JP2014017934A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成にて電力伝送および通信を行うことができる非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】送電側コイル１１の第１の巻線１３での電力に充電開始のためのデータ信号が重畳されるとともに受電側コイル２１の第３の巻線２３での電力から充電開始のためのデータ信号が取り出される。送電側コイル１１の第２の巻線１４での電力にクロック信号が重畳されるとともに受電側コイル２１の第４の巻線２４での電力からクロック信号が取り出される。受電側コイル２１の第３の巻線２３での電力に充電完了のためのデータ信号が重畳されるとともに送電側コイル１１の第１の巻線１３での電力から充電完了のためのデータ信号が取り出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に関するものである。

非接触状態で給電を行う非接触充電装置が知られており、この給電は１次側コイルと２次側コイルを用いて通信する方式が採用されている（例えば、特許文献１等）。つまり、電力伝送を行う一対のコイルとは別に通信用の一対のコイルを用いて通信を行っている。

特開２０１１−３９４７号公報

ところが、通信用コイルと電力伝送用コイルをそれぞれ設ける必要があり、装置の大型化等を招いている。
本発明の目的は、簡素な構成にて電力伝送および通信を行うことができる非接触電力伝送装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、１次側コイルに供給された高周波電力を、前記１次側コイルと離間して非接触で配置された２次側コイルにおいて受電する非接触電力伝送装置であって、前記１次側コイルは、コアに巻回された第１の巻線および第２の巻線を有し、前記第１の巻線の軸および第２の巻線の軸は互いに直交しており、前記第１の巻線および第２の巻線において前記高周波電力の供給を受け、前記２次側コイルは、コアに巻回された第３の巻線および第４の巻線を有し、前記第３の巻線の軸および第４の巻線の軸は互いに直交しており、前記第３の巻線において前記１次側コイルの前記第１の巻線からの電力を受電するとともに前記第４の巻線において前記１次側コイルの前記第２の巻線からの電力を受電し、前記１次側コイルの前記第１の巻線での電力および前記２次側コイルの前記第３の巻線での電力のうちの一方に第１の通信用信号を重畳させるとともに他方から前記第１の通信用信号を取り出し、前記１次側コイルの前記第２の巻線での電力および前記２次側コイルの前記第４の巻線での電力のうちの一方に第２の通信用信号を重畳させるとともに他方から前記第２の通信用信号を取り出すようにしたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、１次側コイルにおいて、コアに巻回された第１の巻線および第２の巻線を有し、第１の巻線の軸および第２の巻線の軸は互いに直交しており、第１の巻線および第２の巻線は高周波電力の供給を受ける。２次側コイルにおいて、コアに巻回された第３の巻線および第４の巻線を有し、第３の巻線の軸および第４の巻線の軸は互いに直交しており、第３の巻線は１次側コイルの第１の巻線からの電力を受電し、第４の巻線は１次側コイルの第２の巻線からの電力を受電する。

また、１次側コイルの第１の巻線での電力および２次側コイルの第３の巻線での電力のうちの一方に第１の通信用信号が重畳されるとともに他方から第１の通信用信号が取り出される。１次側コイルの第２の巻線での電力および２次側コイルの第４の巻線での電力のうちの一方に第２の通信用信号が重畳されるとともに他方から第２の通信用信号が取り出される。よって、簡素な構成にて電力伝送および通信を行うことができる。

請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の非接触電力伝送装において、前記１次側コイルは、前記コアに巻回された第５の巻線を有し、前記第５の巻線の軸は前記第１の巻線の軸および前記第２の巻線の軸に対し直交しており、前記第５の巻線において前記高周波電力の供給を受け、前記２次側コイルは、前記コアに巻回された第６の巻線を有し、前記第６の巻線の軸は前記第３の巻線の軸および前記第４の巻線の軸に対し直交しており、前記第６の巻線において前記１次側コイルの前記第５の巻線からの電力を受電し、前記１次側コイルの前記第５の巻線での電力および前記２次側コイルの前記第６の巻線での電力のうちの一方に第３の通信用信号を重畳させるとともに他方から前記第３の通信用信号を取り出すようにしたことを要旨とする。

