JP2014060888A - 電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】車両外部の一次側コイルからワイヤレスで伝送される電力を簡易な構成で高効率に受電して車載の蓄電装置に充電可能な電動車両を提供する。
【解決手段】電動車両１０は、車両外部の一次側コイル２３，２４から磁場共鳴によりワイヤレスで送電される電力を受電可能に構成された二次側コイル１２，１３と、二次側コイル１２，１３で受電した電力を充電する蓄電装置１５と、蓄電装置１５から供給される電力により車両駆動力を出力するモータ１７とを備える。電動車両１０は、一次側コイル２３，２４と二次コイル１２，１３との間に固定的に設けられ、一次側コイル２３，２４から送電される電力を磁場共鳴関係をもって受電して二次側コイル１２，１３へ送電する中継コイル１１をさらに備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、車載された蓄電装置を車両外部の電源からワイヤレスで充電することができる電動車両に関する。

近年、電気自動車やハイブリッド車などの電動車両が普及してきている。これらの車両は、走行駆動力を発生する電動機と、その電動機に供給される電力を蓄える充電可能な蓄電装置とを搭載する。なお、ハイブリッド車は、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車両や、車両駆動用の直流電源として蓄電装置とともに燃料電池をさらに搭載した車両である。そして、動力源として内燃機関および電動機を搭載したハイブリッド車は、既に実用化されている。

このようなハイブリッド車においても、電気自動車と同様に、車両外部の電源から車載の蓄電装置を充電可能な車両が実用化されている。例えば、家屋に設けられた電源コンセントと車両に設けられた充電口とを充電ケーブルで接続することにより、一般家庭の電源から蓄電装置を充電可能ないわゆる「プラグイン・ハイブリッド車」が知られている。

一方、送電方法として、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス送電が近年注目されている。このワイヤレス送電技術としては、有力なものとして、電磁誘導を用いた送電、電波を用いた送電、および共鳴法による送電の３つの技術が知られている。このうち、共鳴法は、電磁場の共鳴を利用して送電する手法であり、数ｋＷの大電力を比較的長距離（例えば数ｍ）送電することも可能である。

例えば、特開２００９−１０６１３６号公報（以下、特許文献１という）には、地面に設置された給電装置の一次側コイルから、車載された二次側コイルに電磁場の共鳴を用いてワイヤレスで送電して、車載された蓄電装置に充電するようにした電動車両が記載されている。

また、特開２０１１−１６０５０５号公報（以下、特許文献２という）には、地面側に設けた一次共振コイルから電磁場の共鳴によって車載の二次共振コイルに送電する際、一次共振コイルと二次共振コイルとの間に距離があるときにこれらのコイル間に中継コイルを移動させて配置し、車載された二次共振コイルと地面との間に距離がある大型車にも高効率で送電できるようにしたワイヤレス充電システムが記載されている。

特開２００９−１０６１３６号公報 特開２０１１−１６０５０５号公報

上記特許文献１に記載されるような電磁場共鳴方式のワイヤレス充電システムは、充電時に重い充電ケーブルを取り扱わなくてもよいためユーザにとって非常に便利であり、また、電磁誘導方式のワイヤレス受電システムに比べて長い距離にわたって大電力を高効率で送電可能であるという利点もある。

しかしながら、電磁場共鳴方式のワイヤレス充電システムにおいても送電効率を高めるうえで一次側コイルと二次側コイルとの間の距離は短いことが好ましい。そのため、電動車両において二次側コイルは地面に近い車両底部、より具体的には車両底部を覆うアンダーカバーに搭載される可能性が高い。そうすると、重量物である二次側コイルを設置可能にするには、アンダーカバーの剛性を高いものにする必要があり、材料コストおよび加工コストが増加するとともに、アンダーカバー自体の重量が増大するという問題がある。

また、上記特許文献２に記載されるように一次側コイルと二次側コイルとの間に中継コイルが出入りするように移動させる移動機構を車両に設けると、構成が複雑になる。

本発明の目的は、車両外部の一次側コイルからワイヤレスで伝送される電力を簡易な構成で高効率に受電して車載の蓄電装置に充電可能な電動車両を提供することである。

本発明に係る電動車両は、車両外部の一次側コイルから磁場共鳴によりワイヤレスで送電される電力を受電可能に構成された二次側コイルと、前記二次側コイルで受電した電力を充電する蓄電装置と、前記蓄電装置から供給される電力により車両駆動力を出力する回転電機と、を備える電動車両であって、前記一次側コイルと前記二次側コイルとの間に固定的に設けられ、前記一次側コイルから送電される電力を磁場共鳴関係をもって受電して前記二次側コイルへ送電する中継コイルをさらに備える。

