JP2018125927A - 非接触受電装置及び非接触給電システム並びに電動車両 - Google Patents

Abstract

【課題】普通充電及び急速充電の両方に対応できる非接触受電装置及び非接触給電システム並びに電動車両を提供する。【解決手段】送電コイル３１を具備する送電装置３０の前記送電コイルに対向して配置される受電コイルを具備する非接触受電装置１０であって、前記受電コイル１１に対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備し、前記コンデンサがオフされた状態又は低容量に調整された状態で、前記受電コイル１１に対して近接配置された急速充電用送電コイル３１との間で急速充電を行い、前記コンデンサがオンされた状態又は大容量に調整された状態で、前記受電コイル１１に対して所定のギャップを介して対向に位置された普通充電用送電コイルとの間で普通充電を行う。【選択図】図１

Description

本発明は、電気自動車やハイブリッド自動車に搭載される非接触受電装置及び非接触給電システム並びに電動車両に関する。

近年、電気モータにより走行する電気自動車や、電気モータ及びエンジンの併用により走行するハイブリッド自動車が種々開発されている。このような電気自動車やハイブリッド自動車に搭載されるバッテリへの給電システムとしては、導体接点を持つコンダクティブ方式のシステムが主流である。車両側には、普通充電用インレット及び急速充電用インレットの両方が搭載される。

一方、導体接点を持たないワイヤレス（非接触）給電システムが開発されている。例えば、非接触給電システムで充電を行う電気自動車にあっては、所定の位置に車両を駐車し、地上側に設けられた一次側コイルと、車両側に設けられた二次側コイルとを対向させて、一次側コイルに交流電流（高周波電流）を流すと一次側コイルと二次側コイルが磁気結合され、二次側コイルに高周波電流が流れる。受電した電流を直流に変換してバッテリ（電池）に充電するものである。よって、特に、電磁誘導方式の場合、一次側コイルと二次側コイルとの位置ズレが大きい場合、充電効率が著しく低下する場合がある。

特開平８−３３１１２号公報

また、非接触充電の場合、磁界共鳴方式を採用して普通充電（出力７．７ｋＷ）用の装置を設計すると、送受デバイス間のギャップを１００ｍｍ〜２５０ｍｍとして、約９０％の効率で給電が見込めるが、普通充電であるので、充電に時間がかかるという問題がある。一方、同様に磁界共鳴方式で急速充電（出力５０ｋＷ）用の装置を設計すると、ギャップを空けるとデバイス周辺電磁界強度が高くなり、車体周囲の人体に対して総務省が掲げる電波防護指針を満足できないという問題がある。よって、急速充電のためには、他の非接触充電用の二次側装置やコンダクティブ方式の急速充電用インレットを設ける必要があるなどの問題がある。

本発明は、このような事情に鑑み、普通充電及び急速充電の両方に対応できる非接触受電装置及び非接触給電システム並びに電動車両を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、送電コイルを具備する送電装置の前記送電コイルに対向して配置される受電コイルを具備する非接触受電装置であって、前記受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備し、前記コンデンサがオフされた状態又は低容量に調整された状態で、前記受電コイルに対して近接配置された急速充電用送電コイルとの間で急速充電を行い、前記コンデンサがオンされた状態又は大容量に調整された状態で、前記受電コイルに対して所定のギャップを介して対向に位置された普通充電用送電コイルとの間で普通充電を行うことを特徴とする非接触受電装置にある。

かかる態様によれば、受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備するので、普通充電及び急速充電の両方に対応できる非接触受電装置が実現できる。

ここで、例えば、前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続されるコンデンサと、前記コンデンサの接続をオンオフするスイッチとを具備する。
また、例えば、前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続される可変容量コンデンサを具備する。

本発明の他の態様は、送電コイルを具備する送電装置と、前記送電コイルに対向して設けられる受電コイルを具備する受電装置とを備え、前記送電装置から前記受電装置へ給電が行われる非接触給電システムであって、前記受電装置は、前記受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備し、前記送電装置は、前記受電コイルと近接して対向配置される第１送電コイルを具備する第１送電装置と、前記受電コイルと所定のギャップを介して対向配置される第２送電コイルを具備する第２送電装置とを具備し、前記コンデンサがオフされた状態又は低容量に調整された状態で、前記受電装置の受電コイルに対して前記第１送電コイルを近接して対向配置して急速充電を行い、前記コンデンサがオンされた状態又は大容量に調整された状態で、前記受電装置の受電コイルに対して前記第２送電コイルを所定のギャップを介して対向配置して普通充電を行うことを特徴とする非接触給電システムにある。