請求項２に記載の発明によれば、１次側コイルにおいて、コアに巻回された第５の巻線を有し、第５の巻線の軸は第１の巻線の軸および第２の巻線の軸に対し直交しており、第５の巻線は高周波電力の供給を受ける。２次側コイルにおいて、コアに巻回された第６の巻線を有し、第６の巻線の軸は第３の巻線の軸および第４の巻線の軸に対し直交しており、第６の巻線は１次側コイルの第５の巻線からの電力を受電する。１次側コイルの第５の巻線での電力および２次側コイルの第６の巻線での電力のうちの一方に第３の通信用信号が重畳されるとともに他方から第３の通信用信号が取り出される。よって、コアに巻回する巻線について、直交の多様化（巻線の数の増加）を実現することができる。

請求項３に記載のように、請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置において、前記２次側コイルで受電した電力は蓄電デバイスの充電に供されると、充電および通信を行うことができる。

請求項４に記載のように、請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置において、前記１次側コイルは地上側に配置されるとともに前記２次側コイルは車両に搭載されると、地上側と車両との間で電力伝送および通信を行うことができる。

本発明によれば、簡素な構成にて電力伝送および通信を行うことができる。

実施形態における非接触充電装置の概略構成図。 非接触充電装置の電気的構成を示す回路構成図。 送電側コイルおよび受電側コイルの斜視図。 （ａ）はコイルの平面図、（ｂ）はコイルの正面図、（ｃ）はコイルの右側面図。 （ａ）は別例のコイルの平面図、（ｂ）はコイルの正面図、（ｃ）はコイルの右側面図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
なお、図面において、水平面を、直交するＸ，Ｙ方向で規定するとともに、上下方向をＺ方向で規定している。

本実施形態では、ハイブリッド車における車載バッテリの充電システム、即ち、車載バッテリを充電するための非接触充電装置に適用している。
図１に示すように、車両としての自動車１において、車体の例えば前部２の内部には２次側コイルとしての受電側コイル２１が取付けられている。また、充電スタンドにおける床には地上側設備１０が埋設されている。地上側設備１０は１次側コイルとしての送電側コイル１１を有している。そして、自動車１が充電スタンドにおいて充電する際には、送電側コイル１１と受電側コイル２１とが上下方向（Ｚ方向）において一致または接近するように配置される。そして、送電側コイル１１に供給された高周波電力を、送電側コイル１１と離間して非接触で配置された受電側コイル２１において受電する。受電側コイル２１で受電した電力は蓄電デバイスとしてのバッテリ２７（図２参照）の充電に供される。このように送電側コイル１１は地上側に配置されるとともに受電側コイル２１は車両に搭載される。

図２に示す非接触充電装置の全体構成において、地上側に配置される地上側設備１０として、送電側コイル１１と高周波電源（交流電源）１６とスタンド側コントローラ１５と通信用デバイス１７と充電開始スイッチ１８を備えている。車両に搭載される車載側機器２０として、受電側コイル２１と整流器２５と充電器２６と二次電池であるバッテリ２７と充電ＥＣＵ２８と車両側コントローラ３０と通信用デバイス２９を備えている。

高周波電源１６は高周波電力を出力する。高周波電源１６には送電側コイル１１が接続されている。一次側コイルとしての送電側コイル１１は高周波電源１６から高周波電力の供給を受ける。

高周波電源１６にはスタンド側コントローラ１５が接続されている。スタンド側コントローラ１５により高周波電源１６がオン／オフされる。また、充電開始スイッチ１８は充電開始の際に人により操作される。充電開始スイッチ１８はスタンド側コントローラ１５に接続され、スタンド側コントローラ１５は充電開始操作を検知する。

受電側コイル２１は送電側コイル１１と離間して非接触で配置され、送電側コイル１１からの電力を電磁誘導により受電する。受電側コイル２１には整流器２５が接続されており、受電側コイル２１において給電した電力が整流器２５により整流される。

