JP2015231308A - 受電装置及び非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】カメラを用いることなく、送電装置と受電装置とのが給電可能な位置関係であるかを判断できる。
【解決手段】送電装置から非接触で電力を受ける受電装置であって、送電装置からの電力を負荷装置に供給すべき電力に変換する電力変換器と、電力変換器と負荷装置との間に設けられた開閉器と、電力変換器と負荷装置との接続が開放されるように開閉器を開き、送電装置からの送電による電力変換器の電圧が給電可能しきい値以上であるか判断する制御部とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、受電装置及び非接触給電システムに関する。

下記特許文献１には、車両の駐車位置の位置ずれを小さく抑えることができる車両の駐車支援装置が開示されている。該駐車支援装置は、カメラと、カメラから得られる画像で車外の送電ユニットの位置を認識して送電ユニットに向けて車両を誘導するための第１の車両誘導部と、送電ユニットから非接触状態で電力の受電を行なう受電ユニットと、受電ユニットの受電した電力に基づいて車両を誘導するための第２の車両誘導部と、第１の車両誘導部が画像では送電ユニットの位置を検出できなくなってから車両駆動部に所定距離を超えて車両を移動させても受電ユニットが送電ユニットから受電する電力が第１の条件を満たさない場合には、車両の移動を停止させるための処理を行なう制御部とを備える。

特開２０１１−１８８６７９号公報

ところで、上記従来技術では、カメラによって撮影された画像に基づいて受電ユニット（以後、受電装置）と送電ユニット（以後、送電装置）とが給電可能な位置関係であるかを判断するが、カメラは高価であり、またカメラはレンズが汚れると画像が不鮮明になることがあり、カメラを用いることが望ましくないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、カメラを用いることなく、送電装置と受電装置とのが給電可能な位置関係であるかを判断できることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、受電装置に係る第１の解決手段として、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置であって、前記送電装置からの電力を負荷装置に供給すべき電力に変換する電力変換器と、前記電力変換器と前記負荷装置との間に設けられた開閉器と、前記電力変換器と前記負荷装置との接続が開放されるように前記開閉器を開き、前記送電装置からの送電による前記電力変換器の電圧が給電可能しきい値以上であるか判断する制御部とを含む、という手段を採用する。

本発明では、受電装置に係る第２の解決手段として、前記開閉器が開いているときに前記送電装置から送られる電力の電圧は、前記開閉器が閉じているときに前記送電装置から送られる電力の電圧よりも低い、という手段を採用する。

本発明では、受電装置に係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記電力変換器は、前記送電装置からの電力を整流する整流回路を有し、前記電力変換器の前記電圧は、前記整流回路の出力電圧である、という手段を採用する。

本発明では、非接触給電システムに係る解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段に係る受電装置と、当該受電装置に非接触で電力を送る送電装置とを備える、という手段を採用する。

本発明によれば、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置であって、送電装置からの電力を負荷装置に供給すべき電力に変換する電力変換器と、電力変換器と負荷装置との間に設けられた開閉器と、電力変換器と負荷装置との接続が開放されるように開閉器を開き、送電装置からの送電による電力変換器の電圧が給電可能しきい値以上であるか判断する制御部とを含むことによって、カメラを用いることなく、送電装置と受電装置とのが給電可能な位置関係であるかを判断できる。

本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの機能ブロック図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの回路図である。 本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの受電側整流回路の出力電圧とバッテリへの入力電圧とを示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る非接触給電システムは、図１及び図２に示すように、送電装置Ｓ及び受電装置Ｒを備えている。また、図示するように、送電装置Ｓは、送電側電力変換器１、インバータ回路２、送電側パッド３、送電側電流/電圧センサ４、送電側通信部５及び送電側制御部６を含んでいる。

一方、受電装置Ｒは、受電側パッド１１、受電側電力変換器１２、開閉器１３、受電側電流/電圧センサ１４、受電側通信部１５及び受電側制御部１６を含んでいる。

送電装置Ｓは、地上に設けられた給電施設に固定配置され、移動体に設けられた受電装置Ｒに非接触で交流電力を供給する装置である。上記給電施設は、移動体の停車スペースが単数あるいは複数設けられた施設であり、停車スペースの個数に相当する送電装置Ｓを備えている。一方、受電装置Ｒは、上記移動体に備えられ、送電装置Ｓから供給された交流電力を直流電力に変換することによりバッテリＢ（負荷装置）に充電させる装置である。なお、上記移動体は、例えば電気自動車やハイブリッド自動車等、外部からの受電を必要とする車両である。

