JP3921589B2

JP3921589B2 - 非接触給電装置

Info

Publication number: JP3921589B2
Application number: JP2002001741A
Authority: JP
Inventors: 秀樹綾野; 博美稲葉; 育男大和
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-01-08
Filing date: 2002-01-08
Publication date: 2007-05-30
Anticipated expiration: 2022-01-08
Also published as: JP2003204637A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触給電装置に係り、特に、１次側コアと２次側コアが互いに非接触状態にある給電トランスを用いて２次電池等を給電するに好適な非接触給電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触給電装置としては、例えば、インバータなどの電力変換装置を備えた充電装置と、充電装置からの電力を伝達する給電トランスと、給電トランスの出力を整流して２次電池に出力する整流器とを備えたものが知られている。この種の非接触給電装置においては、給電トランスの１次側コアと２次側コアとが互いに非接触状態にあるため、トランスの２次側を整流器や２次電池とともに搬送車などの移動体に配置し、給電トランスの１次側と充電装置を特定の充電ポイントに配置し、充電が必要なときに給電トランスの１次側と２次側とを近接配置し、充電装置からの電力を給電トランスと整流器を介して２次電池に蓄積することができる。
【０００３】
２次電池に電力が十分に蓄えられた状態（満充電の状態）になった場合には、２次電池への充電を停止する必要がある。すなわち、２次電池が満充電になった状態でも充電を停止せずに過度に電力を供給し続けると、エネルギー損失が多くなるばかりか、２次電池の寿命も低下することになる。さらには、２次電池を破損させる恐れもある。このため、２次電池が満充電状態になったときには、２次電池への充電を停止する必要があるが、従来の非接触給電装置では、給電トランスの１次側と２次側が非接触状態にあるため、２次電池の充電状態を給電トランスの１次側に伝達することが困難である。
【０００４】
これを解決する方法として、例えば、特開平８−２６５９８６号公報（以下、従来技術１と称する。）に記載されているように、２次電池の充電情報を無線を用いて充電装置側に伝達するようにしたものが提案されている。また、特開２０００−３７０４６号公報（以下、従来技術２と称する。）に記載されているように、電池の充電情報ではないが、非接触給電装置における２次側装置の存在を検出する方法として、放射コイルから放射される交流磁界や発光手段を使用する方式が提案されている。さらに、特開２０００−１９７２７５号公報（以下、従来技術３と称する。）に記載されているように、２次電池の満充電情報を伝達する方法として、給電トランスの２次側巻線と２次側整流平滑回路との間に、充電制御用トランジスタと補助コイルからなる並列回路を直列に挿入し、２次電池を充電するときには充電制御用トランジスタをオンにして補助コイルの両端を短絡し、２次電池の満充電時には、トランジスタをオフにして給電トランスと整流ダイオードとの間に補助コイルを挿入し、整流ダイオードがオフするときの整流ダイオードの逆回復特性により大きなサージ電圧を発生させ、このサージ電圧をトランス１次側に伝達する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来技術では、２次電池の充電情報を１次側に伝達するに際して無線を用いているため、ノイズなどにより誤動作を起こす可能性がある。また無線設備を新たに加える必要があるので、装置の大型化およびコストの増加を避けることができない。
【０００６】
一方、従来技術２では、放射コイルを使用しているため、周辺機器に電子障害を与える可能性があり、発光手段を使用した場合には、塵などの影響で誤動作する可能性がある。さらに、放射コイルや受光手段を新たに設ける必要があるので、装置の大型化とともにコストの増加は避けられない。
