JP2014225986A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】非接触給電システムにおいて、システムのインピーダンスを適切に調整することにより、給電コイルと受電コイルとの距離が長いときであっても、多くの電力を送電可能とする。【解決手段】地面側に配置された給電コイルと、移動体に搭載されると共に上記給電コイルから非接触で電力が供給される受電コイルとを備え、上記地面側あるいは移動体側に設けられると共に給電時に上記給電コイルと上記受電コイルとの間で膨張される袋体と、膨張された上記袋体の内部にて、上記給電コイルと上記受電コイルとの間に形成される磁路の途中に配置される磁性体とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、非接触給電システムに関するものである。

近年、例えば特許文献１に示すような、給電側のコイル（給電コイル）から受電側のコイル（受電コイル）に対して非接触で電力を供給する非接触給電システムが用いられている。例えば、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）やハイブリッド自動車（ＨＶ：Hybrid Vehicle）等の移動車両に搭載されたバッテリに対しても、非接触給電システムを用いて給電することが提案されている。

特開２０１０−８７３５３号公報

ところで、非接触給電システムにおいては、電力の電送距離が長距離となるとインピーダンスが高くなり、送電側の電源電圧を高くする必要がある。しかしながら、電源等に使用される部品の耐圧レベルは有限であることから、当該部品の耐圧レベルに制限され、送電側の電源電圧を十分に高くすることが困難となる。このため、電力の電送距離が長い場合には、短期間に多くの電力を送電することが難しい。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、非接触給電システムにおいて、システムのインピーダンスを適切に調整することにより、給電コイルと受電コイルとの距離が長いときであっても、多くの電力を送電可能とすることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、地面側に配置された給電コイルと、移動体に搭載されると共に上記給電コイルから非接触で電力が供給される受電コイルとを備える非接触給電システムであって、上記地面側あるいは移動体側に設けられると共に給電時に上記給電コイルと上記受電コイルとの間で膨張される袋体と、膨張された上記袋体の内部にて、上記給電コイルと上記受電コイルとの間に形成される磁路の途中に配置される磁性体とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、上記磁性体が粉体からなり、上記袋体が膨張されたときに上記磁路の途中に配置されると共に上記磁性体を収容可能な磁性体収容部と、上記磁性体収容部に上記磁性体を供給する磁性体供給装置とを備えるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、上記磁性体収容部に収容された磁性体を上記磁性体供給装置に回収する回収手段を備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３のいずれかの発明において、上記磁性体収容部が、上記袋体とともに膨張及び収縮される第２の袋体からなるという構成を採用する。

本発明によれば、給電コイルと受電コイルとの間に形成される磁路の途中に配置される磁性体を備える。このような磁性体は、磁路の途中に設置されることによって磁化され、空気よりも透磁率の低い領域を生み出す。この領域によって、給電コイルと受電コイルとの間の磁気抵抗が低下する。したがって、本発明によれば、非接触給電システムにおいて、システムのインピーダンスを適切に調整することにより、給電コイルと受電コイルとの距離が長いときであっても、多くの電力を送電可能とすることが可能となる。

本発明の第１実施形態による非接触給電システムの要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態による非接触給電システムが備える磁性体ユニットを含む拡大模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が側面図である。 本発明の第１実施形態による非接触給電システムの給電コイルと受電コイルとの間に形成される磁路を説明するための模式図である。 （ａ）が本実施形態の第２実施形態による非接触給電システムが備える磁性体ユニットを含む拡大模式図であり、（ｂ）が本実施形態の第２実施形態による非接触給電システムの給電コイルと受電コイルとの間に形成される磁路を説明するための模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る非接触給電システムの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態による非接触給電システム１の要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、非接触給電システム１は、地面側に設置される給電装置１０、バルーン２０、給電用ガス給排気装置３０及び磁性体ユニット４０と、移動車両Ｍ（移動体）側に搭載される受電装置５０を備えており、給電装置１０から受電装置５０に対して非接触で給電を行う。