上記送電装置Ｓにおいて、送電側電力変換器１は、送電側整流回路１ａ及びチョッパ回路１ｂを含んでいる。
送電側整流回路１ａは、例えばダイオードブリッジであり、外部の商用電源から供給される商用電力（例えば単相１００Ｖ、５０Ｈｚ）を全波整流して、チョッパ回路１ｂに出力する。この送電側整流回路１ａからチョッパ回路１ｂに供給される電力（全波整流電力）は、正弦波状の商用電力がゼロクロス点で折り返されて片極性（例えばプラス極性）の脈流である。

チョッパ回路１ｂは、送電側制御部６によってスイッチング動作が制御されることにより、自らの出力電圧を調整してインバータ回路２に出力する。具体的に、このチョッパ回路１ｂは、昇圧チョッパ回路あるいは昇降圧チョッパ回路であり、送電側整流回路１ａから入力された電圧を昇降圧して出力する。チョッパ回路１ｂの出力は、チョッパ回路１ｂの出力端に設けられたコンデンサの機能により、脈流である全波整流電力が十分に平滑化された直流電力である。

また、このチョッパ回路１ｂは、送電側制御部６によってスイッチング動作が制御されることにより、力率改善回路（ＰＦＣ：Power Factor Correction）としても機能するものである。すなわち、チョッパ回路１ｂは、全波整流電力を当該全波整流電力の周波数よりも十分に高い周波数で全波整流電力のゼロクロス点を基準にスイッチングすることにより、全波整流電力の電流の通流期間を広げて力率を改善する。なお一般に、チョッパ回路１ｂが力率改善回路として機能することは周知なので、ここではチョッパ回路１ｂの力率改善原理について詳細な説明を省略する。

インバータ回路２は、送電側制御部６から入力されるスイッチング信号（インバータ駆動信号）に基づいて上記送電側整流回路１ａから供給される直流電力を所定周波数（駆動周波数）の交流電力に変換する電力変換回路である。すなわち、このインバータ回路２は、上記インバータ駆動信号によって複数のスイッチング素子を駆動することにより、直流電力を駆動周波数でスイッチングして交流電力に変換する。このようなインバータ回路２は、上記交流電力を送電側パッド３に出力する。

送電側パッド３は、例えば、送電コイル３ａと送電コンデンサとからなる共振回路であり、インバータ回路２から供給される交流電力に基づいて磁界を発生する。これら送電コイル３ａ及び送電コンデンサのうち、送電コイル３ａは、上記停車スペースに停車した移動体の所定箇所（受電コイル１１ａが設けられている箇所）と対向する位置に設けられている。

送電側電流/電圧センサ４は、商用電源から送電側整流回路１ａに供給される電力の電流及び電圧を検出し、検出した電流及び電圧を示す検出信号を送電側制御部６に出力する。電流センサとしては、例えば、電流の通過する電線の周囲に発生する磁界をホール効果により測定するセンサや、電流の通過する電線に抵抗を挿入し抵抗で生じる電位降下を測定するセンサが使用可能である。電圧センサとしては、例えば、抵抗により電圧を分圧し、ＡＤ（Analog to Digital）コンバータで電圧をデジタル値に変換するセンサがある。

送電側通信部５は、受電装置Ｒの受電側通信部１５と近距離無線通信を行う。なお、送電側通信部５と受電側通信部１５との通信方式は、ZigBee（登録商標）やBluetooth（登録商標）等の近距離無線通信あるいは光信号を用いた近距離光通信である。送電側通信部５は、電波を用いた通信方式の場合、アンテナを有し、光信号を用いた通信方式の場合、通信用の発光素子・受光素子を有する。

送電側制御部６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。この送電側制御部６は、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより送電装置Ｓの全体動作を制御する。なお、送電側制御部６の動作の詳細については、後述する。

一方、受電装置Ｒにおいて、受電側パッド１１は、例えば、受電コイル１１ａと受電コンデンサとからなる共振回路であり、送電側パッド３により発生した磁界を介して電力を受ける。上記受電コイル１１ａは、移動体の底部または側部、上部等に設けられており、移動体が停車スペースに停車した場合に、送電装置Ｓを構成する送電コイル３ａと近接した状態で対向する。

このような受電側パッド１１は、受電コイル１１ａが送電側パッド３を構成する送電コイル３ａと近接対向して磁気結合する。すなわち、受電側パッド１１は、インバータ回路２によって送電コイル３ａに供給された交流電力及び送電コイル３ａと受電コイル１１ａとの結合係数に応じた交流電力を送電側パッド３から非接触で受電して受電側整流回路１２ａに出力する。すなわち、本実施形態は、磁界共鳴方式や電磁誘導方式等に準拠したものである。

