JP2018095226A - 電動航空機充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】電動航空機の電池の減りが早い弱点を電池を交換する方法で補っても、また、ケーブルをつないで再充電する方法で補っても人手が要る。また、機械装置で自動化すると費用が大きくなる。【解決手段】電動航空機の機上搭載電池を充電するための電力を非接触電力伝送によって送電する方法を選び、電動航空機内の充電器５を軽くするために高周波送電装置側の高周波電流発生器３１と送電アンテナ３２の間に高周波電流制限回路３３を挿入した。【選択図】図１

Description

本発明は電動航空機の動力源である電池を充電するシステムに関する。

リチウムイオン電池は、その体積や重量に対する電力容量が他の電池に対して大きいことから、航空機の動力エネルギー源としても応用されるようになった。しかし、放電容量についてはまだ不十分で、１回の充電で飛行できる時間は限られている。そのため電池の充電を頻繁に行う必要があり、これが電池を動力源とする電動航空機の用途を拡げる上で１つのネックになっている。このネックを解消する方法として、電池の自動交換装置や空中充電システムが考案されている。前者はイスラエルのＡＩＲＯＢＯＴＩＣＳ社から、後者はエアバスグループのエズ社（ＥＡＤＳ）から各々公表されている。エズ社は特願２０１５−５４８５４９で特許出願を行っている。
上記の公表されている方法は、最近需要が増えているドローンの電池を充電するのに最適とは言えない。その理由の１つは設備が大きすぎること、また別の１つは、どのメーカーのドローンにも対応できる汎用性が乏しいことである。

電動航空機の電池の減りが早い弱点を電池を交換する方法で補っても、また、ケーブルをつないで再充電する方法で補っても、人手で行おうとすると常に人が待機していなければならない。また、仮に機械装置で自動的に行おうとすると装置の費用が大きくなる。
本発明は、再充電を人手をかけずに自動的に行うことができる簡素で安価な充電システムを提供することを目的としている。

上記目的を達成するために本発明は、再充電のための電力を非接触電力伝送によって送電する方法を選んだ。また、電動航空機内の充電器を軽くするために電流の制限を送電側でできるようにした。

請求項１記載の発明は、電動航空機の機上搭載電池を充電するために、地上に置かれた直流電源と所定の周波数の電波を送出する高周波送電装置と電動航空機に取り付けられた電波を電流に変換する受電アンテナと受電アンテナの電流を機上搭載電池に供給して充電する充電器からなる電動航空機充電システムにおいて、高周波送電装置が高周波電流発生器と、高周波電流を電波として空間に送出する送電アンテナと、高周波電流発生器と送電アンテナの間に挿入された高周波電流制限回路から構成される。

請求項２記載の発明は、送電アンテナを電動航空機の離着陸台の縁を周回する電線によって作り、電動航空機を離着陸台に着陸させて充電を行う。

請求項３記載の発明は、送電アンテナを離着台の離着面に渦巻状に周回する電線によって作り、電動航空機を離着陸台に着陸させて充電を行う。

請求項４記載の発明は、離着陸台の離着陸面にソーラーパネルを設置し、直流電源にソーラーパネルの発電する電力を供給する。

請求項５記載の発明は、電動航空機と高周波送電装置は互いに情報を交換する無線通信手段を備えており、コマンドの送受信により自動充電を行う。

請求項６記載の発明は、電動航空機と高周波送電装置はいずれもインターネット回線に接続できる手段を備えている。

請求項７記載の発明は、電動航空機がドローンである。

請求項８記載の発明は、受電アンテナをドローンのプロペラガードの外側に電線を巻いて作る。

本発明の電動航空機充電システムは、残量が少なくなってきた電池を取り外して別の電池を装着したり、再充電するためにケーブルを挿抜したりする力学的機構部分がないので、基本的にメインテナンスが容易である。また、充電回路の機能の１つである電流制御部を地上側の高周波送電装置側の高周波電流制限回路に代替させることで、電動航空機に搭載される充電器を軽量にすることができる。