かかる態様によれば、受電装置が、受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備し、一方、送電装置が、急速充電用送電コイル及び普通充電用送電コイルを具備するので、受電コイルと送電コイルとを近接配置した急速充電と、両者を所定のギャップを介して配置した普通充電とに対応できる非接触給電システムが提供できる。

ここで、例えば、前記受電装置は、前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続されるコンデンサと、前記コンデンサの接続をオンオフするスイッチとを具備する。

また、例えば、前記受電装置は、前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続される可変容量コンデンサを具備する。
また、例えば、前記第２送電装置がインピーダンス整合回路を具備する。

さらに、本発明の他の態様は、前記態様の非接触受電装置を搭載した電動車両であって、前記受電コイルの下方に、前記急速充電用送電コイルを前記受電コイルに近接して載置するためのトレイを具備することを特徴とする電動車両にある。

かかる態様によれば、受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備する受電装置を搭載しているので、普通充電用の送電コイルに対して所定のギャップを介して受電コイル配置した状態で、普通充電が可能であり、また、前記トレイ上に急速充電用送電コイルを搭載して受電コイルと近接配置することにより、急速充電が実現できる。

ここで、例えば、前記トレイは、側方に引き出し可能であるのが好ましい。

また、前記トレイは、前記受電コイルの下方から側方に延設され、その上面には、載置された前記急速充電用送電コイルを前記延設方向に移動する移動手段を具備するのが好ましい。

かかる本発明によれば、受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備するので、普通充電及び急速充電の両方に対応できる非接触受電装置が実現でき、また、受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備する受電装置により、普通充電用の送電コイルに対して所定のギャップを介して受電コイル配置した状態で、普通充電が可能で、急速充電用送電コイルと受電コイルと近接配置することにより、急速充電が実現できるという効果を奏する。

本発明の実施形態１に係る非接触受電装置及びそれを備えた電動車両、並びに非接触給電システムの一例を示す外観図である。 非接触受電装置及びそれを備えた電動車両、並びに非接触給電システムの外観図である。 本発明の実施形態１に係る急速充電の手順を説明する図である。 本発明の実施形態１に係るトレイの構成を示す図である。 本発明の実施形態１に係る急速充電用送電コイル及び受電コイルの構造を示す模式図及び回路図である。 本発明の実施形態１に係る普通充電用送電コイル及び受電コイルの構造を示す模式図及び回路図である。 本発明の実施形態２に係る送電コイル及び受電コイルの構造を示す回路図である。

（実施形態１）
以下、本発明の実施形態１に係る非接触受電装置及びそれを備えた電動車両、並びに非接触給電システムについて、図面を参照して詳細に説明する。

図１、図２は、本実施形態に係る非接触受電装置を備えた電動車両及び非接触給電システムの一例を示す外観図であり、図１は、急速充電状態、図２は、普通充電状態を示す。

なお、本実施例では、電動車両１としては、駆動用リチウムイオンバッテリを有する電気自動車やプラグインハイブリッド車等が適用可能であるが、以降の説明では、電気自動車を前提にして説明を行う。

本実施形態に係る電動車両１は、走行用電動機（モータ）２及びＤＣ／ＡＣインバータ３を具備し、インバータ３には、駆動用バッテリ４が接続され、駆動用バッテリ４の電力によって走行用モータ２を駆動するようになっている。

駆動用バッテリ４には、充電回路６が接続され、充電回路６には、本実施形態の非接触受電装置１０が接続されている。

非接触受電装置１０の受電コイル１１は、電動車両１の後端部、幅方向ほぼ中央の下端部に下方に向けて載置されている。受電コイル１１の詳細は後述するが、非接触状態で、急速充電（図１参照）及び普通充電（図２参照）に対応するものである。なお、受電コイル１１の下方には、幅方向中央の受電コイル１１の下方から幅方向側端部まで延設されたスライド式トレイ２０（以下「トレイ」という）が設けられている。トレイ２０は、急速充電用送電コイル３１を載置するものであり、詳細は後述するが、トレイ２０を介して、急速充電用送電コイル３１を受電コイル１１に正確に相対向させ、且つ近接した状態で載置できるようになっている。