上記受電装置Ｒにおいて、受電側電力変換器１２は、送電装置Ｓの送電側パッド３から受電側パッド１１を介して受け取られた電力をバッテリＢに供給すべき電力に変換するものであり、受電側整流回路１２ａ及びフィルタ回路１２ｂを有している。
受電側整流回路１２ａは、例えばダイオードブリッジで実現されており、上記受電側パッド１１から供給される交流電力（受電電力）を全波整流してフィルタ回路１２ｂに出力する。この受電側整流回路１２ａからフィルタ回路１２ｂに供給される電力は、ダイオードブリッジで全波整流された全波整流電力である。

フィルタ回路１２ｂは、例えば、リアクトル及びコンデンサを有しており、上記受電側制御部１６から供給される全波整流電力からノイズを除去すると共に平滑化してバッテリＢに出力する。

開閉器１３は、フィルタ回路１２ｂとバッテリＢとの間に設けられ、受電側制御部１６による制御に基づいてオン状態とオフ状態とが切り替わるものであり、例えば、スイッチ、電磁接触器、遮断器等の回路の開閉機能を有するものにより実現される。開閉器１３は、例えば、バッテリＢを過電流及び過電圧から防止するために設けられる。

受電側電流/電圧センサ１４は、受電側整流回路１２ａからフィルタ回路１２ｂに供給される直流電力の電流及び電圧を検出し、検出した電流及び電圧を示す検出信号を受電側制御部１６に出力する。電流センサとしては、例えば、電流の通過する電線の周囲に発生する磁界をホール効果により測定するセンサや、電流の通過する電線に抵抗を挿入し抵抗で生じる電位降下を測定するセンサが使用可能である。電圧センサとしては、例えば、抵抗により電圧を分圧し、ＡＤコンバータで電圧をデジタル値に変換するセンサがある。

受電側通信部１５は、送電装置Ｓの送電側通信部５と近距離無線通信を行う。なお、送電側通信部５と受電側通信部１５との通信方式は、ZigBee（登録商標）やBluetooth（登録商標）等の近距離無線通信あるいは光信号を用いた近距離光通信である。受電側通信部１５は、電波を用いた通信方式の場合、アンテナを有し、光信号を用いた通信方式の場合、通信用の発光素子・受光素子を有する。

受電側制御部１６は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）及び電気的に相互接続された各部と各種信号の送受信を行うインターフェイス回路等から構成されている。この送電側制御部６は、上記ＲＯＭに記憶された各種演算制御プログラムに基づいて各種の演算処理を行うと共に各部と通信を行うことにより受電装置Ｒの全体動作を制御する。なお、受電側制御部１６の動作の詳細については、後述する。

バッテリＢは、リチウムイオン電池やニッケル水素二次電池等の二次電池であり、上記受電側整流回路１２ａから供給される直流電力を充電して蓄える。このバッテリＢは、移動体の走行用モータを駆動するインバータ（走行用インバータ）あるいは／及び移動体の走行を制御する制御機器に接続されており、これら走行用インバータや制御機器に駆動電力を供給する。

次に、このように構成された非接触給電システムの動作について、詳しく説明する。

本非接触給電システムにおいて、移動体の受電装置Ｒの受電側制御部１６は、非給電時（例えば運転手による移動体の通常運転時）に、開閉器１３をオフ状態とする。一方、送電装置Ｓの送電側制御部６は、非給電時、つまり給電対象である移動体が駐停車位置に停車していない時に、チョッパ回路１ｂ及びインバータ回路２を停止する。また、送電側制御部６は、送電装置通知信号を送電側通信部５に発信させる。上記送電装置通知信号は、送電装置Ｓの存在を、周囲の受電装置Ｒに通知するための信号である。

運転手は、移動体を運転して、送電装置Ｓの設置場所まで移動体を移動させる。この結果、受電側制御部１６は、送電装置Ｓからの送電装置通知信号を受電側通信部１５を介して受け取る。そして、受電側制御部１６は、送電装置通知信号が入力されると、非接触給電システムを検査モードとして動作させる。検査モードとは、バッテリＢへの給電を開始する前に、受電装置Ｒが送電装置Ｓから受電可能な位置に存在するかを判断するための動作モードである。なお、検査モードにより給電可能であると判断された後に、バッテリＢへ給電するモードを給電モードとする。