給電装置１０は、電源１１、整流回路１２、給電回路１３、給電用制御部１４及び給電コイル１５を備えており、受電装置５０に対する非接触給電に適した電力を生成するとともに、受電装置５０に対する非接触給電を行う上で必要となる各種制御を行う。なお、本実施形態では、給電装置１０が地上に設置されているものとして説明するが、給電装置１０は、地下に設置されていても良く、移動車両Ｍの上方（例えば、天井）に設置されるものであっても良い。

電源１１は、出力端が整流回路１２の入力端に接続されており、受電装置５０への給電に必要となる交流電力を整流回路１２に供給する。この電源１１は、例えば２００Ｖ又は４００Ｖ等の三相交流電力、或いは１００Ｖの単相交流電力を供給する系統電源である。整流回路１２は、入力端が電源１１に接続されるとともに出力端が給電回路１３に接続されており、電源１１から供給される交流電力を整流して直流電力に変換し、変換した直流電力を給電回路１３に出力する。

給電回路１３は、入力端が整流回路１２に接続されるとともに出力端が給電コイル１５の両端に接続されており、整流回路１２からの直流電力を交流電力に変換し、変換した交流電力を給電コイル１５に出力する。具体的に、給電回路１３は、給電コイル１５とともに給電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備えており、給電用制御部１４の制御の下で、整流回路１２からの直流電力を電源１１の交流電力よりも周波数が高い交流電力（高周波電力）に変換して給電コイル１５に出力する。給電用制御部１４は、給電回路１３を制御して受電装置５０に供給すべき電力を生成させる。この給電用制御部１４は、ＣＰＵ（中央処理装置）やメモリ等を備えており、予め用意された制御プログラムに基づいて上記の各種制御を行う。また、給電用制御部１４は、給電用ガス給排気装置３０を制御してバルーン２０を膨張させあるいは収縮させる。さらに給電用制御部１４は、磁性体ユニット４０の制御も行う。

給電コイル１５は、予め規定されたコイル形状寸法を有するヘリカルコイルからなる。なお、給電コイル１５は、この給電コイル１５をモールドするプラスチック等の非磁性材料によって形成されるカバーと一体的に設けられていても良い。この給電コイル１５は、給電回路１３から供給される高周波電力に応じた磁界を発生することによって受電装置５０に対して非接触で給電を行う。なお、本実施形態において給電コイル１５は、巻軸方向が水平方向を向いた、いわゆるソレノイドタイプのコイルとされている。

バルーン２０は、給電コイル１５を覆うようにして地面側に固定されており、給電用ガス給排気装置３０から内部にガスが供給されることによって膨張し（膨らみ）、供給されたガスが同じく給電用ガス給排気装置３０に吸引されることによって収縮する（萎む）。このバルーン２０は、例えば伸縮性を有するゴム材料等で形成されている。なお、バルーン２０は、給電コイル１５と受電コイル５１とを繋ぐ磁路を除けば、アルミニウム粉や銅粉を合成したゴムを用いて形成しても良い。これによって、漏洩電磁界を低減することができる。

給電用ガス給排気装置３０は、給電用制御部１４の制御の下で、バルーン２０に対するガスの給排気を行う。この給電用ガス給排気装置３０は、図１に示す通り、給排気管を介してバルーン２０と接続されており、給排気管を介してバルーン２０に対するガスの給排気を行う。

図２は、磁性体ユニット４０を含む拡大模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が側面図である。磁性体ユニット４０は、地面側に設置されており、図２に示すように、磁性体収容部４１（第２の袋体）と、磁性体供給装置４２と、回収バルブ４３（回収手段）とを有している。

磁性体収容部４１は、磁性体供給装置４２から給排気が行われることにより、バルーン２０と同様に、膨張あるいは収縮する部材であり、磁性体供給装置４２と接続されている。この磁性体収容部４１は、膨張したときに給電コイル１５の両側であって、給電コイル１５と受電コイル５１との間に形成される磁路の途中に配置されるように設けられている。また、磁性体収容部４１は、収縮されたときには、図１に示すように、バルーン２０の収縮を邪魔しないように配置されている。これらの磁性体収容部４１は、膨張されたときに、磁性体供給装置４２から供給される粉末状の磁性体Ｘを収容可能とされている。なお、磁性体収容部４１には、不図示のフィルタを有する排気路が接続されており、膨張した場合であっても磁性体Ｘを供給可能に構成されている。