【０００７】
また、従来技術３では、給電トランスを媒介にして電池情報を伝達するようにしているため、給電トランスを電力伝達手段および電池情報伝達手段として共用することができる。
【０００８】
しかし、補助コイルを使用する必要があり、その分装置が大型化することになる。しかも、補助コイルのインダクタンスの大きさによっては、過度なサージ電圧が発生する可能性があり、サージ電圧の大きさによっては２次電池や整流素子が破損する恐れがあり、寿命の低下を引き起こす可能性がある。
【０００９】
本発明の課題は、給電対象に対する給電を停止する必要が生じたときに、給電対象の給電情報を、簡単な構成で給電トランスの１次側に伝達して給電対象に対する給電を制御することができる非接触給電装置を提供することにある。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
また、本発明は、１次側巻線が巻き付けられた１次側コアと２次側巻線が巻き付けられた２次側コアが互いに非接触状態にあって、電力供給源から前記１次側巻線に供給される電力を前記２次側巻線へ伝達する給電トランスと、前記給電トランスの出力を整流する整流器と、前記整流器の出力電力を蓄積する給電対象の充電状態を検出する充電状態検出器と、前記２次側コアに巻き付けられた２次側補助巻線と、前記２次側補助巻線の両端に接続されて前記２次側補助巻線の両端をスイッチング動作により短絡または開放するスイッチと、前記充電状態検出器の検出出力に応じて前記スイッチをスイッチング動作させて前記給電トランスの給電機能を制限するスイッチ制御器と、前記１次側巻線の電流の変動を検出する状態変化検出器と、前記状態変化検出器の検出出力に応答して前記電力供給源から前記給電トランスに供給される電力を制御する電力制御器とを備えてなる非接触給電装置を構成したものである。
【００１８】
前記各非接触給電装置を構成するに際しては、以下の要素を付加することができる。
【００１９】
（１）前記スイッチは、抵抗を介して前記２次側巻線または前記２次側補助巻線に直列接続されてなる。
【００２０】
（２）前記スイッチは、前記充電状態検出器の検出出力に応じてスイッチの周波数を可変に制御してなる。
【００２１】
（３）前記充電状態検出器は、前記２次電池が満充電または満充電近くになったときに検出出力を発生し、前記電力制御器は、前記状態変化検出器の検出出力に応答して前記給電トランスへの電力の供給を停止してなる。
【００２２】
（４）前記状態変化検出器の一要素として、前記１次側コアに巻き付けられた１次側補助巻線を用いてなる。
【００２３】
前記した手段によれば、給電トランスの２次側コアに巻き付けられた２次側補助巻線に、充電状態検出器の検出出力に応じた充電状態信号を印加し、この充電状態信号を給電トランスの１次側に伝達するようにしたので、整流器や２次電池に悪影響を与えることなく、充電情報を給電トランスの１次側に伝達することができ、給電対象、例えば、２次電池に対する電力の供給を円滑に制御することができる。また、給電トランスには２次側補助巻線を巻き付ければよく、無線機器などが不要であるため、装置が大型化するのを抑制することができ、装置の小型化、低コスト化に寄与することができる。
【００２４】
また、前記した手段によれば、２次側補助巻線の両端または２次側巻線の両端に接続されたスイッチのスイッチング動作により、２次側補助巻線の両端または２次側巻線の両端を短絡または開放し、給電トランスの給電機能を制限するようにしたため、整流器や２次電池に悪影響を与えることなく、給電対象としての２次電池の充電状態を１次側に伝達することができ、給電対象（２次電池）に対する電力の供給を円滑に制御することができる。この場合、給電トランスに２次側補助巻線を巻き付けるだけでよく、無線機器などが不要であるため、装置が大型化するのを抑制することができ、装置の小型化、低コスト化に寄与することができる。
【００２５】