整流器２５には充電器２６が接続されている。充電器２６は受電側コイル２１から高周波電力の供給を受けて整流後の電力が充電器２６において昇圧等される。充電器２６はスイッチング素子を備えており、スイッチング素子をオン／オフ制御することにより出力電圧、出力電流が調整される。充電器２６にはバッテリ２７が接続され、バッテリ２７が充電器２６により充電される。

充電器２６には充電ＥＣＵ２８が接続されている。バッテリ２７の充電時には充電ＥＣＵ２８により充電器２６での出力電流・出力電圧をモニタしつつ充電器２６のスイッチング素子が制御される。また、充電ＥＣＵ２８により充電器２６がオン／オフされる。また、充電ＥＣＵ２８はバッテリ電圧Ｖｂを検知している。充電ＥＣＵ２８には車両側コントローラ３０が接続されている。充電ＥＣＵ２８から車両側コントローラ３０に充電完了信号が送られる。

地上側設備１０のスタンド側コントローラ１５と、車載側機器２０の車両側コントローラ３０とは通信用デバイス１７，２９、送電側コイル１１および受電側コイル２１を介して通信できるようになっている。

送電側コイル１１および受電側コイル２１について、図３，４を用いて詳しく説明する。
送電側コイル１１は、コア１２と巻線１３と巻線１４を備えている。同様に、受電側コイル２１は、コア２２と巻線２３と巻線２４を備えている。

送電側コイル１１のコア１２は、平面視が長方形状をなし、上下方向（Ｚ方向）が薄い直方体となっている。つまり、平面視においてコア１２の一辺がＸ方向に延びるとともに他の辺がＹ方向に延びる長方形をなし、上下の厚みが薄い四角板状をなしている。同様に、受電側コイル２１のコア２２は、平面視が長方形状をなし、上下方向（Ｚ方向）が薄い直方体となっている。つまり、平面視においてコア２２の一辺がＸ方向に延びるとともに他の辺がＹ方向に延びる長方形をなし、上下の厚みが薄い四角板状をなしている。送電側コイル１１のコア１２と受電側コイル２１のコア２２とは同一形状、同一寸法である。

送電側コイル１１のコア１２には巻線１３および巻線１４が巻回されている。巻線１３の軸はＸ方向に延びている。つまり、巻線１３は、銅等の線材がＹ，Ｚ方向に延び、かつ、Ｘ方向において一定の間隔をおいて多数回巻回されている。また、巻線１４の軸はＹ方向に延びている。つまり、巻線１４は、銅等の線材がＸ，Ｚ方向に延び、かつ、Ｙ方向において一定の間隔をおいて多数回巻回されている。

このように、送電側コイル１１は、コア１２に巻回された第１の巻線１３および第２の巻線１４を有し、第１の巻線１３の軸および第２の巻線１４の軸は互いに直交している。そして、第１の巻線１３および第２の巻線１４において高周波電力の供給を受ける。

同様に、受電側コイル２１のコア２２には巻線２３および巻線２４が巻回されている。巻線２３の軸はＸ方向に延びている。つまり、巻線２３は、銅等の線材がＹ，Ｚ方向に延び、かつ、Ｘ方向において一定の間隔をおいて多数回巻回されている。また、巻線２４の軸はＹ方向に延びている。つまり、巻線２４は、銅等の線材がＸ，Ｚ方向に延び、かつ、Ｙ方向において一定の間隔をおいて多数回巻回されている。

このように、受電側コイル２１は、コア２２に巻回された第３の巻線２３および第４の巻線２４を有し、第３の巻線２３の軸および第４の巻線２４の軸は互いに直交している。そして、第３の巻線２３において送電側コイル１１の第１の巻線１３からの電力を受電するとともに第４の巻線２４において送電側コイル１１の第２の巻線１４からの電力を受電する。

図２に示すように、送電側コイル１１の巻線１３には高周波電源１６が接続されている。また、送電側コイル１１の巻線１４には高周波電源１６が接続されている。さらに、受電側コイル２１の巻線２３には整流器２５が接続されている。また、受電側コイル２１の巻線２４には整流器２５が接続されている。

