JP2011244533A - 共鳴型非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電側の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することを可能にする。
【解決手段】給電側設備10は、高周波電源11及び１次側共鳴コイル13ｂを備えている。移動体側設備20は、１次側共鳴コイル13ｂからの電力を受電する２次側共鳴コイル21ｂ、整流器23、２次側共鳴コイル21ｂと整流器23との間に設けられた２次側整合器22、整流器23により整流された電力が供給される充電器24、充電器24に接続された２次電池25及び車両側コントローラ26を備えている。車両側コントローラ26は、給電側設備10から給電中か否かを判断する給電判断手段と、受電するか否かを判断する受電判断手段と、前記給電判断手段及び前記受電判断手段の判断情報に基づいて、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には２次側整合器22を不整合状態にする制御手段として機能する。
【選択図】図１

Description

本発明は、共鳴型非接触給電システムに係り、詳しくは受電側に蓄電装置を備えた共鳴型非接触給電システムに関する。

従来、共鳴法によって車両外部の電源からワイヤレスで充電電力を受電し、車載の蓄電装置を充電可能な充電システムが提案されている（特許文献１参照）。特許文献１の充電システムは、電動車両と給電装置とを備え、電動車両は、２次自己共振コイル（２次側共鳴コイル）と２次コイルと、整流器と蓄電装置とを含み、給電装置は、高周波電力ドライバと、１次コイルと、１次自己共振コイル（１次側共鳴コイル）とを備える。

特開２００９−１０６１３６号公報

２次電池に充電を行う場合、２次電池が満充電になった後も充電を続けて過充電になるまで充電を行うことを繰り返すと、２次電池の寿命が短くなる。そのため、充電時には２次電池が過充電になる前に充電を停止、終了する必要がある。共鳴型非接触給電システムが正常に動作している場合は問題はないが、受電側、例えば充電器の故障で満充電になったにも拘らず充電終了ができない状態、あるいは満充電になる前に充電中止指令を行ったにも拘らず充電中止ができない状態になる場合も考えられる。しかし、特許文献１にはこのような場合に関しては何ら記載がない。受電側から無線通信により給電側に給電中止を要請して給電を中止して充電を中止する方法もある。しかし、例えば、給電設備として複数の受電設備に同時に給電を行う構成の場合のように、給電を直ちに中止できない場合もある。

本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、受電側の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することができる共鳴型非接触給電システムを提供することにある。

前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、交流電源、前記交流電源から電力の供給を受ける１次側共鳴コイルを備えた給電側設備と、前記１次側共鳴コイルからの電力を受電する２次側共鳴コイル、前記２次側共鳴コイルが受電した電力を整流する整流器、前記整流器により整流された電力が供給される充電器及び前記充電器に接続された蓄電装置を備えた移動体側設備とを備えた共鳴型非接触給電システムである。そして、前記移動体側設備は、前記２次側共鳴コイルと前記整流器との間に設けられた整合器と、前記給電側設備から給電中か否かを判断する給電判断手段と、受電するか否かを判断する受電判断手段と、前記給電判断手段及び前記受電判断手段の判断情報に基づいて、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には前記整合器を不整合状態にする制御手段を備えている。

この発明では、給電側設備の１次側共鳴コイルから非接触で供給される電力が２次側共鳴コイルで受電され、２次側共鳴コイルが受電した電力は整合器及び整流器を経て充電器に供給され、充電器で２次電池の充電に適した電圧に変換されて２次電池に供給されて蓄電装置が充電される。充電時に、給電判断手段により給電側設備から給電中か否かが判断される。また、受電判断手段により受電するか否かが判断される。制御手段は、給電判断手段及び受電判断手段の判断情報に基づいて受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には、整合器を不整合状態にする。整合器が不整合状態になると、交流電源から１次側共鳴コイルへ出力された電力の交流電源への反射電力が増え、蓄電装置の充電が実質中止される状態になる。そのため、受電側の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側設備（給電側）に給電中止を依頼せずに、移動体側設備（受電側）で充電を中止することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を中止したいのに中止ができない場合に、前記整合器を不整合状態にする。ここで、「充電を中止したいのに中止ができない場合」とは、例えば、満充電になって充電終了信号が出力されたり、運転者の都合で満充電前に充電停止指令が入力されたりしたのに充電が中止されない場合等がある。この発明では、例えば、充電時に満充電信号により充電器が充電を終了しようとしても終了できない場合や、満充電になる前に充電中止指令を行ったにも拘らず充電中止ができない場合に、整合器が不整合状態になることで充電が中止される。