また、給電対象（２次電池）が満充電状態または満充電状態に近くなったときには、給電対象（２次電池）に対する電力の供給を停止させることで、給電対象（２次電池）を保護することができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。図１は本発明の参考例の非接触給電装置のブロック構成図、図２は図１に示す非接触給電装置の等価回路図である。図１および２において、非接触給電装置は、充電装置１０、給電トランス１２、電圧源１４、整流器１６、電流検出器２０、充電状態検出器２２、電流検出器２４、フィルタ２６、信号検出回路２８を備えて構成されており、整流器２０は、給電対象としての２次電池に接続されている。
【００２７】
充電装置１０は、商用電源あるいはバッテリーなどの電力供給源に接続されており、電力制御器としてインバータなどの電力変換装置を内蔵している。この電力変換装置は、電圧ピーク値あるいは周波数を変換することにより、給電トランス１２に供給する電力を制御できるように構成されている。
【００２８】
給電トランス１２は、フェライトなどの磁性体コアからなる１次側コア３０と１次側コア３２とが互いに非接触状態で配置されており、１次側コア３０と２次側コア３２との間には空隙あるいは磁性体よりも透磁率が低い物質が存在している。１次側コア３０には１次側巻線３４が巻き付けられており、２次側コア３２には２次側巻線３６と２次側補助巻線３８が巻き付けられている。１次側巻線３０の両端は充電装置１０に接続され、２次側巻線３６の両端は整流器１６に接続され、２次側補助巻線３８の両端は電圧源１４に接続されている。１次側巻線３４には充電装置１０から交流電力が供給されており、この電力の供給に伴って、１次側コア３０から２次側コア３２に磁束が伝達され、１次側の電力が伝達されて２次側に供給されるようになっている。この給電トランス１２は、図２の等価回路で示すように、励磁インダクタンスＭ、１次側の漏れインダクタンスｌ１、２次側の漏れインダクタンスｌ２、ｌ２’の成分で表される。
【００２９】
給電トランス１２の２次側から出力される電力は整流器１６によって整流されて直流電力に変換され、この直流電力は２次電池１８に蓄積される。２次電池１８としては、例えば、リチウム−イオン電池やニッケル−水素電池などが用いられている。なお、給電対象としては、２次電池１８の代わりに、コンデンサなどの蓄電可能な媒体を用いることもできる。
【００３０】
２次電池１８には、電流検出器２０により検出した２次電池に入出力する電流の検出結果と２次電池１８の電圧の検出結果から充電状況を計算する充電状態検出器２２が設けられている。充電状態検出器２２は、２次電池１８が満充電状態または満充電に近くなったことを検出したときに、電圧源１４を動作させるためのトリガとなるトリガ信号を電圧源１４に出力するように構成されている。
【００３１】
電圧源１４は、信号発生器として、充電状態検出器２２からトリガ信号が出力されたときに、このトリガ信号に応答して、２次電池１８の充電状態に応じた充電状態信号を抵抗あるはインダクタンスを介して２次側補助巻線３８に印加するように構成されている。この充電状態信号としては、充電装置１０から給電トランス１２に入力される信号の周波数とは異なる信号が用いられている。
【００３２】
例えば、充電装置１０から給電トランス１２に出力される信号の周波数が１００ｋＨｚのときには、充電状態信号の周波数としては、例えば、１０ｋＨｚ、または１ＭＨｚなどの周波数が用いられる。この充電状態信号により流れる電流は、２次側巻線３６に流れる電流よりも小さく設定されており、２次側補助巻線３８を２次側コア３２に巻き付けることによって給電トランス１２が大型化するのを抑制することができる。さらに電圧源１４から発生する熱も抑制することができ、電圧源１４における放熱対策は不要になる。電圧源１４からの充電状態信号が２次側補助巻線３８に印加されると、この充電状態信号は１次側コア１０と２次側コア３２との磁気結合に伴って１次側に伝達される。
【００３３】
給電トランス１２の１次側には、１次側巻線３４に充電状態信号が重畳したことを検出する状態変化検出器として、電流検出器２４、フィルタ２６、信号検出回路２８が設けられている。電流検出器２４は１次側巻線３４に流れる電流を検出し、フィルタ２６に出力するようになっている。フィルタ２６は充電状態信号の周波数成分、例えば、１０ｋＨｚまたは１ＭＨｚの信号成分のみを通過させ、充電状態信号を信号検出回路２８に出力するようになっている。信号検出回路２８は、フィルタ２６から充電状態信号を入力したときには、充電装置１０に対して充電を停止させるための電流制御信号を出力するようになっている。この場合、充電装置１０は、信号検出回路２８から電流制御信号が入力されたときには、給電トランス１２に対する電力の供給を即座に停止して充電動作を終了するようになっている。