本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。

図１は請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において、１は機上搭載電池、２は直流電源、３は高周波送電装置、４は受電アンテナ、５は充電器である。高周波送電装置３の中の３１は高周波電流発生器、３２は送電アンテナ、３３は高周波電流制限回路である。充電器５の中の５１〜５４はダイオード、５５はＭＯＳＦＥＴ、５６と５７は分圧抵抗、５８は制御回路、５９はダイオードである。直流電源２は商用交流電源から整流平滑して得られる直流でも良いし、電池でも良い。高周波電流発生器は所定の周期の短形波を発生するインバータでも良いし、所定の周期の正弦波発生器でも良い。

充電器５の中の制御回路５８は機上搭載電池１の充電電圧が所定の値に達するまでは、ＭＯＳＦＥＴ５５をオン状態に保ち、所定の値に達したらオフ状態にする。高周波電流制限回路３３は、リアクトル３３１とコンデンサ３３２の直列回路から構成されている。リアクトル３３１とコンデンサ３３２と送電アンテナ及び受電アンテナが図１の接続で構成されると共振点が図２に示したように２つできるが、それら２つの共振周波数の中間に高周波電流発生器３１の発振周波数がくるようにすることで、機上搭載電池に流れる充電電流を安定化させることができる。

高周波電流制限回路を１つ以上のリアクトルと１つ以上のコンデンサの組合わせで構成することもできる。例えば図３に示した回路でも良い。

高周波電流制限回路を抵抗器にしても、充電電流を制限することができる。ただし、電力損失がともなう。

高周波電流制限回路３３が地上側にあるので、電動航空機の充電器５は充電電流を安定化させる回路が不要となり簡素で軽量になる。

図４に受電アンテナ４と充電器５の実装図の例を示す。図４の示した例では薄くて軽量な基板（例えばフレキシブル基板）に、周囲は受電アンテナを配線し、中央に整流平滑回路と充電オンオフ回路を面実装部品で実装している。

図５は請求項２記載の発明の実施例を示す図である。
図において、６は離着陸台である。送電アンテナ３２の電線は四隅に立てられたポールの外側を周回している。

図６は請求項３記載の発明の実施例を示す図である。
図において、６は離着陸台、３２は送電アンテナである。

図７は請求項４記載の発明の実施例を示す図である。
図において、ソーラーパネル７は離着陸台６の離着陸面に水平に置かれている。

図８は請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。
図において、８は高周波送電装置の無線機、９は電動航空機の無線機である。一方の無線機から他方の無線機にコマンドが送られて自動充電が行われるが、最小限必要なコマンドは電動航空機側から発せられる「送電開始」と「送電停止」の２つである。高周波送電装置側は「送電開始」のコマンドにより送電を開始し、「送電停止」のコマンドにより送電を停止する。無線機として、インターネット回線にアクセス可能な、無線ＬＡＮやＷｉ−Ｆｉを使っても良い。

図９は請求項６記載の発明の実施例を示す図である。
図において、Ｇと記されたノードは公的なＩＰ管理団体が割り当てているグローバルＩＰであり、Ｐと記されているノードはプライベートＩＰである。図の８１は高周波送電装置の無線機８のプライベートＩＰであり、９１は電動航空機の無線機９のプライベートＩＰであるが、それらはグローバルＩＰを持つサーバーによって割り当てられていて、グローバルＩＰを介してインターネットに接続できる。プライベートＩＰの代りに直接インターネットに接続できるグローバルＩＰを割り当てても良い。

図１０は請求項８記載の発明の実施例を示す図である。
図において、１０はドローン、１０１〜１０４はプロペラガードを示しており、その周囲を受電アンテナ４が巻かれている。

産業上の利用の可能性

電動航空機は動力源としてリチウムイオン電池が応用されてから普及が拡がり、特にドローンは土木調査、荷物運搬、監視業務等の利用で需要が伸びている。しかし、度々充電を行う必要があり、無人化を難しくしている。一般的な電池では、１０分前後から数１０分で再充電が必要になるので、電池交換の作業も頻繁になる。