図２において、通信用デバイス１７および通信用デバイス２９は、２線式の同期式シリアル通信を行うインターフェイスである。通信用デバイス１７および通信用デバイス２９は、双方向のシリアルデータ信号端子とシリアルクロック信号端子を備えている。当該通信方式は、通信用デバイス１７がマスタデバイスであり、通信用デバイス２９がスレーブデバイスであり、マスタ・スレーブ間においてシリアルデータが双方向に送られるとともに、マスタ側がシリアルクロック信号をスレーブ側に供給する。

高周波電源１６から送電側コイル１１の巻線１３への電力伝送線にはカプラＣ１が挿入されている。カプラＣ１には通信用デバイス１７のシリアルデータ信号端子が接続されている。カプラＣ１において高周波電源１６から送電側コイル１１の巻線１３への電力に対し通信用デバイス１７のシリアルデータ信号が重畳される。また、高周波電源１６から送電側コイル１１の巻線１４への電力伝送線にはカプラＣ２が挿入されている。カプラＣ２には通信用デバイス１７のシリアルクロック信号端子が接続されている。カプラＣ２において高周波電源１６から送電側コイル１１の巻線１４への電力に対し通信用デバイス１７のシリアルクロック信号が重畳される。

受電側コイル２１の巻線２３から整流器２５への電力伝送線にはカプラＣ３が挿入されている。カプラＣ３には通信用デバイス２９のシリアルデータ信号端子が接続されている。カプラＣ３において受電側コイル２１の巻線２３から整流器２５への電力から通信用デバイス１７のシリアルデータ信号が取り出される。また、受電側コイル２１の巻線２４から整流器２５への電力伝送線にはカプラＣ４が挿入されている。カプラＣ４には通信用デバイス２９のシリアルクロック信号端子が接続されている。カプラＣ４において受電側コイル２１の巻線２４から整流器２５への電力から通信用デバイス１７のシリアルクロック信号が取り出される。逆に、カプラＣ３において通信用デバイス２９のシリアルデータ信号を巻線２３から整流器２５への電力に重畳させ、カプラＣ１において取り出し、通信用デバイス１７に送ることができるようになっている。

次に、このように構成した非接触充電装置の作用を説明する。
地上側の人または乗員が充電開始スイッチ１８をオン操作すると、充電開始信号がスタンド側コントローラ１５に送られる。スタンド側コントローラ１５は高周波電源１６に電力出力開始のための指令信号を送るとともに通信用デバイス１７に充電開始のための指令信号を送る。これにより、高周波電源１６は高周波電力を出力するとともに、通信用デバイス１７は、第１の通信用信号としてのデータ信号、および、第２の通信用信号としてのクロック信号を送出する。カプラＣ１において高周波電源１６から送電側コイル１１の巻線１３への電力に対し通信用デバイス１７のデータ信号が重畳される。また、カプラＣ２において高周波電源１６から送電側コイル１１の巻線１４への電力に対し通信用デバイス１７のクロック信号が重畳される。

一方、カプラＣ３において受電側コイル２１の巻線２３から整流器２５への電力から通信用デバイス１７のデータ信号が取り出され、通信用デバイス２９に送られる。取り出されたデータ信号が通信用デバイス２９において閾値と比較されて２値化される。また、カプラＣ４において受電側コイル２１の巻線２４から整流器２５への電力から通信用デバイス１７のクロック信号が取り出され、通信用デバイス２９に送られる。取り出されたクロック信号が通信用デバイス２９において閾値と比較されて２値化される。通信用デバイス２９においてデータ（充電開始）が検知され、車両側コントローラ３０に送られる。車両側コントローラ３０は充電ＥＣＵ２８に充電開始指令を出し、これにより、充電ＥＣＵ２８から充電器２６に駆動指令が出力される。これにより、充電制御（動作）が開始される。