本発明によれば、受電側の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することができる共鳴型非接触給電システムを提供することができる。

一実施形態の共鳴型非接触給電システムの構成図。

以下、本発明を車載バッテリを充電するための共鳴型非接触給電システムに具体化した一実施形態を図１にしたがって説明する。
図１に示すように、共鳴型非接触給電システムは、地上側に設けられる給電側設備（送電側設備）１０と、移動体としての車両（自動車）に搭載された移動体側設備２０とで構成されている。

給電側設備１０は、交流電源としての高周波電源１１、１次側整合器１２、１次側コイル１３及び電源側コントローラ１４を備えている。高周波電源１１は、１次側共鳴コイル１３ｂからの反射電力を検出する反射電力検出手段１１ａを備えており、反射電力検出手段１１ａから反射電力の検出信号が電源側コントローラ１４へ送られる。高周波電源１１には、電源側コントローラ１４から電源オン／オフ信号が送られ、この信号により高周波電源１１がオン／オフされる。高周波電源１１は、共鳴系の予め設定された共鳴周波数に等しい周波数の交流電力、例えば数ＭＨｚ程度の高周波電力を出力する。車両側コントローラ２６は、反射電力検出手段１１ａからの反射電力検出信号に基づき、反射電力が予め設定された値以上の状態が設定時間以上継続すると、給電を停止するように高周波電源１１を制御する。

１次側コイル１３は、１次コイル１３ａと１次側共鳴コイル１３ｂで構成されている。１次コイル１３ａは、１次側整合器１２を介して高周波電源１１に接続されている。１次コイル１３ａと１次側共鳴コイル１３ｂとは同軸上に位置するように配設され、１次側共鳴コイル１３ｂにはコンデンサＣが並列に接続されている。１次コイル１３ａは、１次側共鳴コイル１３ｂに電磁誘導で結合され、高周波電源１１から１次コイル１３ａに供給された交流電力が電磁誘導で１次側共鳴コイル１３ｂに供給される。

１次側整合器１２は、可変リアクタンスとしての２つの可変コンデンサ１５，１６とインダクタ１７とから構成されている。一方の可変コンデンサ１５は高周波電源１１に並列に接続され、他方の可変コンデンサ１６は１次コイル１３ａに並列に接続されている。インダクタ１７は両可変コンデンサ１５，１６間に接続されている。１次側整合器１２は、可変コンデンサ１５，１６の容量が変更されることでそのインピーダンスが変更される。可変コンデンサ１５，１６は、例えば、図示しない回転軸がモータにより駆動される公知の構成で、モータが電源側コントローラ１４からの駆動信号により駆動されるようになっている。

移動体側設備２０は、２次側コイル２１、２次側整合器２２、整流器２３、充電器２４、充電器２４に接続された蓄電装置としての２次電池（バッテリ）２５、及び給電判断手段、受電判断手段、制御手段としての車両側コントローラ２６を備えている。また、移動体側設備２０は、２次電池２５の電圧を検出する電圧センサ２７と、整流器２３から充電器２４に流れる電流を検出する電流センサ２８とを備えている。充電器２４は、整流器２３で整流された直流を２次電池２５に充電するのに適した電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ（図示せず）を備えている。