非接触給電システムが検査モードである場合、受電側制御部１６は、まず、開閉器１３を開状態（オフ状態）にし、受電側電力変換器１２のフィルタ回路１２ｂとバッテリＢとの接続を開放する。そして、受電側制御部１６は、送電装置Ｓに送電を指示する旨の指示信号を送るよう受電側通信部１５を制御する。なお、受電側制御部１６は、検査モード（開閉器１３が開いている場合）では、給電モード（開閉器１３が閉じている場合）よりも低い電圧（例えば、１００Ｖ）で送電するように送電装置Ｓに指示することができる。また、受電装置Ｒは、指示信号を送信せずに、開閉器１３を開状態にしたことを意味する通知信号や送電装置通知信号の受信完了を意味する応答信号を送電装置Ｓに送ることもできる。送電装置Ｓは、通知信号を受信することにより、自発的に送電を開始することができる。また、送電装置Ｓは、応答信号を受信した場合には、受電装置Ｒが開閉器１３を開状態（オフ状態）にするまでに必要な時間を考慮し、所定時間経過後に、自発的に送電を開始することができる。

送電側制御部６は、送電側通信部５を介して、指示信号等を受け取り、チョッパ回路１ｂ及びインバータ回路２を駆動する。開閉器１３が開状態であるため、バッテリＢには電流が流れないが、受電側整流回路１２ａの出力端には、電圧が発生することになる。受電側制御部１６は、受電側電流/電圧センサ１４を介して、この電圧の値を取得する。

受電装置Ｒに発生する電圧（以下、検査電圧とする）は、送電装置Ｓが同じ電力を送っている場合、送電装置Ｓと受電装置Ｒとの位置ずれが小さいほど大きくなる。なお、位置ずれとは、電力効率が最大となる送電装置Ｓ（送電コイル３ａ）と受電装置Ｒ（受電コイル１１ａ）との位置関係からのずれである。電力効率とは、送電装置Ｓ内のある箇所での電力に対する受電装置Ｒ内のある箇所での電力の割合を示すものであり、例えば、送電装置Ｓへ供給される商用電源からの電力に対するバッテリＢへ供給される電力の割合を電力効率とすることができる。また、送電装置Ｓのインバータ回路２の入力の電力に対するバッテリＢへ供給される電力の割合を電力効率とすることもできる。この場合、インバータ回路２の入力の電力を求めるために、インバータ回路２の入力端に電流／電圧センサが設けられてもよいし、電流／電圧センサ４の値からインバータ回路２の入力端の電流／電圧が推定されてもよい。

送電装置Ｓから受電装置Ｒへの給電が可能になるためには、効率的な給電実現のために、電力効率が所望最小値以上である必要がある。電力効率が所望最小値になる位置ずれが存在し、この位置ずれに対応する検査電圧の値（給電可能しきい値）がある。位置ずれが小さいほど、検査電圧は大きくなるので、検査電圧が給電可能しきい値以上であれば、送電装置Ｓが受電装置Ｒへ給電できることになる。なお、受電側整流回路１２ａの出力電圧が脈動電圧である場合は、受電側制御部１６は、例えば、受電側整流回路１２ａの出力電圧の最大値や平均値を給電可能しきい値と比較することができる。

よって、受電側制御部１６は、受電側整流回路１２ａの出力電圧（検査電圧）が給電可能しきい値以上であるか判断する。受電側制御部１６は、検査モードにおいて、所定のタイムインターバルで送電装置Ｓからの送電による検査電圧と給電可能しきい値との比較を繰り替えして、送電装置Ｓと受電装置Ｒとが給電可能位置関係になっているか否か判断し、その結果を表示装置（図示略）に表示させる。

移動体の運転者は、表示装置の表示内容を参照して移動体を運転操作することにより、送電装置Ｓと受電装置ＲとがバッテリＢへの給電可能な位置関係となるように、停車させる。そして、受電側制御部１６は、送電装置Ｓと受電装置ＲとがバッテリＢへの給電可能な位置関係になったと判断すると、非接触給電システムを検査モードとして動作させる。具体的には、受電側制御部１６は、受電側通信部１５を介して、送電装置Ｓと受電装置ＲとがバッテリＢへの給電可能な位置関係となって、移動体が停車したことを、送電装置Ｓに通知する。さらに、受電側制御部１６は、開閉器１３を閉状態（オン状態）にする。

一方、送電装置Ｓの送電側制御部６は、バッテリＢへ給電可能となる電圧（例えば、３３０Ｖ）となるように、チョッパ回路１ｂ及びインバータ回路２を制御する。この際、受電側整流回路１２ａの出力電圧は、図３に示すよう変化する。

