JP2015116068A

JP2015116068A - ワイヤレス給電システム

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Publication number: JP2015116068A
Application number: JP2013257362A
Authority: JP
Inventors: 和義加々美; Kazuyoshi Kagami
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2015-06-22
Anticipated expiration: 2033-12-12
Also published as: JP6275470B2

Abstract

【課題】取付作業性を向上することができるワイヤレス給電システムを提供することを目的とする。【解決手段】ワイヤレス給電システム１は、ソーラーパネル３２、送電回路３３、及び、送電側コイル３４が送電側基板３１に実装され、少なくとも車両の外殻部材２の車外側にソーラーパネル３２が露出して設けられる送電側基板ユニット３と、受電側コイル４２、受電回路４３、及び、電気機器４４が受電側基板４１に実装され、外殻部材２の車内側に設けられる受電側基板ユニット４とを備え、送電側基板ユニット３と受電側基板ユニット４とは、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向し当該送電側コイル３４から当該受電側コイル４２への電力の伝送が可能な位置に設けられることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、ワイヤレス給電システムに関する。

従来のワイヤレス給電システムは、例えば、車両に搭載される電気機器等への適用が検討されている。当該ワイヤレス給電システムは、種々の方式により送電側コイルから受電側コイルへ非接触で電力を伝送し、当該受電側コイルが受電した電力を種々の電気機器に供給する。なお、車両に適用される電気機器に対する給電に関する技術として、例えば、特許文献１には、互いに相対回転あるいは相対移動可能な光源と固定部との間に接続されたワイヤハーネスが光源の移動の際に変形しても端部のコネクタとワイヤハーネスとの間に外力が掛からず断線を防止することが可能な照明灯のワイヤハーネス取付構造が開示されている。

特開２００９−８３７９５号公報

ところで、上述のようなワイヤレス給電システムは、例えば、車両に適用する際等における取付作業性の向上の点で更なる改善の余地がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、取付作業性を向上することができるワイヤレス給電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るワイヤレス給電システムは、電力を生成するソーラーパネル、当該ソーラーパネルからの電力を直流電流から交流電流に変換する送電回路、及び、前記送電回路によって交流電流に変換された電力が供給される送電側コイルが送電側基板に実装され、少なくとも車両の外殻部材の車外側に前記ソーラーパネルが露出して設けられる送電側基板ユニットと、前記送電側コイルからの電力を非接触で受電する受電側コイル、前記受電側コイルが受電した電力を交流電流から直流電流に変換する受電回路、及び、前記受電回路によって直流電流に変換された電力を消費して駆動する電気機器が受電側基板に実装され、前記外殻部材の車内側に設けられる受電側基板ユニットとを備え、前記送電側基板ユニットと前記受電側基板ユニットとは、前記送電側コイルと前記受電側コイルとが対向し当該送電側コイルから当該受電側コイルへの電力の伝送が可能な位置に設けられることを特徴とする。

また、上記ワイヤレス給電システムでは、前記受電側基板ユニットは、さらに、前記受電側コイルで受電した電力を蓄電する蓄電装置が前記受電側基板に実装されるものとすることができる。

また、上記ワイヤレス給電システムでは、前記受電側基板ユニットは、前記受電側コイル、前記受電回路、前記電気機器、及び、前記受電側基板が一体となって前記送電側基板ユニットに対する相対角度を変更可能であるものとすることができる。

本発明に係るワイヤレス給電システムは、電源であるソーラーパネル、送電回路、送電側コイルがユニット化された送電側基板ユニットを外殻部材の車外側に、受電側コイル、受電回路、電力供給先である電気機器がユニット化された受電側基板ユニットを外殻部材の車内側に、送電側コイルと受電側コイルとが対向するように設けることで、車内側の電気機器への電力の供給系を容易に構成することができる。この結果、ワイヤレス給電システムは、車両への取付作業性を向上することができる、という効果を奏する。

図１は、実施形態に係るワイヤレス給電システムの概略構成を表す模式的な構成図である。図２は、実施形態に係るワイヤレス給電システムにおけるコイル角度ずれについて説明する模式図である。図３は、実施形態に係るワイヤレス給電システムにおけるコイル角度ずれと効率との関係の一例を表す線図である。図４は、変形例に係るワイヤレス給電システムの概略構成を表す模式的な構成図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