本発明に係る電動車両において、好ましくは、前記中継コイルは車両の底部を覆うアンダーカバーに固定的に設けられ、前記二次側コイルは前記中継コイルの上方に対向配置されて車両ボディに支持されている。

本発明に係る電動車両によれば、車両外部の電源からワイヤレスで伝送される電力を簡易な構成で高効率に受電して車載の蓄電装置に充電することができる。

本発明の実施の形態による電動車両が適用される充電システムの全体構成図である。 図１における一次側コイル、中継コイルおよび二次側コイルを拡大して示す図である。 図２におけるアンダーカバーの変形例を示す図である。 共鳴法による送電原理を説明するための図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。また、以下において複数の実施形態や変形例などが含まれる場合、それらの特徴部分を適宜に組み合わせて用いることは当初から想定されている。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、本発明の実施の形態による電動車両が適用される充電システムの全体構成図である。図１を参照して、この充電システムは、電動車両１０と、給電装置２０とを備える。

電動車両１０は、中継コイル１１と、二次自己共振コイル１２と、二次コイル１３と、整流器１４と、蓄電装置１５とを含む。また、電動車両１０は、パワーコントロールユニット（以下「ＰＣＵ（Power Control Unit）」とも称する。）１６と、モータ（回転電機）１７とをさらに含む。ここで、上記の二次自己共振コイル１２および二次コイル１３とが本発明における二次側コイルに相当する。

中継コイル１１は、車両底部に配設される。この中継コイル１１は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、後述する給電装置２０の一次自己共振コイル２４と磁場の共鳴により磁気的に結合され、一次自己共振コイル２４から伝送される電力を受電して二次自己共振コイル１２へ向けて送電するという中継機能を有する。このような中継コイル１１は、リピータコイルまたはリピータデバイスとも称される。

中継コイル１１は、蓄電装置１５の電圧や、一次自己共振コイル２４と中継コイル１１との間の距離、一次自己共振コイル２４と中継コイル１１との共鳴周波数等に基づいて、一次自己共振コイル２４と中継コイル１１との共鳴強度を示すＱ値およびその結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

また、中継コイル１１は、一次自己共振コイル２４と二次自己共振コイル１２との間に固定的に設けられている。この詳細については後述する。

二次自己共振コイル１２は、中継コイル１１の上方に所定距離だけ離れて対向配置され、好ましくは中継コイル１１と同軸上に設けられる。二次自己共振コイル１２は、両端がオープンのＬＣ共振コイルであり、中継コイル１１と磁場の共鳴により磁気的に結合されて、中継コイル１１から伝送される電力を受電する機能を有する。すなわち、二次自己共振コイル１２は、給電装置２０の一次自己共振コイル２４から伝送される電力を磁場共鳴関係をもって中継コイル１１を介して受電する受電コイルである。

具体的には、二次自己共振コイル１２は、蓄電装置１５の電圧や、中継コイル１１と二次自己共振コイル１２との間の距離、中継コイル１１と二次自己共振コイル１２との共鳴周波数等に基づいて、中継コイル１１と二次自己共振コイル１２との共鳴強度を示すＱ値およびその結合度を示すκ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

二次コイル１３は、電磁誘導によって二次自己共振コイル１２から受電可能に構成され、好ましくは二次自己共振コイル１２と同軸上に配設される。そして、二次コイル１３は、二次自己共振コイル１２から受電した電力を整流器１４へ出力する。整流器１４は、二次コイル１３から受ける高周波の交流電力を整流して蓄電装置１５へ出力する。なお、整流器１４に代えて、二次コイル１３から受ける高周波の交流電力を蓄電装置１５の電圧レベルに変換するＡＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。

また、本実施形態では、中継コイル１１と二次側コイルを構成する二次自己共振コイル１２は、磁場共鳴方式で中継コイルを介さずに同じ送電距離で同等の送電効率を実現するために必要な二次自己共振コイルに比べて、小型で軽量なものとされており、これに応じて中継コイル１１もまた小型で軽量なものとされている。