磁性体供給装置４２は、磁性体収容部４１と接続されており、給電用制御部１４の制御の下、磁性体収容部４１に粉末状の磁性体Ｘとガスを供給する。これによって、磁性体収容部４１を膨張させると共に磁性体収容部４１に磁性体Ｘを供給する。また、磁性体収容部４１は、給電用制御部１４の制御の下、磁性体収容部４１に供給する磁性体Ｘの量を調整する。さらに、磁性体収容部４１は、磁性体収容部４１に供給されたガスを吸引することによって磁性体収容部４１を収縮させる。

回収バルブ４３は、各磁性体収容部４１の下方に設置されており、開放することにより、磁性体収容部４１に収容された磁性体Ｘを落下させて磁性体供給装置４２に回収するためのものである。

このような磁性体ユニット４０では、磁性体収容部４１に磁性体Ｘが収容された状態で、給電コイル１５と受電コイル５１との間に磁路が形成されると、図３に示すように、磁性体収容部４１が磁路の途中に配置される。これによって、磁性体収容部４１に収容された磁性体Ｘが磁化し、空気よりも透磁率の低い領域を生み出す。この結果、給電コイル１５と受電コイル５１との間の磁気抵抗が低下する。

移動車両Ｍは、運転者によって運転されて道路上を走行する自動車であり、例えば動力発生源として走行モータを備える電気自動車やハイブリッド自動車である。この移動車両Ｍは、図１に示す通り、受電装置５０を備えている。なお、図１では省略しているが、移動車両Ｍは、エンジン、上記走行モータ、操作ハンドル、及びブレーキ等の走行に必要な構成を備えている。

受電装置５０は、受電コイル５１、受電回路５２、充電回路５３、バッテリ５４、及び受電用制御部５５を備える。受電コイル５１は、上述した給電コイル１５とほぼ同じコイル径を有するヘリカルコイルからなる。なお、受電コイル５１は、この受電コイル５１をモールドするプラスチック等の非磁性材料によって形成されるカバーと一体的に設けられていても良い。このような受電コイル５１は、給電コイル１５と対向可能なようにコイル軸が上下方向（垂直方向）となる姿勢で移動車両Ｍの底部に設けられている。この受電コイル５１は、両端が受電回路５２の入力端に接続されており、給電コイル１５の磁界が作用すると起電力を発生し、発生した起電力を受電回路５２に出力する。なお、本実施形態において受電コイル５１は、巻軸方向が水平方向を向いた、いわゆるソレノイドタイプのコイルとされている。

受電回路５２は、入力端が、受電コイル５１の両端に接続されるとともに出力端が充電回路５３の入力端に接続されており、受電コイル５１から供給された交流電力を直流電力に変換し、変換した直流電力を充電回路５３に出力する。この受電回路５２は、受電コイル５１とともに受電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備えている。なお、受電回路５２の共振用コンデンサの静電容量は、受電側共振回路の共振周波数が前述した給電側共振回路の共振周波数と同一周波数になるように設定されている。

充電回路５３は、入力端が受電回路５２の出力端に接続されるとともに出力端がバッテリ５４の入力端に接続されており、受電回路５２からの電力（直流電力）をバッテリ５４に充電する。バッテリ５４は、移動車両Ｍに搭載された再充電が可能な電池（例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池）であり、図示しない走行モータ等に電力を供給する。受電用制御部５５は、ＣＰＵやメモリ等を備えており、予め用意された受電用制御プログラムに基づいて充電回路５３を制御する。

このような本実施形態の非接触給電システム１では、非給電時（例えば、運転者による移動車両Ｍの通常運転時）に、受電装置５０では、充電回路５３を停止させる制御が受電用制御部５５によって行われる。また、非給電時（つまり、給電対象である移動車両Ｍが駐停車位置に駐停車していない時）に、給電装置１０では、給電回路１３を停止させる制御が給電用制御部１４によって行われる。