［実施形態］
図１は、実施形態に係るワイヤレス給電システムの概略構成を表す模式的な構成図である。図２は、実施形態に係るワイヤレス給電システムにおけるコイル角度ずれについて説明する模式図である。図３は、実施形態に係るワイヤレス給電システムにおけるコイル角度ずれと効率との関係の一例を表す線図である。

図１に示す本実施形態に係るワイヤレス給電システム１は、電源からの電力を種々の電気機器４４に伝送する際に、少なくとも一部分をワイヤレスで伝送する非接触給電システムである。本実施形態のワイヤレス給電システム１は、車両に搭載され、当該車両の車内に配置される種々の電気機器４４との間の電気的な接続をワイヤレス化し、非接触電力伝送とするものである。さらに言えば、本実施形態のワイヤレス給電システム１は、車両の車外に、電源としてのソーラーパネル３２を送電側コイル（１次側コイル）３４等と共にユニット化して配置し、車両の車内に、電気機器４４を受電側コイル（２次側コイル）４２等と共にユニット化して配置し、ソーラーパネル３２からの電力を送電側コイル３４から受電側コイル４２に非接触で電力を伝送し、当該車両の車内に設けられた電気機器４４を駆動するシステムである。

具体的には、ワイヤレス給電システム１は、図１に示すように、少なくとも車両の外殻部材２の車外側にソーラーパネル３２が露出して設けられる送電側基板ユニット３と、外殻部材２の車内側に設けられる受電側基板ユニット４とを備える。ここでは、送電側基板ユニット３は、全体が外殻部材２の車外側に設けられる。送電側基板ユニット３は、送電側基板３１、ソーラーパネル３２、送電回路３３、送電側コイル３４、送電側磁性部材３５等を含んで構成される。受電側基板ユニット４は、受電側基板４１、受電側コイル４２、受電回路４３、電気機器４４、受電側磁性部材４５等を含んで構成される。

ここで、外殻部材２は、車両において最も外側に配置される外表面部材である。送電側基板ユニット３と受電側基板ユニット４とは、この外殻部材２を境界として、車外側に送電側基板ユニット３が配置され、車内側に受電側基板ユニット４が配置される。

送電側基板ユニット３は、ソーラーパネル３２、送電回路３３、送電側コイル３４、送電側磁性部材３５が送電側基板３１に実装されて一体となってユニット化される。送電側基板３１は、当該送電側基板ユニット３を構成する種々の構成部品が実装される基板である。ソーラーパネル３２は、このワイヤレス給電システム１における電源であり、電力を生成するものである。ソーラーパネル３２は、複数の太陽電池を相互接続して構成され、光起電力効果を利用し、光エネルギを直接電力に変換する機器である。送電回路３３は、ソーラーパネル３２に電気的に接続されている。送電回路３３は、インバータ（ＤＣ−ＡＣ変換器）等を含んで構成され、ソーラーパネル３２からの電力を直流電流から交流電流に変換する。送電側コイル３４は、送電回路３３に電気的に接続されている。送電側コイル３４は、ソーラーパネル３２からの電力であって、送電回路３３によって交流電流に変換された電力が供給される。送電側コイル３４は、ソーラーパネル３２からの電力を受電側コイル４２に伝送する。送電側磁性部材３５は、後述するように送電側コイル３４から受電側コイル４２に非接触で電力を伝送する際に発生する電磁界が周囲へ漏洩することを抑制するための送電側の遮蔽材である。送電側磁性部材３５は、例えば、フェライト等を用いることができる。

受電側基板ユニット４は、受電側コイル４２、受電回路４３、電気機器４４、受電側磁性部材４５が受電側基板４１に実装されて一体となってユニット化される。受電側基板４１は、当該受電側基板ユニット４を構成する種々の構成部品が実装される基板である。受電側コイル４２は、送電側コイル３４からの電力を非接触で受電するものである。受電回路４３は、受電側コイル４２に電気的に接続されている。受電回路４３は、整流器（ＡＣ−ＤＣ変換器）等を含んで構成され、受電側コイル４２が受電した電力を交流電流から直流電流に変換する。電気機器４４は、受電回路４３に電気的に接続されている。電気機器４４は、受電回路４３によって直流電流に変換された電力を消費して駆動する機器である。電気機器４４は、例えば、車両の室内側に設けられる室内照明用のＬＥＤランプ（室内灯）等である。以下の説明では、電気機器４４は、室内照明用のＬＥＤランプであるものとして説明するがこれに限らない。電気機器４４は、例えば、メータ・計装機器、ドライブレコーダ、カーナビゲーションシステム、オーディオ機器、レーダ、可動式のルームミラー、空調機器、パワーウィンドウ等、車両の車内側で電力を消費して駆動するものであればなんでもよく、これらの電気駆動部が受電側基板４１に実装されればよい。受電側磁性部材４５は、後述するように送電側コイル３４から受電側コイル４２に非接触で電力を伝送する際に発生する電磁界が周囲へ漏洩することを抑制するための受電側の遮蔽材である。受電側磁性部材４５は、例えば、フェライト等を用いることができる。