急速充電用送電コイル３１は、ケーブル３２を介して非接触送電装置３０の充電設備３３に接続されている。

ここで、急速充電の手順を説明しながら、本実施形態の非接触受電装置１０及びトレイ２０についてさらに詳細に説明する。

図３及び図４に示すように、トレイ２０は、受電コイル１１の下方に固定された固定トレイ２１と、固定トレイ２１に対して電動車両１の幅方向外側に移動可能な移動トレイ２２とを具備する。移動トレイ２２は、非充電時には固定トレイ２１に収納された状態であるが（図３（ａ）参照）、急速充電時には電動車両１の側方に引き出され（図３（ｂ）参照）、引き出された移動トレイ２２の端部に非接触送電装置３０の急速充電用送電コイル３１が載置できるようになっている。そして、固定トレイ２１は、回転自在のロール（コロ）を電動車両１の幅方向に複数併設した移動手段２３を具備し、急速充電用送電コイル３１を移動手段２３を介して受電コイル１１と正確に相対向する位置まで移動可能となっている。

図３（ｃ）の状態では、受電コイル１１と急速充電用送電コイル３１とが近接して相対向しており、受電コイル１１と急速充電用送電コイル３１とが電磁誘導方式で結合し、非接触方式で充電が可能となる。急速充電では、一次側コイルと二次側コイルとが近接して、且つ中心軸も正確に相対しているので、発生した交番磁束は優先的に、磁気回路内へ取り込まれる。よって、外部空間への磁気漏れは少ない。

なお、固定トレイ２１、移動トレイ２２、移動手段２３は、図２に示す普通充電状態では、普通充電用送電コイル３５と受電コイル１１との間に存在することになるので、磁力線を吸収、遮断しないような材料とする必要があり、例えば、硬質樹脂やガラス繊維補強プラスチック（ＦＲＰ）などで構成する。ちなみに、強磁性体や導電性金属を用いることはできない。

ここで、急速充電用送電コイル３１及び受電コイル１１の構造を示す模式図及び回路図を図５に示す。

図５（ａ）に示すように、急速充電用送電コイル３１及び受電コイル１１は、変圧器の磁気コアを一次側と二次側とで分離した構造となり、一次側に対応する急速充電用送電コイル３１は、磁気コア３１１及びコイル３１２とを具備し、二次側に対応する受電コイル１１は、磁気コア１１１とコイル１１２とを具備する。

さらに詳言すると、磁気コア３１１と磁気コア１１１とは、変圧器の一次側磁気コアと二次側磁気コアとに対応し、磁気コア３１１と磁気コア１１１とはほぼ同一の構造を有する。また、コイル３１２とコイル１１２とは一次側コイルと二次側コイルとに対応する。

このような構成により、一次側のコイル３１２に交流電圧を加えると、一次側のコイル３１２と、二次側のコイル１１２とは、磁気コア３１１及び磁気コア１１１を貫く磁力線を共有することになり、また、磁気コア３１１及び磁気コア１１１は、磁束がループ状に通る磁気回路を形成する。このとき、磁力線は、非透磁率の高い磁気コア３１１、１１１を主体に取り込まれるので、それ以外の漏れ磁束が十分に小さい磁気回路として形成される。これにより、一次側のコイル３１２に電圧を加えると、一次側のコイル３１２と、二次側のコイル１１２とで相互電磁誘導作用が生じ、コイル３１２とコイル１１２との巻き数の比に比例した電圧が二次側のコイル１１２に誘起され、二次側のコイル１１２に電流が流れる。

なお、磁気コア３１１及び１１１の構造を、コイル３１２及び１１２が巻回される中心コアとこれを囲む部分とからなる構成としたが、これに限定されるものではなく、部材とからなり、一次側のコイル３１２と、二次側のコイル１１２とが、磁気コア３１１及び１１１を貫く磁力線を共有し、漏れ磁束が十分に小さい磁気回路が形成される構造であれば、特に限定されない。

