スイッチング手段からの交流電力を受けて、前記受電装置側へ送電する給電コイルとを含み、
   前記受電装置は、
   前記給電装置の給電コイルから、電磁誘導によって交流電力を受電する受電コイルと、
   前記受電コイルで受電された交流電力を直流電力に変換する整流手段と、
   前記整流手段から供給される電圧により充電される受電用二次電池とを含む、
   ことを特徴とする非接触式充電システム
2. 前記受電装置の前記受電用二次電池は、ニッケル水素蓄電池である、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触式充電システム。
3. 前記充電手段は、整流器を含むこと、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の非接触式充電システム。
4. 前記給電装置は、前記充電用二次電池と前記給電コイルとの間に、制御信号を受信したときに前記給電コイルへの給電を遮断する給電遮断手段をさらに備え、
   前記受電装置は、前記受電用二次電池の温度、圧力、電圧のうちの少なくとも一つを検出し、前記検出値が正常を示す条件を逸脱した場合に前記制御信号を出力する状態検出手段を備える、
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の非接触式充電システム。
5. 前記受電装置は電動車両である、ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の非接触式充電システム。

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