そして、上記のように構成される送電側基板ユニット３と受電側基板ユニット４とは、所定の間隔をあけて送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向し当該送電側コイル３４から当該受電側コイル４２への電力の伝送が可能な位置に設けられる。ここでは、送電側基板ユニット３と受電側基板ユニット４とは、外殻部材２を挟んで送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向する。送電側基板ユニット３は、外殻部材２車外側表面に固定される。受電側基板ユニット４は、外殻部材２の車内側に固定される。受電側基板ユニット４は、外殻部材２の車内側表面に固定されてもよいし、外殻部材２の車内側の他の部材に固定されてもよい。いずれにしても、ワイヤレス給電システム１は、外殻部材２を境界として、車外側に送電側基板ユニット３が固定され、車内側に受電側基板ユニット４が固定され、ともに固定された状態で送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向する。

一対の送電側コイル３４と受電側コイル４２とは、例えば、ともに渦巻き状に巻かれた導体コイルによって構成され、軸方向に互いに対向することで、１組の非接触給電用トランス５を構成する。非接触給電用トランス５は、例えば、電磁誘導方式、電磁界共鳴方式等、種々の方式によって送電側コイル３４から受電側コイル４２に非接触で電力を伝送することができる。ここで、電磁誘導方式とは、送電側コイル３４に交流電流を流すことで発生する磁束を媒体として受電側コイル４２に起電力を発生させる電磁誘導を用いて送電側コイル３４から受電側コイル４２に電力を伝送する方式である。また、電磁界共鳴方式とは、送電側コイル３４に交流電流を流すことで送電側コイル３４と受電側コイル４２とを特定の周波数で共鳴させ、当該電磁界の共鳴現象を用いて送電側コイル３４から受電側コイル４２に電力を伝送する方式である。

より詳細には、非接触給電用トランス５は、送電側コイル３４から受電側コイル４２に電力を伝送する場合、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが軸方向に互いに間隔をあけて対向した状態で、ソーラーパネル３２からの直流電流が送電回路３３等を介して、任意の周波数の交流電流に変換されて送電側コイル３４に供給される（例えば、インバータの駆動周波数に共振周波数を合わせる。）。非接触給電用トランス５は、送電側コイル３４に交流電流が供給されると、例えば、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが電磁誘導結合し、送電側コイル３４からの電力が電磁誘導や電磁界共鳴により非接触で受電側コイル４２に受電される。受電側コイル４２が受電した電力は、受電回路４３等を介して、交流電流から直流電流に変換されて電気機器４４で利用される。

上記のように構成されるワイヤレス給電システム１は、電源であるソーラーパネル３２、送電回路３３、送電側コイル３４等が一体となって送電側基板ユニット３を構成し、受電側コイル４２、受電回路４３、電力供給先である電気機器４４等が一体となって受電側基板ユニット４を構成することで、取付作業性を向上することができる。すなわち、ワイヤレス給電システム１は、当該ユニット化された送電側基板ユニット３を外殻部材２の車外側に、当該ユニット化された受電側基板ユニット４を外殻部材２の車内側に、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向するように設けることで、車内側の電気機器４４への電力の供給系を容易に構成することができる。

そして、ワイヤレス給電システム１は、ソーラーパネル３２から電気機器４４への電力の伝送経路において、送電側コイル３４と受電側コイル４２とによって非接触電力伝送を行うことで、電源であるソーラーパネル３２と電力供給先である電気機器４４との間の配線、コネクタ、ハーネス等を極力減らすことができる。これにより、ワイヤレス給電システム１は、電源であるソーラーパネル３２と電力供給先である電気機器４４との間の配線等を極力減らすことができることで、例えば、構成部品点数を抑制することができ、電線の断線等による不具合等を抑制することができる。さらに、ワイヤレス給電システム１は、電源であるソーラーパネル３２と電力供給先である電気機器４４との間の配線等を極力減らすことができることで、電気機器４４の取付作業、及び、配索作業等の付帯作業における作業工数を削減することができ、また、電気機器４４の取り付け位置の制約を緩和することができる。したがってこれらの点でも、ワイヤレス給電システム１は、取付作業性を向上することができる。