蓄電装置１５は、充放電可能な直流電源であり、例えばリチウムイオンやニッケル水素などの二次電池から成る。蓄電装置１５の電圧は、例えば２００Ｖ程度である。蓄電装置１５は、整流器１４から供給される電力を蓄えるほか、後述のようにモータ１７によって発電された電力も蓄える。そして、蓄電装置１５は、その蓄えた電力をＰＣＵ１６へ供給する。

なお、蓄電装置１５として、大容量のキャパシタも採用可能であり、整流器１４やモータ１７からの電力を一時的に蓄え、その蓄えた電力をＰＣＵ１６へ供給可能な電力バッファであれば如何なるものでもよい。

ＰＣＵ１６は、蓄電装置１５から供給される電力を交流電圧に変換してモータ１７へ出力し、モータ１７を駆動する。また、ＰＣＵ１６は、モータ１７により発電された電力を整流して蓄電装置１５へ出力し、蓄電装置１５を充電する。

モータ１７は、ＰＣＵ１６を介して蓄電装置１５から供給される電力を受けて車両駆動力を発生し、その発生した駆動力を車輪１８へ出力する。また、モータ１７は、車輪１８や図示されないエンジンから受ける運動エネルギーを受けて発電し、その発電した電力をＰＣＵ１６を介して蓄電装置１５に充電することができる。

一方、給電装置２０は、交流電源２１と、高周波電力ドライバ２２と、一次コイル２３と、一次自己共振コイル２４とを含む。ここで、上記の一次コイル２３と一次自己共振コイル２４とが本発明における一次側コイルに相当する。

交流電源２１は、車両外部の電源であり、例えば系統電源である。高周波電力ドライバ２２は、交流電源２１から受ける電力を、磁場を共鳴させて一次自己共振コイル２４から車両側の中継コイル１１を介して二次自己共振コイル１２に送電可能な高周波の電力に変換し、その変換した高周波電力を一次コイル２３へ供給する。

一次コイル２３は、電磁誘導によって一次自己共振コイル２４へ送電可能に構成され、好ましくは一次自己共振コイル２４と同軸上に配設される。そして、一次コイル２３は、高周波電力ドライバ２２から受電した電力を一次自己共振コイル２４へ出力する。

一次自己共振コイル２４は、地面Ｇの表面近傍に配設される。この一次自己共振コイル２４は、両端がオープンのＬＣ共振コイルであり、電動車両１０の中継コイル１１と磁場の共鳴により磁気的に結合され、中継コイル１１を介して二次自己共振コイル１２へ電力を送電可能に構成される。

具体的には、一次自己共振コイル２４は、一次自己共振コイル２４から中継コイル１１で中継されて送電される電力によって充電される蓄電装置１５の電圧や、一次自己共振コイル２４と中継コイル１１との間の距離、一次自己共振コイル２４と中継コイル１１との共鳴周波数等に基づいて、Ｑ値および結合度κ等が大きくなるようにその巻数が適宜設定される。

図２は、図１における中継コイル１１および二次自己共振コイル１２を拡大して示す図である。電動車両１０は、車両ボディ３０を備える。車両ボディ３０は、地面に面した底部３２を含む。また、電動車両１０は、車両ボディ３０の底部３２の下方を覆って設けられるアンダーカバー３４を備える。アンダーカバー３４は、車両ボディ３０にねじ留め等によって取り付けられており、車両底部３２に露出して設けられる車載部品を保護する機能を有する。

電動車両１０に搭載された中継コイル１１は、アンダーカバー３４の上面に固定されている。アンダーカバー３４は、例えば、樹脂、ステンレス、アルミニウム等の非磁性材料からなる板材によって形成されるのが好ましい。そうすれば、一次自己共振コイル２４と中継コイル１１との間の磁場共振に影響を与えないようにすることができる。また、磁場変動による渦電流発生を抑制するために、アンダーカバー３４を構成する材料は電気絶縁性を有することが好ましく、この意味で例えば樹脂が最適である。

中継コイル１１は、アンダーカバー３４に対して、例えば、図示しない取付部材を介してねじ留め等により固定される。あるいは、中継コイル１１は、図３（ａ）に示すように、アンダーカバー３４ａの上面に形成された凹部３５内に収容された状態で押さえ部材３６をねじ留めして押さえることにより、アンダーカバー３４に固定されてもよい。さらに、図３（ｂ）に示すように、アンダーカバー３４ｂが樹脂によって形成される場合、中継コイル１１を覆ってアンダーカバー３４ｂが一体成形されることにより中継コイル１１が固定されてもよい。このようにすれば、アンダーカバー３４に中継コイル１１を安定して固定配置することができる利点がある。