充電の開始によりバッテリ電圧Ｖｂが上昇していき、予め設定した閾値に達すると、充電ＥＣＵ２８は経時動作を開始する。そして、充電ＥＣＵ２８は閾値を超えてから所定の充電時間が経過すると、充電が完了したとして充電器２６の駆動を停止するとともに車両側コントローラ３０に充電完了信号を出力する。

車両側コントローラ３０は充電完了信号を入力すると、通信用デバイス２９に充電完了信号を送る。通信用デバイス２９は充電完了を表すデータ信号を送出する。
そして、カプラＣ３において電力に対し通信用デバイス２９の充電完了を表すデータ信号が重畳される。一方、カプラＣ１において電力から通信用デバイス２９のデータ信号が取り出され、通信用デバイス１７に送られる。取り出されたデータ信号が通信用デバイス１７において閾値と比較されて２値化される。通信用デバイス１７においてデータ（充電完了）が検知され、スタンド側コントローラ１５に送られる。スタンド側コントローラ１５は高周波電源１６に電力出力停止指令を出し、これにより、高周波電源１６の駆動が停止される。

なお、充電停止スイッチをスタンド側に設け、充電器２６によるバッテリ２７の充電中において充電停止スイッチが操作（押下）されると充電を停止する旨の信号をコイル１１，２１を介して車両側に送り、充電動作を停止させるようにしてもよい。

上記実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）非接触電力伝送装置の構成として、送電側コイル１１の第１の巻線１３での電力に充電開始のためのデータ信号を重畳させるとともに受電側コイル２１の第３の巻線２３での電力から充電開始のためのデータ信号を取り出す。また、送電側コイル１１の第２の巻線１４での電力にクロック信号を重畳させるとともに受電側コイル２１の第４の巻線２４での電力からクロック信号を取り出す。さらに、受電側コイル２１の第３の巻線２３での電力に充電完了のためのデータ信号を重畳させるとともに送電側コイル１１の第１の巻線１３での電力から充電完了のためのデータ信号を取り出すようにした。

広義には、送電側コイル１１の第１の巻線１３での電力および受電側コイル２１の第３の巻線２３での電力のうちの一方に第１の通信用信号を重畳させるとともに他方から第１の通信用信号を取り出す。また、送電側コイル１１の第２の巻線１４での電力および受電側コイル２１の第４の巻線２４での電力のうちの一方に第２の通信用信号を重畳させるとともに他方から第２の通信用信号を取り出す。

よって、コアに対し互いに直交する２つの巻線を用いた非接触電力伝送システムを構築して一方の巻線にクロックを、他方の巻線にデータを重畳させてスタンド側コントローラ１５と車両側コントローラ３０との間の通信を行うことができる。通信は、非接触充電中に行うことができる。その結果、簡素な構成にて電力伝送および通信を行うことができる。

つまり、従来、電力伝送を行う一対のコイルとは別に通信用の一対のコイルを用いて通信を行っており、通信用コイルと電力伝送用コイルをそれぞれ設ける必要があり、装置の大型化等を招いている。これに対し本実施形態においては、コア１２、２２に対し直交して巻線１３，１４、２３，２４を巻回してカプラＣ１，Ｃ２、Ｃ３，Ｃ４で電力に信号を重畳させる方式を採用した。よって、電力伝送用コイルによる伝送路に通信用信号を重畳させることにより簡素な構成にて電力伝送および通信を行うことができる。

（２）受電側コイル２１で受電した電力は蓄電デバイスとしてのバッテリ２７の充電に供されるので、充電および通信を行うことができる。
（３）送電側コイル１１は地上側に配置されるとともに受電側コイル２１は車両に搭載されるので、地上側と車両との間で電力伝送および通信を行うことができる。

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。
・図４に代わり図５に示すように、送電側コイル１１のコア１２に巻線１３、巻線１４に加えて巻線４０を巻回してもよい。詳しくは、送電側コイル１１は、コア１２に巻回された第５の巻線４０を有し、第５の巻線４０の軸はＺ方向に延びている。よって、第５の巻線４０の軸は第１の巻線１３の軸および第２の巻線１４の軸に対し直交している。つまり、巻線４０は、銅等の線材がＸ，Ｙ方向に延び、かつ、Ｚ方向において一定の間隔をおいて多数回巻回されている。第５の巻線４０において高周波電力の供給を受ける。