本発明の充電方式は電池の交換を必要としないので、無人化に必要な課題を１つ解決することになる。また、充電を放電電流の１０倍の電流で行えば、飛行時間の１０分の１で充電できるので、充電時間は１分前後から数分となり電池交換の時間ロスと大差が無くなる。

電動航空機に搭載する受電アンテナと充電器をなるべく軽量に作ることが求められるが、電流制限回路を地上に置かれる高周波送電装置に組込むことで軽量化がはかられている。また、受電アンテナは電波の周波数を上げることで軽量化をはかることが期待できるので、本発明の産業上の利用の可能性は高い。

請求項１記載の発明の実施例を示す回路図である。 図１の回路図における周波数と充電電流の関係を示すグラフである。 高周波電流制限回路の別の例を示す回路図である。 図１の回路図の受電アンテナと充電器の実装例を示す図である。 請求項２記載の発明の実施例を示す図である。 請求項３記載の発明の実施例を示す図である。 請求項４記載の発明の実施例を示す図である。 請求項５記載の発明の実施例を示す回路図である。 請求項６記載の発明の実施例を示す図である。 請求項８記載の発明の実施例を示す図である。

符号の簡単な説明

１ 機上搭載電池
２ 直流電源
３ 高周波送電装置
４ 受電アンテナ
５ 充電器
６ 離着陸台
７ ソーラーパネル
８、９ 無線機
１０ ドローン
３１ 高周波電流発生器
３２ 送電アンテナ
３３ 高周波電流制限回路
５１〜５４ ダイオード
５５ ＭＯＳＦＥＴ
５６、５７ 抵抗
５８ 制御回路
５９ ダイオード
８１、９１ インターネットのノード
１０１〜１０４ プロペラガード
３１１〜３１４ ＭＯＳＦＥＴ
３１５ 制御回路
３３１、３３６ リアクトル
３３２〜３３５ コンデンサ

Claims (8)

1. 電動航空機の機上搭載電池を充電するために、地上に置かれた直流電源と前記直流電源から直流電力が供給されて所定の周波数の電波を送出する高周波送電装置と前記電動航空機に取り付けられた前記高周波送電装置から送出される電波を電流に変換する受電アンテナと前記受電アンテナの電流を前記機上搭載電池に供給して充電する充電器からなる電動航空機充電システムにおいて、前記高周波送電装置が高周波電流発生器と高周波電流を電波として空間に送出する送電アンテナと前記高周波電流発生器と前記送電アンテナの間に挿入された高周波電流制限回路から構成されることを特徴とする電動航空機充電システム。
2. 前記送電アンテナを前記電動航空機の離着陸台の縁を周回する電線によって作り前記電動航空機を前記離着陸台に着陸させて充電を行うことを特徴とする請求項１記載の電動航空機充電システム。
3. 前記送電アンテナを前記電動航空機の離着陸台の離着陸面に渦巻状に周回する電線によって作り前記電動航空機を前記離着陸台に着陸させて充電を行うことを特徴とする請求項１記載の電動航空機充電システム。
4. 前記離着陸台の離着陸面にソーラーパネルを設置し、前記直流電源に前記ソーラーパネルの発電する電力を供給することを特徴とする請求項１ないし３記載の電動航空機充電システム。
5. 前記電動航空機と前記高周波送電装置はいずれも無線通信手段を備えており、コマンドの送受信により自動充電を行うことを特徴とする請求項１ないし４記載の電動航空機充電システム。
6. 前記電動航空機と前記高周波送電装置はいずれもインターネット回線に接続する手段を備えていることを特徴とする請求項１ないし５記載の電動航空機充電システム。
7. 前記電動航空機がドローンであることを特徴とする請求項１ないし６記載の電動航空機充電システム。
8. 前記受電アンテナを前記ドローンのプロペラガードの外側に電線を巻いて作ることを特徴とする請求項７記載の電動航空機充電システム。

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