その後、運転者が移動車両Ｍを運転し、給電コイル１５が設置された場所まで移動車両Ｍを移動させて停車させると、給電コイル１５の設置位置が受電用制御部５５によって把握される。なお、給電コイル１５の設置位置を把握する方法としては、例えば不図示の音波センサ或いは光センサ等の位置センサの出力から把握する方法が挙げられる。

他方、給電装置１０の給電用制御部１４においても、移動車両Ｍと同じく不図示の音波センサ或いは光センサ等の位置センサの出力から移動車両Ｍの位置が給電用制御部１４によって把握される。受電コイル５１が、給電コイル１５の上方に配置されたことを検知すると、給電用制御部１４によって、給電用ガス給排気装置３０からバルーン２０にガスを供給する制御が行われる。これによって、バルーン２０が膨張する。さらに、給電用制御部１４によって、磁性体供給装置４２から磁性体収容部４１にガス及び磁性体Ｘを供給する制御が行われる。これによって、磁性体収容部４１が膨張し、この磁性体収容部４１に粉体からなる磁性体Ｘが収容される。

以上の動作が終了すると、給電装置１０の給電回路１３が給電用制御部１４によって制御されて給電動作が開始される。これにより、給電コイル１５から移動車両Ｍに設置された受電コイル５１に対して非接触で電力が供給される。非接触での給電が行われると、受電装置５０では、受電用制御部５５が、バッテリ５４の充電状態を監視しながら充電回路５３を制御することによりバッテリ５４の充電を行う。

受電用制御部５５は、バッテリ５４が満充電状態となったことを検知すると、充電回路５３を停止させる制御を行うとともに、図示しない表示器等（例えば、運転席に設けられたバッテリ５４の充電状態を示す表示器）に対して、バッテリ５４が満充電状態になった旨を通知する。かかる通知により、運転者は、バッテリ５４が満充電状態となったことを認識することができる。

給電装置１０の給電用制御部１４は、非接触での給電が行われている間、給電が終了したか否かを判断する。ここで、給電が終了したか否かの判断は、例えば移動車両Ｍへの給電量が急激に低下したか否かに基づいて行うことが可能である。給電が終了していないと判断した場合には、給電用制御部１４は、給電回路１３を制御して非接触での給電を継続させる。これに対し、給電が終了したと判断した場合には、給電用制御部１４は、給電回路１３を制御して給電動作を停止させる。

給電動作が停止すると、給電用制御部１４は、回収バルブ４３を開放して磁性体Ｘを回収するとともに磁性体収容部４１内に供給されたガスを磁性体供給装置４２に排気させて磁性体収容部４１を収縮させる。また、給電用制御部１４は、バルーン２０内に給気されたガスを給電用ガス給排気装置３０に排気させてバルーン２０を収縮させる。これによって、運転者は移動車両Ｍを運転して、給電コイル１５の設置場所から移動することが可能になる。

以上のような本実施形態の非接触給電システム１によれば、給電コイル１５と受電コイル５１との間に形成される磁路の途中に配置される磁性体Ｘを備える。このような磁性体Ｘは、磁路の途中に設置されることによって磁化され、空気よりも透磁率の低い領域を生み出す。この領域によって、給電コイル１５と受電コイル５１との間の磁気抵抗が低下する。したがって、本実施形態の非接触給電システム１によれば、システムのインピーダンスを適切に調整することにより、給電コイル１５と受電コイル５１との距離が長いときであっても、多くの電力を送電可能とすることが可能となる。

また、本実施形態の非接触給電システム１によれば、磁性体Ｘが粉体からなり、バルーン２０が膨張されたときに磁路の途中に配置されると共に磁性体Ｘを収容可能な磁性体収容部４１と、磁性体収容部４１に磁性体Ｘを供給する磁性体供給装置４２とを備えている。このため、磁性体供給装置４２から磁性体収容部４１への磁性体Ｘの供給量を調整することができ、給電コイル１５と受電コイル５１との間の磁気抵抗を最適に調整することができる。

また、本実施形態の非接触給電システム１によれば、回収バルブ４３を備えている。このため、磁性体収容部４１に収容された磁性体Ｘを回収あるいは減少させることが可能となっている。