【００３４】
上記構成において、２次電池１８が満充電状態になっていないときには、充電装置１０の充電動作により、電力供給源からの電力が給電トランス１２に供給される。この電力は２次側に伝達されたあと整流器１６によって直流電力に変換され、この直流電力によって２次電池１８に対する充電が行われる。このような動作が継続されている過程で、２次電池１８が満充電状態または満充電状態に近くなったことが検出されると、充電状態検出器２２から電圧源１４に対してトリガ信号が出力され、電圧源１４から２次側補助巻線３８に対して充電状態信号が印加される。この充電状態信号が給電トランス１２の１次側に伝達され、充電状態信号が電流検出器２４、フィルタ２６によって検出されると、信号検出回路２８から充電装置１０に対して電流制御信号が出力され、充電装置１０による充電動作が即座に停止される。
【００３５】
充電装置１０による充電動作が停止されると、２次電池１８に対する充電動作が停止されたことが電流検出器２０によって検出され、充電状態検出器２２から電圧源１４に対して電圧源１４の動作を停止させるためのトリガ信号が出力され、電圧源１４の動作が停止する。
【００３６】
本参考例によれば、２次電池１８が満充電または満充電に近くなったときには、電圧源１４から２次側補助巻線３８に充電状態信号を印加し、この充電状態信号を給電トランス１２の１次側に伝達し、充電装置１０による充電動作を停止させるようにしたため、整流器１６や２次電池１８に悪影響を与えることなく、２次電池１８に対する充電動作を停止させることができる。
【００３７】
また、２次電池１８に対する不要な電力の供給を停止するできるため、省エネルギー化を図ることができるとともに、２次電池に対する過度な電力供給を防止することができ、２次電池の寿命を伸ばすことができる。
【００３８】
また、電圧源１４としては小電力のものを用いることができるため、小型且つ安価に構成することができる。
【００３９】
図 1 の参考例においては、充電動作を停止させるときに、電圧源１４から充電状態信号を出力するものについて述べたが、電圧源１４から出力する信号の電圧の振幅や周波数を可変にすることにより、充電装置１０に対して２次電池１８の充電状況に合わせた細かい制御を行わせることが可能になる。
【００４０】
また、本参考例においては、電圧源１４は、図２の等価回路で示すように、整流器１６と２次電池１８が並列関係にあるため、充電動作時に電圧源１４が整流器１６に接続されると、整流器１６に供給される電力の一部が電圧源１４に流入し、充電効率が低下する恐れがある。この充電効率の低下を防止するには、電圧源１４を通常の充電動作時には開放端と見えるように構成する必要がある。このような場合、例えば、電圧源１４と２次側補助巻線３８との間にスイッチを設け、充電状態検出器２２からの信号によってスイッチを入り切りさせる構成によって実現することができる。また、電圧源１４を安価な発振源で構成することもできる。
【００４１】
次に、本発明の他の参考例を図３および図４にしたがって説明する。本実施形態は、充電状態信号を発生する信号発生器として、電圧源１４の代わりに、電流源４０を用いたものであり、他の構成は図１のものと同様である。
【００４２】
本参考例においても、２次側補助巻線３８に電流源４０から充電状態信号を印加するようにしているため、整流器１６や２次電池１８に悪影響を与えることなく、２次電池１８の充電情報を１次側に伝達し、２次電池１８に対する充電を円滑に制御することができる。また電流源４０は、小電力のものでよいため、小型且つ安価に構成することができる。
【００４３】
また、図４に示す等価回路に着目した場合、電流源４０は、開放端と同等の機能を有するため、電圧源４０が２次側補助巻線３８に接続されていても充電動作に悪影響を与えることはない。このため、本実施形態においては、電圧源１４を用いるときのように、スイッチを用いることなく、電流源４０を開放端とすることができ、システムの簡素化を図ることができる。