２次側コイル２１は、２次コイル２１ａと２次側共鳴コイル２１ｂで構成されている。２次コイル２１ａと２次側共鳴コイル２１ｂとは同軸上に位置するように配設され、２次側共鳴コイル２１ｂにはコンデンサＣが接続されている。２次コイル２１ａは、２次側共鳴コイル２１ｂに電磁誘導で結合され、共鳴により１次側共鳴コイル１３ｂから２次側共鳴コイル２１ｂに供給された交流電力が電磁誘導で２次コイル２１ａに供給される。２次コイル２１ａは、２次側整合器２２に接続されている。

なお、１次コイル１３ａ、１次側共鳴コイル１３ｂ、２次側共鳴コイル２１ｂ及び２次コイル２１ａの巻数、巻径は給電側設備１０から移動体側設備２０へ給電（伝送）しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。

この実施形態では、１次側整合器１２、１次コイル１３ａ、１次側共鳴コイル１３ｂ、２次側共鳴コイル２１ｂ、２次コイル２１ａ、２次側整合器２２、整流器２３、充電器２４及び２次電池２５が共鳴系を構成する。

２次側整合器２２は、可変リアクタンスとしての２つの可変コンデンサ２９，３０とインダクタ３１とから構成されている。インダクタ３１は両可変コンデンサ２９，３０間に接続されている。一方の可変コンデンサ２９は２次コイル２１ａに並列に接続され、他方の可変コンデンサ３０は整流器２３に接続されている。２次側整合器２２は、可変コンデンサ２９，３０の容量が変更されることでそのインピーダンスが変更される。可変コンデンサ２９，３０は、例えば、図示しない回転軸がモータにより駆動される公知の構成で、モータが車両側コントローラ２６からの駆動信号により駆動されるようになっている。

車両側コントローラ２６は、ＣＰＵ３２及び記憶装置（メモリ）３３を備えている。記憶装置３３には、車両側コントローラ２６が給電側設備１０から給電中か否かを判断する給電判断手段として機能するためのプログラム、受電するか否かを判断する受電判断手段として機能するためのプログラムが記憶されている。また、記憶装置３３には車両側コントローラ２６が給電判断手段及び受電判断手段の判断情報に基づいて、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には２次側整合器２２を不整合状態にするためのプログラムが記憶されている。

車両側コントローラ２６は、充電時に充電器２４のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子を制御する。車両側コントローラ２６は、電圧センサ２７及び電流センサ２８の検出信号に基づいて、２次電池２５の充電時の充電電圧及び電流と、２次電池２５の放電時の放電電圧及び電流量を検出・積算して、充電状態を検出（確認）する。車両側コントローラ２６は、充電開始後、給電側設備１０から給電中か否かを判断するとともに、受電するか否かを判断する。そして、車両側コントローラ２６は、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には、２次側整合器２２を不整合状態にするように制御する。

電源側コントローラ１４と、車両側コントローラ２６とは無線通信にて通信できるように、通信装置１８及び通信装置３４をそれぞれ備えている。
次に前記のように構成された共鳴型非接触給電システムの作用を説明する。

車両に搭載された２次電池２５を充電する場合、車両は給電側設備１０の所定の充電位置に停止する。車両が給電側設備１０の所定の充電位置に停止した後、車両側コントローラ２６は、電源側コントローラ１４に給電要求信号を送信する。電源側コントローラ１４は、給電要求信号を受信すると、給電を開始する。そして、給電側設備１０の高周波電源１１から１次コイル１３ａに共鳴周波数の交流電圧が印加され、１次側共鳴コイル１３ｂから電力が非接触共鳴で２次側共鳴コイル２１ｂへ供給される。２次側共鳴コイル２１ｂが受電した電力は、２次側整合器２２及び整流器２３を介して充電器２４に供給され、充電器２４に接続された２次電池２５が充電される。

なお、車両に搭載された２次電池２５を充電する場合、車両は給電側設備１０と移動体側設備２０との間で効率良く非接触給電が行われる充電位置に正確に停止するとは限らない。そのため、充電に先立って、１次側整合器１２及び２次側整合器２２の調整が行われる場合もある。