図２を再び参照して、本実施形態では、中継コイル１１と二次自己共振コイル１２との間の距離Ｄ２は、一次自己共振コイル２４と中継コイルと１１との間の距離Ｄ１よりも短く設定されている。これにより、中継コイル１１および二次自己共振コイル１２を小型で軽量なものにしても、十分な送電性能を確保することができる。

二次自己共振コイル１２は、車両ボディ３０の底部３２の下面に固定されている。二次自己共振コイル１２は、例えば、図示しない取付部材を介してねじ留め等によって固定される。車両ボディ３０は例えば鋼板等によって構成されるため、車両ボディ３０の一部をなす底部３２は、中継コイル１１に比べて重量が大きい二次側コイル、すなわち二次自己共振コイル１２および二次コイル１３を支持するのに十分な剛性を有している。

図４は、本実施形態における共鳴法による送電の原理を説明するための図である。図４を参照して、２つごとの音叉が共鳴するのと同様に、同じ固有振動数を有する２つごとのＬＣ共振コイルが磁場を介して共鳴することによって、一方のコイルから中継コイルを介して他方のコイルへワイヤレスで電力が伝送される。

高周波電源４１によって一次コイル４２に高周波電力が流されると、一次コイル４２に磁界が発生し、電磁誘導により一次自己共振コイル４３に高周波電力が発生する。これにより、一次自己共振コイル４３は、高周波で変動する磁界４４を発生させる。このとき、一次自己共振コイル４３は、コイル自身のインダクタンスと導線間の浮遊容量とによるＬＣ共振器として機能し、同様にＬＣ共振器として機能し且つ一次自己共振コイル４３と同じ共振周波数を有する中継コイル４５と磁場共鳴により磁気的に結合することによって、中継コイル４５へ電力を伝送する。

このようにして中継コイル４５は一次自己共振コイル４３から高周波電力を受電すると、その高周波電力に応じて中継コイル４５もまた高周波で変動する磁界４６を発生させる。このとき、中継コイル４５は、コイル自身のインダクタンスと導線間の浮遊容量とによるＬＣ共振器として機能し、同様にＬＣ共振器として機能し且つ中継コイル４５と同じ共振周波数を有する二次自己共振コイル４７と磁場共鳴により磁気的に結合することによって、二次自己共振コイル４７へ電力を伝送する。

そして、二次自己共振コイル４７は、一次自己共振コイル４３から中継コイル４５を介して受電した高周波電力によって磁界を生じさせる。これにより、二次コイル４８に電磁誘導により高周波電力が受電され、この受電された高周波電力が二次コイル４８から負荷４９に供給される。

なお、図１との対応関係について説明すると、図１の交流電源２１および高周波電力ドライバ２２は、図４の高周波電源４１に相当する。また、図１の一次コイル２３および一次自己共振コイル２４は、図４の一次コイル４２および一次自己共振コイル４３に相当する。また、図１の中継コイル１１は、図４の中継コイル４５に相当する。また、図１の二次自己共振コイル１２および二次コイル１３は、図４の二次自己共振コイル４７および二次コイル４８に相当する。さらに、図１の整流器１４および蓄電装置１５は、図４の負荷４９に相当する。

上述したように本実施形態の電動車両１０では、給電装置２０の一次自己共振コイル２４から磁場の共鳴を用いて車載された中継コイル１１を介して二次自己共振コイル１２に送電し、この送電された電力を車載の蓄電装置１５に充電する。この際、中継コイル１１は車両底部を覆うアンダーカバー３４に固定配置されており、一次自己共振コイル２４と二次自己共振コイル１２との間に中継コイル１１を出し入れするための移動機構を設けていない。したがって、車載側の構造を簡易なものとしながらワイヤレスによる高効率充電を行うことができる。

また、本実施形態では、電動車両１０において中継コイル１１を介して二次自己共振コイル１２で受電する構成としたので、送電効率を維持しながら電動車両における受電側コイルである中継コイル１１と二次自己共振コイル１２の搭載スペースを分散させることができる。したがって、磁場共鳴によるワイヤレス充電を行う電動車両において二次側コイルの搭載設計自由度が増加して車両搭載性が向上する。