このような急速充電用送電コイル３１及び受電コイル１１の電力伝送に関係する概略回路を示したのが、図５（ｂ）である。

急速充電用送電コイル３１は、コイル３１２に高周波交流電源装置３１３を接続した構成であり、受電コイル１１は、コイル１１２に、並列にコンデンサ１１３及びスイッチ１１４を接続し、さらに、これらに負荷回路１１５を接続した構成となる。

図５（ａ）の急速充電用送電コイル３１と近接して対向させて、急速充電を行う場合には、受電コイル１１のスイッチ１１４は、解放した（オフ）状態で使用される。よって、二次側の受電コイル１１では、共振回路は形成されない。

このような電磁誘導方式による結合により、５０ｋＷの急速充電に対応することができる。

次に、図２の普通充電に対応する、普通充電用送電コイル３５及び受電コイル１１の構造を示す模式図及び回路図を図６に示す。

図６（ａ）（ｂ）に示すように、車両側の受電コイル１１の構成は図５と同一であるが、普通充電用送電コイル３５は、磁気コア３５１とコイル３５２とを具備し、さらに、インピーダンス整合回路３５３と、高周波交流電源装置３５４とを具備する構成としている。

コア３５１は、コイル３５２を貫通する部分のみからなるので、受電コイル１１と相対向させても、図５の構成とは異なり、磁気コア３５１と磁気コア１１１とは、コイル３５２、１１２を共通で貫く磁力線が十分なループを形成せず、空中に解放されることにより、漏えい磁束が多い構造の巻き線構造となる。弱い磁気結合である。

よって、これだけでは十分な変圧器として機能しないが、受電コイル１１のスイッチ１１４を閉じて（オン）使用することにより、二次側の受電コイル１１に共振回路が形成される。

一方、二次側の共振に合わせて、一次側のインピーダンス整合回路３５３のパラメータまたは高周波交流電源装置３５４の送出電力周波数を変化させることで一次側のコイル３５２と二次側のコイル１１２とを総合した回路の整合を得ることにより、一次側のコイル３５２と二次側のコイル１１２とには共鳴結合が生成でき、磁界共鳴方式で結合できる。このように共鳴結合した状態では、共振のＱ値が高いので磁力線の共有結合が弱い状態を補う結合が得られ、一次側のコイル３５２と、二次側のコイル１１２の間で、電力伝送が行われる。

この場合、普通充電用送電コイル３５と受電コイル１１とのギャップは、１００ｍｍ〜２５０ｍｍ程度とることができ、図２に示すように、普通充電用送電コイル３５は、地上、又は地上に設けた凹部中に設置するこことができる。なお、図２の普通充電用送電コイル３５は、図示しない充電設備３３（図１参照）に接続されている。

このような磁界共鳴方式で接続した普通充電用送電コイル３５と受電コイル１１との間では、ギャップを上述したとおり、１００ｍｍ〜２５０ｍｍ程度としても、９０％の給電が見込め、７．７ｋＷの普通充電に対応することができる。

以上に示したように、電動車両１に非接触受電装置１０を搭載し、スイッチ１１４の開閉を切り換えるだけで、一次側の急速充電用送電コイル３１と近接して急速充電する場合と、一次側の普通充電用送電コイル３５と所定のギャップをおいて離隔して使用して普通充電する場合との両立を図ることができる。ただし、急速充電と普通充電は、同時には行えず、どちらか一つを行う排他的な関係である。

（実施形態２）
図７には、実施形態２に係る非接触給電システムの要部を示す概略回路図を示す。なお、上述した実施形態と同一部材には同一符号を伏して、重複する説明は省略する。

図７に示すように、本実施形態の受電コイル１１Ａは、実施形態１のコンデンサ１１３及びスイッチ１１４の替わりに、容量が可変できる可変コンデンサ１１３Ａを具備する。

一方、一次側の送電コイル３７は、コイル３７１と高周波交流電源装置３７２とを具備する。

このような回路構成は、調相結合トランスと同様となり、コイル３７１とコイル１１２とが近接（密着）しても、所定のギャップだけ隔離した状態でも、効率よくエネルギーを移送することが可能となる。