２次電池２５への充電時には、２次電池２５の充電状態（ＳＯＣ）が変化することにより共鳴系の共鳴周波数における共鳴系の入力インピーダンスが変化する。そのため、高周波電源１１と共鳴系の入力インピーダンスとの整合が最適状態からずれて、給電側設備１０から移動体側設備２０へ電力を効率良く供給（給電）することができなくなる。充電時に２次電池２５の充電状態が変化しても給電側設備１０から移動体側設備２０へ電力が効率良く供給され、充電が効率良く行われるように、車両側コントローラ２６は、充電中、２次電池２５の充電状態に対応して２次側整合器２２のインピーダンスを適切な値に調整する。

車両側コントローラ２６は、例えば、２次電池２５の電圧が所定電圧になった時点からの経過時間により満充電を判断し、充電器２４による充電を停止するとともに、電源側コントローラ１４に充電終了信号を送信する。また、満充電に達する前であっても、例えば、運転者により充電停止指令が入力されると、充電器２４による充電を停止するとともに、電源側コントローラ１４に充電終了信号を送信する。電源側コントローラ１４は、充電終了信号を受信すると電力伝送（給電）を終了する。

充電開始後、車両側コントローラ２６は、所定の周期で電圧センサ２７及び電流センサ２８の検出信号により給電側設備１０から給電中か否かを判断する。また、車両側コントローラ２６は、受電するか否か、即ち受電（充電）を継続するか否かを判断する。例えば、満充電になっている場合や充電停止指令が入力されている場合は受電しないと判断し、充電停止指令を充電器２４に出力する。車両側コントローラ２６は、充電器２４に充電停止指令が出力されている状態、即ち受電を拒否すべき状態であるのにも拘らず給電中の場合には、充電器２４が故障していると判断して可変コンデンサ２９，３０を駆動して２次側整合器２２を不整合状態にする。即ち、充電を中止したいのに中止ができない場合、例えば、満充電になって充電終了信号が出力されたり、運転者の都合で満充電前に充電停止指令が入力されたりしたのに充電が中止されない場合には、２次側整合器２２が不整合状態にされる。

２次側整合器２２が不整合状態になると、共鳴系の共鳴状態が崩れて給電側設備１０から移動体側設備２０への非接触給電が実質的にできなくなる。その結果、２次電池２５が満充電になった後に充電が継続されて過充電になったり、充電器２４に充電停止指令が出力されているのに充電が継続される事態になったりすることが回避される。

反射を発生させない状態で給電及び充電を終了するのが基本的な終了手順であるが、充電器２４が基本的な終了手順で充電を終了することはできないが、スイッチを切ることが可能な場合、充電中に充電器２４のスイッチを切ることで充電を停止することも可能であるが、充電器２４に加わる負荷が大きくなる。特に、電動車両の２次電池２５への充電の場合のように、給電電力が大きな場合には、負荷が大きくなる。しかし、２次側整合器２２を不整合状態にすることで充電器２４への電力供給を停止する場合は、充電器２４に加わる負荷が小さくなる。

電源側コントローラ１４は、反射電力検出手段１１ａで検出される反射電力の大きさが設定された値より大きな状態が所定時間以上継続すると、車両側コントローラ２６からの充電終了信号を受信しなくても、移動体側設備２０側で受電できない状態あるいは受電を望んでいない状態と判断して電力伝送（給電）を終了する。