また、このワイヤレス給電システム１では、例えば、以上で説明したように電気機器４４が室内照明用のＬＥＤランプ等である場合、光の照射方向を所定の範囲で任意に変更可能である場合がある。つまり、電気機器４４は、設置角度を所定の範囲で任意に変更可能である場合がある。この場合、受電側基板ユニット４は、受電側コイル４２、受電回路４３、電気機器４４、及び、受電側基板４１が一体となって送電側基板ユニット３に対する相対角度を変更可能である。受電側基板ユニット４は、例えば、ヒンジ等を含んで構成される回動揺動支持部を介して支持されており、全体が所定の角度範囲で揺動することで、電気機器４４の設置角度を変更し、例えば、光の照射方向を所定の範囲で任意に変更することができる。

この場合であっても、このワイヤレス給電システム１は、ソーラーパネル３２から電気機器４４への電力の伝送経路において、送電側コイル３４と受電側コイル４２とによって非接触電力伝送を行っているので、例えば、揺動動作に伴って電気機器４４への電線等が伸縮を繰り返して断線してしまうことがなく、電力の伝送経路が寸断されてしまうことを抑制することができる。

このとき、このワイヤレス給電システム１は、電気機器４４の設置角度の変更（ここでは、光の照射方向の変更）に伴い、受電側基板ユニット４全体が揺動することで、送電側基板ユニット３の送電側コイル３４に対して受電側基板ユニット４の受電側コイル４２の角度が変化することとなる。

ここで、図２に示すコイル角度ずれθと効率との関係の一例を図３に例示する。コイル角度ずれθとは、図２に示すように、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが正対しているときの受電側コイル４２（図２中、左側参照）を基準位置として、当該基準位置における受電側コイル４２の径方向（軸方向（送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向する方向）に直交する方向）に対する当該受電側コイル４２の傾斜角度（図２中、右側参照）に相当する。送電側コイル３４と受電側コイル４２とが正対しているときは、コイル角度ずれθ＝０°である。また、図３は、送電側コイル３４、及び、受電側コイル４２の直径が５０ｍｍ程度、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが正対した状態でのコイル間距離（伝送距離）が３０ｍｍ程度の場合を一例として図示している。図３中、横軸は、コイル角度ずれ（Ｃｏｉｌａｎｇｌｅ）θ［°］を表し、縦軸は効率（Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ)［％］を表している。

図３に示すように、このワイヤレス給電システム１は、コイル角度ずれθが所定の範囲内、ここでは、±３０°程度の範囲であれば、効率の低下は限定的であり、実用上、ほぼ問題ないことは明らかである。これは、このワイヤレス給電システム１では、図２のコイル角度ずれθが大きくなると、各コイルの対向方向と直交する平面における投影面積が小さくなることから伝送効率が低下する傾向にあるが、一方で、そもそものコイル間距離が比較的に短い条件下では、コイル角度ずれθに応じてコイル間距離が相対的に近くなり、伝送効率が向上する部分が生じる。これにより、ワイヤレス給電システム１では、コイル角度ずれθが所定の範囲内であれば、投影面積減少による伝送効率の低下と、コイル間距離の接近による伝送効率の向上とが相殺され、伝送効率の低下を抑制することができる。したがって、ワイヤレス給電システム１は、電気機器４４の設置角度を変更し光の照射方向を所定の範囲で変更するために、受電側基板ユニット４が受電側コイル４２、電気機器４４等と一体となって送電側基板ユニット３に対する相対角度が所定の範囲で変更された場合でも、電気機器４４に適正に電力を供給し、当該電気機器４４を駆動することができる。

なお、電気機器４４に所定の動作（例えば、オン・オフ動作等）をさせるための操作は、例えば、既存のワイヤレス通信技術（例えば、ＮＦＣ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ−Ｆｉ（ＷｉｒｅｌｅｓｓＦｉｄｅｌｉｔｙ）、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、赤外線通信等）を用いることで無線にて対応することも可能である。