すなわち、一次側の送電コイル３７の高周波交流電源装置３７２の発振周波数をｆ、二次側のコイル１１２のインダクタンスＬを、可変コンデンサ１１３Ａの静電容量をＣ、結合係数をｋとすると、この際のＬＣの関係が、式１のようになるよう可変コンデンサ１１３Ａの静電容量Ｃを設定することで、効率よくエネルギーを移送することが可能となる。また、この際、静電容量Ｃを固定とし、式１に沿ってｋの変動に合わせてｆやＬを調整しても同じ結果が得られることにあることは明らかである。

［数１］
ｆ＝1/2π√{（1−k²）LC} ・・・・・・・ 式１

１ 電動車両
２ 走行用電動機（モータ）
３ ＤＣ／ＡＣインバータ
４ 駆動用バッテリ
１０ 非接触受電装置
１１ 受電コイル
２０ トレイ
３０ 非接触送電装置
３１ 急速充電用送電コイル
３３ 送電設備
３５ 普通充電用送電コイル
１１１ 磁気コア
１１２ コイル
１１３ コンデンサ
１１３Ａ 可変コンデンサ
１１４ スイッチ
３１１ 磁気コア
３１２ コイル
３１３、３５４、３７２ 高周波交流電源装置

Claims (10)

1. 送電コイルを具備する送電装置の前記送電コイルに対向して配置される受電コイルを具備する非接触受電装置であって、
   前記受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備し、
   前記コンデンサがオフされた状態又は低容量に調整された状態で、前記受電コイルに対して近接配置された急速充電用送電コイルとの間で急速充電を行い、
   前記コンデンサがオンされた状態又は大容量に調整された状態で、前記受電コイルに対して所定のギャップを介して対向に位置された普通充電用送電コイルとの間で普通充電を行う
   ことを特徴とする非接触受電装置。
2. 前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続されるコンデンサと、前記コンデンサの接続をオンオフするスイッチとを具備することを特徴とする請求項１に記載の非接触受電装置。
3. 前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続される可変容量コンデンサを具備することを特徴とする請求項１に記載の非接触受電装置。
4. 送電コイルを具備する送電装置と、前記送電コイルに対向して設けられる受電コイルを具備する受電装置とを備え、前記送電装置から前記受電装置へ給電が行われる非接触給電システムであって、
   前記受電装置は、前記受電コイルに対して並列に接続され且つオンオフ可能か又は容量が可変なコンデンサを具備し、
   前記送電装置は、前記受電コイルと近接して対向配置される第１送電コイルを具備する第１送電装置と、前記受電コイルと所定のギャップを介して対向配置される第２送電コイルを具備する第２送電装置とを具備し、
   前記コンデンサがオフされた状態又は低容量に調整された状態で、前記受電装置の受電コイルに対して前記第１送電コイルを近接して対向配置して急速充電を行い、
   前記コンデンサがオンされた状態又は大容量に調整された状態で、前記受電装置の受電コイルに対して前記第２送電コイルを所定のギャップを介して対向配置して普通充電を行う
   ことを特徴とする非接触給電システム。
5. 前記受電装置は、前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続されるコンデンサと、前記コンデンサの接続をオンオフするスイッチとを具備することを特徴とする請求項４に記載の非接触給電システム。
6. 前記受電装置は、前記受電コイルが、磁気コアを具備し、前記受電コイルに対して並列に接続される可変容量コンデンサを具備することを特徴とする請求項４に記載の非接触給電システム。
7. 前記第２送電装置がインピーダンス整合回路を具備することを特徴とする請求項４〜６の何れか一項に記載の非接触給電システム。
8. 請求項１〜３の何れか一項の非接触充電装置を搭載した電動車両であって、前記受電コイルの下方に、前記急速充電用送電コイルを前記受電コイルに近接して載置するためのトレイを具備することを特徴とする電動車両。
9. 前記トレイは、側方に引き出し可能であることを特徴とする請求項８記載の電動車両。
10. 前記トレイは、前記受電コイルの下方から側方に延設され、その上面には、載置された前記急速充電用送電コイルを前記延設方向に移動する移動手段を具備することを特徴とする請求項８又は９記載の電動車両。

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