【００４４】
次に、本発明の実施形態を図５および図６にしたがって説明する。本実施形態は、電圧源１４を用いる代わりに、２次側補助巻線３８の両端にスイッチ４２を接続し、２次電池１８が満充電または満充電に近くなったときにスイッチ４２をオンオフ動作（スイッチング動作）させて２次側補助巻線３８の両端を短絡または開放し、給電トランス１２の給電機能を制限するようにしたものであり、他の構成は図１のものと同様である。
【００４５】
本実施形態の場合、充電状態検出器２２は、電流検出器２０による電流検出結果と、２次電池１８の電圧値の検出結果から２次電池１８の充電状態を判断し、２次電池１８が満充電近くになった場合は、スイッチ４２をスイッチング動作させて給電トランス１２の給電機能を制限するスイッチ制御器を構成することになる。また、電流検出器２４、フィルタ２６、信号検出回路２８は１次側巻線３４の電流または電圧の変動を検出する状態変化検出器を構成することになる。
【００４６】
本実施形態においては、図６の等価回路から明らかなように、スイッチ４２をオンさせると、充電装置１０、漏れインダクタンスｌ１、漏れインダクタンスｌ２’により極めて低インピーダンスのループが形成されるため、スイッチ４２をオンしたときには、給電トランス１２の給電機能、すなわち電力伝送機能を失わせることで、瞬間的に充電装置１０の出力電流値を変動させることができる。このため、出力電流値の変化を、電流検出器２４、フィルタ２６、信号検出回路２８で検出することにより、充電装置１０による充電動作を停止させることができる。
【００４７】
本実施形態においては、電圧源１４や電流源４０の代わりにスイッチ４２を用いているため、前記各実施形態よりも極めて安価で且つ容易に構成することができる。
【００４８】
次に、本発明の他の実施形態を図７および図８にしたがって説明する。本実施形態は、スイッチ４２と直列に抵抗４４を接続し、２次側補助巻線３８の両端をスイッチ４２と抵抗４４を介して短絡するようにしたものであり、他の構成は図５のものと同様である。
【００４９】
本実施形態においては、図８の等価回路より明らかなように、スイッチ４２をオンにすると、充電装置１０、漏れインダクタンスｌ１、漏れインダクタンスｌ２’、抵抗４４のルートが形成される。このとき、抵抗４４の抵抗値が大きいときには、前記ルートにおけるインピーダンスは抵抗４４に依存することになる。この結果、前記第３実施形態ではスイッチ４２をオンにした瞬間にインパルス的な電流が流れるのに対して、本実施形態では、抵抗４４を挿入することで、電流のピーク値を検出するに十分な程度まで電流を抑制することができる。言い替えると、前記第３実施形態では２次側補助巻線３８の両端をスイッチ４２で短絡することで、給電トランス１２の給電機能を完全に失わせているのに対して、本実施形態では、抵抗４４を挿入した分だけ、給電トランス１２の給電機能は完全に失われないことになる。
【００５０】
また、本実施形態においては、スイッチ４２をオンオフさせるタイミングあるいは周期（周波数）を可変にすることにより、充電装置１０に対して２次電池１８の充電状態に合わせた細かい制御を行わせることが可能になる。
【００５１】
また、本実施形態においては、電圧源１４や電流源４０を用いる代わりにスイッチ４２と抵抗４４を用いているため、極めて安価で且つ容易に構成することができるとともに、過電流によって整流器１６や２次電池１８に悪影響を与えるのを防止することができる。
【００５２】
次に、本発明のさらに他の実施形態を図９および図１０にしたがって説明する。本実施形態は、給電トランス１２の２次側コア３２に２次側補助巻線３８を巻き付けることなく、２次側巻線３６の両端にスイッチ４２を介して抵抗４４を並列に接続したものであり、他の構成は図５のものと同様である。
【００５３】
本実施形態においては、図１０の等価回路から明らかなように、スイッチ４２がオンになったときには、充電装置１０、漏れインダクタンスｌ１、漏れインダクタンスｌ２、抵抗４４のルートで電流が流れ、このルートを流れる電流のピーク値を抵抗４４によって抑制するようになっている。
【００５４】
また、本実施形態においては、スイッチ４２、抵抗４４を整流器１６と並列に接続しているため、２次電池１８に供給される電流がスイッチ４２に直接流れることはなく、スイッチ４２や抵抗４４が発熱することはない。