この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）共鳴型非接触給電システムは、交流電源（高周波電源１１）、交流電源から電力の供給を受ける１次側共鳴コイル１３ｂを備えた給電側設備１０と、１次側共鳴コイル１３ｂからの電力を受電する２次側共鳴コイル２１ｂを備えた移動体側設備２０とを備えている。移動体側設備２０は、２次側共鳴コイル２１ｂが受電した電力を整流する整流器２３、整流器２３により整流された電力が供給される充電器２４及び充電器２４に接続された２次電池２５を備えている。また、移動体側設備２０は、給電側設備１０から給電中か否かを判断する給電判断手段と、受電するか否かを判断する受電判断手段と、給電判断手段及び受電判断手段の判断情報に基づいて、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には２次側整合器２２を不整合状態にする制御手段としての車両側コントローラ２６を備えている。したがって、受電側（移動体側設備２０）の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側（給電側設備１０）に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することができる。

（２）制御手段（車両側コントローラ２６）は、２次電池２５の充電を中止したいのに中止ができない場合に、２次側整合器２２を不整合状態にする。したがって、例えば、充電時に満充電信号により充電器が充電を終了しようとしても終了できない場合や、満充電になる前に充電中止指令を行ったにも拘らず充電中止ができない場合に、２次側整合器２２が不整合状態になることで充電が中止される。

（３）給電側設備１０は、反射電力検出手段１１ａを備え、反射電力が予め設定された値以上の状態が設定時間以上継続すると給電を停止する。したがって、車両側コントローラ２６が充電終了信号を送信せずに、充電を終了しても、反射電力が大きな状態で、給電側設備１０が給電を継続することを防止することができる。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 移動体側設備２０が受電を拒否すべき状態としては、充電開始後に充電停止ができない場合に限らない。例えば、移動体側設備２０において充電準備ができていない状態であるにも拘わらず、給電側設備１０から電力伝送（給電）がなされた場合も受電を拒否すべき状態となる。この場合、車両側コントローラ２６は、充電開始前から、例えば、給電側設備１０の充電位置に向かって車両が移動を開始した時点から、給電判断手段、受電判断手段、制御手段としての機能を発揮する状態になる。そして、充電のための準備が完了して、車両側コントローラ２６が電源側コントローラ１４に給電要求信号を送信する前に給電側設備１０から電力伝送（給電）が開始された場合は、車両側コントローラ２６は２次側整合器２２を不整合状態にする。

○ 共鳴型非接触給電システムが、給電側設備１０と移動体側設備２０との間で非接触給電を行うためには、１次コイル１３ａ、１次側共鳴コイル１３ｂ、２次コイル２１ａ及び２次側共鳴コイル２１ｂの全てが必須ではなく、少なくとも１次側共鳴コイル１３ｂ及び２次側共鳴コイル２１ｂを備えていればよい。即ち、１次側コイル１３を１次コイル１３ａ及び１次側共鳴コイル１３ｂで構成する代わりに、１次側共鳴コイル１３ｂを１次側整合器１２を介して高周波電源１１に接続し、２次側コイル２１を２次コイル２１ａ及び２次側共鳴コイル２１ｂで構成する代わりに、２次側共鳴コイル２１ｂを２次側整合器２２を介して整流器２３に接続してもよい。しかし、１次コイル１３ａ、１次側共鳴コイル１３ｂ、２次コイル２１ａ及び２次側共鳴コイル２１ｂの全てを備えた構成の方が、共鳴状態に調整するのが容易で、１次側共鳴コイル１３ｂと２次側共鳴コイル２１ｂとの距離が大きくなった場合でも共鳴状態を維持し易い。

○ 移動体としての車両は、走行駆動力を発生する電動機を備えた車両を意味し、電気自動車や、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載したハイブリッド車あるいは車両駆動用の直流電源として２次電池２５とともに燃料電池をさらに搭載した車両等が挙げられる。また、運転者を必要とする車両に限らず無人搬送車でもよい。

○ 移動体は、車両に限らず、充電時以外は給電側設備から離れて移動するもの、例えば、ロボットであってもよい。
○ 電圧センサ２７及び電流センサ２８の検出信号に基づいて、２次電池２５の充電時の充電電圧及び電流と、２次電池２５の放電時の放電電圧及び電流量を検出・積算して、２次電池２５の充電状態を検出（確認）する代わりに、２次電池２５の電圧を検出して２次電池２５の電圧から充電状態を確認するようにしてもよい。しかし、充電、放電の経過を考慮した前者の方が、充電状態を正確に検出（確認）することができる。