このような本実施形態によれば、受電側制御部１６は、受電側電力変換器１２のフィルタ回路１２ｂとバッテリＢとの接続が開放されるように開閉器１３を開き、送電装置Ｓからの送電による受電側整流回路１２ａの電圧が給電可能しきい値以上であるか判断する。これにより、カメラを用いることなく、送電装置Ｓと受電装置Ｒとが給電可能な位置関係であるかを判断することができる。また、検査モードで、開閉器１３が開いていることにより、送電装置Ｓと受電装置Ｒとの位置合わせ中に、バッテリＢへ意図しない電力が加わることがなくなり、バッテリＢの劣化を防ぐことができる。

また、本実施形態では、受電側制御部１６は、検査モードでは、給電モードよりも低い電圧で送電するように送電装置Ｓを制御することができる。検査モードでは、バッテリＢに充電することを目的としないため、送電装置Ｓは、バッテリＢに印加すべき電圧の電力を送る必要はない。一般的に、電圧が低いほど、回路を構成する素子への影響は小さくなる。そのため、検査モードにおける送電装置Ｓからの電力の電圧を低くすることにより、素子寿命を延ばすことが可能になる。

以上、本発明の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ることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態において、電圧変換器としてチョッパ回路１ｂを用いているが、非絶縁型の電圧変換器であるチョッパ回路１ｂに代わって、絶縁型の電圧変換器であるトランスを用いてもよい。また、上記実施形態において、送電側整流回路１ａや受電側整流回路１２ａとして、フルブリッジを用いたが、フルブリッジに代わってハーフブリッジを用いてもよい。また、上記実施形態において、受電側電力変換器１２は、受電側整流回路１２ａ及びフィルタ回路１２ｂから構成されているが、負荷装置に応じてフィルタ回路１２ｂの後段に電圧変換器を設けてもよい。

また、負荷装置としてバッテリＢを設けているが、バッテリＢ以外の直流負荷、あるいは交流負荷を設けてもよい。なお、交流負荷を設ける場合には、受電側電力変換器１２から交流電力が出力される構成にする必要がある。または、受電側整流器を無くして、駆動周波数の交流電力をそのまま負荷に接続してもよい。また、交流電源である商用電源を用いているが、直流電源を用いてもよい。なお、直流電源を設ける場合には、受電側電力変換器１２から送電側整流回路１ａを削除する必要がある。

（２）上記実施形態は、受電側整流回路１２ａの出力電圧に基づいて送電装置Ｓと受電装置Ｒとが給電可能位置関係となっているか否か判断したが、本発明はこれに限定されない。例えば、フィルタ回路１２ｂの出力電圧に基づいて送電装置Ｓと受電装置Ｒとが給電可能位置関係となっているか否か判断するようにしてもよい。また、受電側制御部１６は、受電側パッド１１の出力電圧に基づいて送電装置Ｓと受電装置Ｒとが給電可能位置関係となっているか否か判断してもよい。受電側パッド１１の出力電圧は交流電圧であるため、受電側制御部１６は、波高値や実効値等を求めることにより、しきい値と比較することができる。

Ｓ 送電装置
Ｒ 受電装置
Ｂ バッテリ（負荷装置）
１ 送電側電力変換器
２ インバータ回路
３ 送電側パッド
４ 送電側電流/電圧センサ
５ 送電側通信部
６ 送電側制御部
１１ 受電側パッド
１２ 受電側電力変換器
１３ 開閉器
１４ 受電側電流/電圧センサ
１５ 受電側通信部
１６ 受電側制御部
１ａ 送電側整流回路
１ｂ チョッパ回路
３ａ 送電コイル
１１ａ 受電コイル
１２ａ 受電側整流回路
１２ｂ フィルタ回路

Claims (4)

1. 送電装置から非接触で電力を受ける受電装置であって、
   前記送電装置からの電力を負荷装置に供給すべき電力に変換する電力変換器と、
   前記電力変換器と前記負荷装置との間に設けられた開閉器と、
   前記電力変換器と前記負荷装置との接続が開放されるように前記開閉器を開き、前記送電装置からの送電による前記電力変換器の電圧が給電可能しきい値以上であるか判断する制御部と
   を含む受電装置。
2. 前記開閉器が開いているときに前記送電装置から送られる電力の電圧は、前記開閉器が閉じているときに前記送電装置から送られる電力の電圧よりも低い、請求項１に記載の受電装置。
3. 前記電力変換器は、前記送電装置からの電力を整流する整流回路を有し、前記電力変換器の前記電圧は、前記整流回路の出力電圧である、請求項１または２に記載の受電装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の受電装置と、当該受電装置に非接触で電力を送る送電装置とを備える非接触給電システム。

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