【００５５】
本実施形態によれば、前記各実施形態で得られた効果を奏するとともに、前記各実施形態よりも２次側補助巻線３８がない分だけ給電トランス１２を小型軽量化を図ることができる。
【００５６】
本実施形態においては、スイッチ４２、抵抗４４の代わりに、電圧源１４、電流源４０を用いることもできる。
【００５７】
なお、充電装置１０には、過電流が流れた場合に充電動作を速やかに停止させ、機器が破損することを防止することを目的に、過電流保護装置を取り付ける場合がある。この場合には、この過電流保護装置を第１実施形態から第５実施形態で使用している信号検出回路２８として使用することもできる。
【００５８】
次に、本発明の他の参考例を図１１にしたがって説明する。本参考例は、電流検出器２４を用いる代わりに、１次側コア３０に１次側補助巻線４６を巻き付け、１次側補助巻線４６によって、充電状態信号を検出したりあるは１次側巻線３４の電流または電圧の変動を検出したりするようにしたものであり、他の構成は図１のものと同様である。
【００５９】
本参考例によれば、１次側補助巻線４６を用いることで、電流センサとしての電流検出器２４が不要となり、低コスト化を図ることができる。
【００６０】
電流検出器２４の代わりに、２次側補助巻線４６を用いる構成は、前記各実施形態にも適用することができる。
【００６１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、給電対象に対する給電を停止する必要が生じたときに、給電対象の給電情報を、簡単な構成で給電トランスの１次側に伝達して給電対象に対する給電を制御することができるとともに、装置の小型化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例の非接触給電装置のブロック構成図である。
【図２】図１に示す装置の等価回路図である。
【図３】本発明の他の参考例の非接触給電装置のブロック構成図である。
【図４】図３に示す装置の等価回路図である。
【図５】本発明の実施形態の非接触給電装置のブロック構成図である。
【図６】図５に示す装置の等価回路図である。
【図７】本発明の他の実施形態の非接触給電装置のブロック構成図である。
【図８】図７に示す装置の等価回路図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態の非接触給電装置のブロック構成図である。
【図１０】図９に示す装置の等価回路図である。
【図１１】本発明のさらに他の参考例の非接触給電装置のブロック構成図である。

Claims

１次側巻線が巻き付けられた１次側コアと２次側巻線が巻き付けられた２次側コアが互いに非接触状態にあって、電力供給源から前記１次側巻線に供給される電力を前記２次側巻線へ伝達する給電トランスと、前記給電トランスの出力を整流する整流器と、前記整流器の出力電力を蓄積する給電対象の充電状態を検出する充電状態検出器と、前記２次側コアに巻き付けられた２次側補助巻線と、前記２次側補助巻線の両端に接続されて前記２次側補助巻線の両端をスイッチング動作により短絡または開放するスイッチと、前記充電状態検出器の検出出力に応じて前記スイッチをスイッチング動作させて前記給電トランスの給電機能を制限するスイッチ制御器と、前記１次側巻線の電流の変動を検出する状態変化検出器と、前記状態変化検出器の検出出力に応答して前記電力供給源から前記給電トランスに供給される電力を制御する電力制御器とを備えてなる非接触給電装置。
請求項１に記載の非接触給電装置において、前記スイッチは、抵抗を介して前記２次側補助巻線に直列接続されてなることを特徴とする非接触給電装置。
請求項１又は２に記載の非接触給電装置において、前記充電状態検出器は、前記２次電池が満充電または満充電近くになったときに検出出力を発生し、前記電力制御器は、前記状態変化検出器の検出出力に応答して前記給電トランスへの電力の供給を停止してなることを特徴とする非接触給電装置。
請求項１又は２に記載の非接触給電装置において、スイッチのスイッチング動作は、前記充電状態検出器の検出出力に応じてスイッチの周波数を可変に制御することを特徴とする非接触給電装置。