さらに、本実施形態では、中継コイル１１に対して二次側コイル１２，１３が比較的重量が大きく構成されており、その重量物である二次側コイル１２，１３が高剛性である車両ボディ３０の底部３２によって支持されている。そのため、比較的軽い中継コイル１１を設置するためにアンダーカバー３４の剛性をそれほど大きくしなくてもよい。したがって、アンダーカバー３４の材料コストおよび加工コストの増加、ならびに、アンダーカバー３４自体の重量増大を抑制することができる。

なお、本発明は上述した実施の形態の構成に限定されるものではなく、本願の特許請求の範囲に記載された事項およびその均等の範囲内において種々の変更や改良が可能である。

例えば、図１において電動車両１０の前後方向における中央近傍に中継コイル１１および二次側コイル１２，１３が搭載されるとして示すが、これに限定されるものではなく、電動車両の前部または後部の底部に中継コイルおよび二次側コイルを搭載してもよい。

また、上記においては中継コイル１１および二次側コイル１２，１３を１組だけ車載しているものとして説明するが、これに限定されるものではなく、複数組の中継コイルおよび二次側コイルを水平方向に並べて配置し、これら複数の二次側コイルを整流器に対して並列接続してもよい。このようにすれば、電動車両の停車位置が規定位置に対してずれても、給電装置から送電された電力を確実かつ十分に受電することができる。

また、上記の実施の形態において、整流器１４と蓄電装置１５との間に、蓄電装置１５の電圧に基づいて昇圧動作または降圧動作をするコンバータを設けてもよい。あるいは、二次コイル１３と整流器１４との間に、蓄電装置１５の電圧に基づいて電圧変換を行うトランスを設けてもよい。あるいは、整流器１４に代えて、蓄電装置１５の電圧に基づいて交直電圧変換を行なうＡＣ／ＤＣコンバータを設けてもよい。

また、上記の実施の形態においては、モータだけを車両駆動力源として備える電動車両について説明したが、本発明は内燃機関であるエンジンを車両駆動力源として併せ持つハイブリッド車両にも適用可能である。この場合、モータとは別に発電機を搭載し、この発電機をエンジン動力によって駆動して発電し、この発電電力でモータを駆動する、いわゆるシリーズ型のハイブリッド車両であってもよいし、あるいは、動力分割機構を用いてエンジン動力の一部で発電機を駆動して発電することができ且つ残りのエンジン動力で走行することができるシリーズ／パラレル型のハイブリッド車両であってもよいし、あるいは、エンジンを主動力として必要に応じてモータがアシストするモータアシスト型のハイブリッド車などであってもよい。

さらに、本発明は、直流電源として蓄電装置に加えて燃料電池をさらに備える燃料電池車にも適用可能である。

１０ 電動車両、１１，４５ 中継コイル、１２，４７ 二次自己共振コイル、１３，４８ 二次コイル、１４ 整流器、１５ 蓄電装置、１６ ＰＣＵ、１７ モータ、１８ 車輪、２０ 給電装置、２１ 交流電源、２２ 高周波電力ドライバ、２３，４２ 一次コイル、２４，４３ 一次自己共振コイル、３０ 車両ボディ、３２ 底部、３４，３４ａ，３４ｂ アンダーカバー、３５ 凹部、３６ 押さえ部材、４１ 高周波電源、４４，４６ 磁界、４９ 負荷、Ｇ 地面。

Claims (2)

1. 車両外部の一次側コイルから磁場共鳴によりワイヤレスで送電される電力を受電可能に構成された二次側コイルと、
   前記二次側コイルで受電した電力を充電する蓄電装置と、
   前記蓄電装置から供給される電力により車両駆動力を出力する回転電機と、
   を備える電動車両であって、
   前記一次側コイルと前記二次側コイルとの間に固定して設けられ、前記一次側コイルから送電される電力を磁場共鳴関係をもって受電して前記二次側コイルへ送電する中継コイルをさらに備える、
   電動車両。
2. 請求項１に記載の電動車両において、
   前記中継コイルは車両の底部を覆うアンダーカバーに固定的に設けられ、前記二次側コイルは前記中継コイルの上方に対向配置されて車両ボディに支持されている、電動車両。

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