以上で説明したワイヤレス給電システム１によれば、送電側基板ユニット３と、受電側基板ユニット４とを備える。送電側基板ユニット３は、電力を生成するソーラーパネル３２、当該ソーラーパネル３２からの電力を直流電流から交流電流に変換する送電回路３３、及び、送電回路３３によって交流電流に変換された電力が供給される送電側コイル３４が送電側基板３１に実装され、少なくとも車両の外殻部材２の車外側にソーラーパネル３２が露出して設けられる。受電側基板ユニット４は、送電側コイル３４からの電力を非接触で受電する受電側コイル４２、受電側コイル４２が受電した電力を交流電流から直流電流に変換する受電回路４３、及び、受電回路４３によって直流電流に変換された電力を消費して駆動する電気機器４４が受電側基板４１に実装され、外殻部材２の車内側に設けられる。送電側基板ユニット３と受電側基板ユニット４とは、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向し当該送電側コイル３４から当該受電側コイル４２への電力の伝送が可能な位置に設けられる。したがって、ワイヤレス給電システム１は、電源であるソーラーパネル３２、送電回路３３、送電側コイル３４がユニット化された送電側基板ユニット３を外殻部材２の車外側に、受電側コイル４２、受電回路４３、電力供給先である電気機器４４がユニット化された受電側基板ユニット４を外殻部材２の車内側に、送電側コイル３４と受電側コイル４２とが対向するように設けることで、車内側の電気機器４４への電力の供給系を容易に構成することができる。この結果、ワイヤレス給電システム１は、車両への取付作業性を向上することができる。

なお、上述した本発明の実施形態に係るワイヤレス給電システムは、上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された範囲で種々の変更が可能である。

図４は、変形例に係るワイヤレス給電システムの概略構成を表す模式的な構成図である。

図４に示す変形例に係るワイヤレス給電システム１は、さらに、蓄電装置としてのバッテリ４６が設けられている。受電側基板ユニット４は、受電側コイル４２、受電回路４３、電気機器４４等と共に、さらに、バッテリ４６が受電側基板４１に実装される。バッテリ４６は、受電側コイル４２で受電した電力を蓄電するものであり、電力を蓄電可能な二次電池である。バッテリ４６は、受電回路４３に電気的に接続され、受電側コイル４２で受電し受電回路４３を介して供給される電力によって充電され、当該電力を蓄電する。バッテリ４６に蓄電された電力は、電気機器４４を作動させるために利用される。この場合、ワイヤレス給電システム１は、上記と同様に、車両への取付作業性を向上することができると共に、さらに、ソーラーパネル３２からの電力をバッテリ４６に蓄電して電気機器４４で利用することができるので利便性も向上することができる。

なお、以上の説明では、送電側基板ユニット３と受電側基板ユニット４とは、外殻部材２を境界として、車外側に送電側基板ユニット３が配置され、車内側に受電側基板ユニット４が配置されるものとして説明したが、送電側基板ユニット３は、少なくとも外殻部材２の車外側にソーラーパネル３２が露出して設けられればよい。

１ワイヤレス給電システム
２外殻部材
３送電側基板ユニット
４受電側基板ユニット
５非接触給電用トランス
３１送電側基板
３２ソーラーパネル
３３送電回路
３４送電側コイル
３５送電側磁性部材
４１受電側基板
４２受電側コイル
４３受電回路
４４電気機器
４５受電側磁性部材
４６バッテリ（蓄電装置）

Claims

電力を生成するソーラーパネル、当該ソーラーパネルからの電力を直流電流から交流電流に変換する送電回路、及び、前記送電回路によって交流電流に変換された電力が供給される送電側コイルが送電側基板に実装され、少なくとも車両の外殻部材の車外側に前記ソーラーパネルが露出して設けられる送電側基板ユニットと、
前記送電側コイルからの電力を非接触で受電する受電側コイル、前記受電側コイルが受電した電力を交流電流から直流電流に変換する受電回路、及び、前記受電回路によって直流電流に変換された電力を消費して駆動する電気機器が受電側基板に実装され、前記外殻部材の車内側に設けられる受電側基板ユニットとを備え、
前記送電側基板ユニットと前記受電側基板ユニットとは、前記送電側コイルと前記受電側コイルとが対向し当該送電側コイルから当該受電側コイルへの電力の伝送が可能な位置に設けられることを特徴とする、
ワイヤレス給電システム。
前記受電側基板ユニットは、さらに、前記受電側コイルで受電した電力を蓄電する蓄電装置が前記受電側基板に実装される、
請求項１に記載のワイヤレス給電システム。
前記受電側基板ユニットは、前記受電側コイル、前記受電回路、前記電気機器、及び、前記受電側基板が一体となって前記送電側基板ユニットに対する相対角度を変更可能である、
請求項１又は請求項２に記載のワイヤレス給電システム。