○ 整流器２３と充電器２４とを独立して設ける構成に代えて、充電器２４として整流器２３を内蔵した構成のものを使用してもよい。
○ 充電器２４に昇圧回路を設けずに、２次側コイル２１から出力される交流電流を整流器２３で整流しただけで２次電池２５に充電するようにしてもよい。

○ 蓄電装置は充放電可能な直流電源であればよく、２次電池２５に限らず、例えば、大容量のキャパシタであってもよい。
○ １次側整合器１２及び２次側整合器２２は、二つの可変コンデンサとインダクタを備えた構成に限らず、インダクタとして可変インダクタを備えた構成や、可変インダクタと二つの非可変コンデンサとからなる構成としてもよい。

○ 高周波電源１１は、出力交流電圧の周波数が変更可能でも変更不能でもよい。
○ １次側整合器１２を省略してもよい。しかし、１次側整合器１２が存在する方が、給電側から電力をより効率良く受電側に供給するために共鳴系のインピーダンスを微調整することができる。

○ １次側共鳴コイル１３ｂ及び２次側共鳴コイル２１ｂに接続されたコンデンサＣを省略してもよい。しかし、コンデンサＣを接続した構成の方が、コンデンサＣを省略した場合に比べて、共鳴周波数を下げることができる。また、共鳴周波数が同じであれば、コンデンサＣを省略した場合に比べて、１次側共鳴コイル１３ｂ及び２次側共鳴コイル２１ｂの小型化が可能になる。

以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合とは、満充電に伴う充電終了信号が出力されたのにも拘わらず、充電が終了されない場合である。

（２）請求項１、請求項２及び前記技術的思想（１）のいずれか一項に記載の発明において、前記移動体側設備は、電動車両に搭載されて使用される。
（３）請求項１、請求項２及び前記技術的思想（１），（２）のいずれか一項に記載の発明において、前記給電側設備は、反射電力検出手段を備え、反射電力が予め設定された値以上の状態が設定時間以上継続すると給電を停止する。

（４）請求項１、請求項２及び前記技術的思想（１）〜（３）のいずれか一項に記載の発明において、前記制御手段は、正常な状態での充電時に前記２次電池の充電状態とその状態に対応する前記整合器の適切なインピーダンスとの関係を示すデータに基づいて前記整合器の調整を行う。

１０…給電側設備、１１…交流電源としての高周波電源、１３ｂ…１次側共鳴コイル、２０…移動体側設備、２１ｂ…２次側共鳴コイル、２２…整合器としての２次側整合器、２３…整流器、２４…充電器、２５…蓄電装置としての２次電池、２６…給電判断手段、受電判断手段及び制御手段としての車両側コントローラ。

Claims (2)

1. 交流電源、前記交流電源から電力の供給を受ける１次側共鳴コイルを備えた給電側設備と、
   前記１次側共鳴コイルからの電力を受電する２次側共鳴コイル、前記２次側共鳴コイルが受電した電力を整流する整流器、前記整流器により整流された電力が供給される充電器及び前記充電器に接続された蓄電装置を備えた移動体側設備と
   を備えた共鳴型非接触給電システムであって、
   前記移動体側設備は、前記２次側共鳴コイルと前記整流器との間に設けられた整合器と、前記給電側設備から給電中か否かを判断する給電判断手段と、受電するか否かを判断する受電判断手段と、前記給電判断手段及び前記受電判断手段の判断情報に基づいて、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には前記整合器を不整合状態にする制御手段を備えていることを特徴とする共鳴型非接触給電システム。
2. 前記制御手段は、前記蓄電装置の充電を中止したいのに中止ができない場合に、前記整合器を不整合状態にする請求項１に記載の共鳴型非接触給電システム。

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