同様に、受電側コイル２１のコア２２に巻線２３、巻線２４に加えて巻線４１を巻回する。詳しくは、受電側コイル２１は、コア２２に巻回された第６の巻線４１を有し、第６の巻線４１の軸はＺ方向に延びている。よって、第６の巻線４１の軸は第３の巻線２３の軸および第４の巻線２４の軸に対し直交している。つまり、巻線４１は、銅等の線材がＸ，Ｙ方向に延び、かつ、Ｚ方向において一定の間隔をおいて多数回巻回されている。第６の巻線４１において送電側コイルの第５の巻線４０からの電力を受電する。

そして、送電側コイル１１の第５の巻線４０での電力および受電側コイル２１の第６の巻線４１での電力のうちの一方に第３の通信用信号を重畳させるとともに他方から第３の通信用信号を取り出す。即ち、３線式の同期シリアル通信システムを構築する。

このようにしてコアに巻回する巻線について、直交の多様化（巻線の数の増加）を実現することができる。その結果、スレーブの数を増やすことができる。
・車両の非接触充電装置に適用したが、車両用に限ることはない。

・また、充電システムに限ることはなく、１次側コイルと２次側コイルを介して非接触で電力伝送できればよい。
・電力に重畳される信号はデータ信号とクロック信号に限ることなく、第１の通信用信号としてのデータ信号と、第２の通信用信号としてのデータ信号（第１の通信用信号と異なるデータ信号）でもよい。その結果、多くのデータ信号を送ることができる。

１１…送電側コイル、１２…コア、１３…第１の巻線、１４…第２の巻線、２１…受電側コイル、２２…コア、２３…第３の巻線、２４…第４の巻線、２７…バッテリ、４０…第５の巻線、４１…第６の巻線。

Claims (4)

1. １次側コイルに供給された高周波電力を、前記１次側コイルと離間して非接触で配置された２次側コイルにおいて受電する非接触電力伝送装置であって、
   前記１次側コイルは、コアに巻回された第１の巻線および第２の巻線を有し、前記第１の巻線の軸および第２の巻線の軸は互いに直交しており、前記第１の巻線および第２の巻線において前記高周波電力の供給を受け、
   前記２次側コイルは、コアに巻回された第３の巻線および第４の巻線を有し、前記第３の巻線の軸および第４の巻線の軸は互いに直交しており、前記第３の巻線において前記１次側コイルの前記第１の巻線からの電力を受電するとともに前記第４の巻線において前記１次側コイルの前記第２の巻線からの電力を受電し、
   前記１次側コイルの前記第１の巻線での電力および前記２次側コイルの前記第３の巻線での電力のうちの一方に第１の通信用信号を重畳させるとともに他方から前記第１の通信用信号を取り出し、前記１次側コイルの前記第２の巻線での電力および前記２次側コイルの前記第４の巻線での電力のうちの一方に第２の通信用信号を重畳させるとともに他方から前記第２の通信用信号を取り出すようにしたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記１次側コイルは、前記コアに巻回された第５の巻線を有し、前記第５の巻線の軸は前記第１の巻線の軸および前記第２の巻線の軸に対し直交しており、前記第５の巻線において前記高周波電力の供給を受け、
   前記２次側コイルは、前記コアに巻回された第６の巻線を有し、前記第６の巻線の軸は前記第３の巻線の軸および前記第４の巻線の軸に対し直交しており、前記第６の巻線において前記１次側コイルの前記第５の巻線からの電力を受電し、
   前記１次側コイルの前記第５の巻線での電力および前記２次側コイルの前記第６の巻線での電力のうちの一方に第３の通信用信号を重畳させるとともに他方から前記第３の通信用信号を取り出すようにしたことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記２次側コイルで受電した電力は蓄電デバイスの充電に供されることを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記１次側コイルは地上側に配置されるとともに前記２次側コイルは車両に搭載されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。