また、本実施形態に非接触給電システム１によれば、磁性体収容部４１がバルーン２０とともに膨張及び収縮される袋体（第２の袋体）となっている。このため、磁性体収容部４１がバルーン２０の膨張及び収縮を阻害することを防止できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本第２実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。

図４（ａ）は、本実施形態の非接触給電システムが備える磁性体ユニット４０Ａを含む拡大模式図である。本実施形態においては、巻軸方向が鉛直方向を向いた、いわゆるサーキュラータイプのコイルからなる給電コイル１５Ａが設置されている。また、本実施形態において、磁性体ユニット４０は、膨張したときに給電コイル１５Ａを囲うように立設する第１磁性体収容部４４と、膨張したときに給電コイル１５Ａの上方に配置される第２磁性体収容部４５と、これらの第１磁性体収容部４４と第２磁性体収容部４５とを接続する接続部４６とを備えている。なお、第１磁性体収容部４４と第２磁性体収容部４５との内部は、接続部４６の内部を介して連通されている。なお、本実施形態においては、図４（ｂ）に示すように、移動車両Ｍに搭載される受電コイル５１Ａも、巻軸方向が鉛直方向を向いた、いわゆるサーキュラータイプのコイルからなる。

このような構成を有する本実施形態の非接触給電システムにおいては、図４に示すように、給電コイル１５Ａと受電コイル５１Ａとの間に形成される磁路の途中に第１磁性体収容部４４と第２磁性体収容部４５とが配置される。これらの第１磁性体収容部４４と第２磁性体収容部４５には、磁性体供給装置４２から磁性体Ｘが供給される。このため、本実施形態の非接触給電システムも、上記第１実施形態と同様に、給電コイル１５Ａと受電コイル５１Ａとの間の磁気抵抗が低下し、給電コイル１５Ａと受電コイル５１Ａとの距離が長いときであっても、多くの電力を送電可能とすることが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

上記実施形態において、さらに給電コイル１５側にもバルーン及び給排気装置を設けても良い。また、バルーン２０内に通信用のアンテナを設置しても良い。また、膨張したバルーン２０内に粉末を供給し、その後バルーン２０内のガスを吸引することで、ジャミング転移現象によってバルーン２０と受電コイル５１あるいは受電コイル５１Ａとを強固に固定するようにしても良い。

また、上記実施形態においては、本発明の移動体が移動車両である構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の移動体が水中移動体であっても良い。

１……非接触給電システム、１０……給電装置、１１……電源、１２……整流回路、１３……給電回路、１４……給電用制御部、１５……給電コイル、１５Ａ……給電コイル、２０……バルーン（袋体）、３０……給電用ガス給排気装置、４０……磁性体ユニット、４０Ａ……磁性体ユニット、４１……磁性体収容部（第２の袋体）、４２……磁性体供給装置、４３……回収バルブ（回収手段）、４４……第１磁性体収容部（第２の袋体）、４５……第２磁性体収容部（第２の袋体）、４６……接続部、５０……受電装置、５１……受電コイル、５１Ａ……受電コイル、５２……受電回路、５３……充電回路、５４……バッテリ、５５……受電用制御部、Ｍ……移動車両、Ｘ……磁性体

Claims (4)

1. 地面側に配置された給電コイルと、移動体に搭載されると共に前記給電コイルから非接触で電力が供給される受電コイルとを備える非接触給電システムであって、
   前記地面側あるいは移動体側に設けられると共に給電時に前記給電コイルと前記受電コイルとの間で膨張される袋体と、
   膨張された前記袋体の内部にて、前記給電コイルと前記受電コイルとの間に形成される磁路の途中に配置される磁性体と
   を備えることを特徴とする非接触給電システム。
2. 前記磁性体が粉体からなり、
   前記袋体が膨張されたときに前記磁路の途中に配置されると共に前記磁性体を収容可能な磁性体収容部と、
   前記磁性体収容部に前記磁性体を供給する磁性体供給装置と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の非接触給電システム。
3. 前記磁性体収容部に収容された磁性体を前記磁性体供給装置に回収する回収手段を備えることを特徴とする請求項２記載の非接触給電システム。
4. 前記磁性体収容部は、前記袋体とともに膨張及び収縮される第２の袋体からなることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の非接触給電システム。

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