JP5285418B2 - 共鳴型非接触電力供給装置 - Google Patents

Description

本発明は、共鳴型非接触電力供給装置に関するものである。

無線で電力を送る技術として共鳴方式（特許文献１等）が挙げられる。この共鳴方式による電力伝送システムは、共鳴用一次コイルから非接触で共鳴用二次コイルに共鳴により電力を伝送するものである。詳しくは、送電側の共鳴用一次コイルに交流電界を印加すると、その周辺に振動磁場が発生し共鳴現象によって受電側の共鳴用二次コイルに電力が伝わる現象を利用している。
国際公開第２００７／００８６４６号パンフレット

ところが、一次コイルと二次コイルとの間に障害物が入った場合等には、一次側の高周波電源においては反射電力によりダメージを受ける虞があり、その対策を講じる必要がある。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、電源が反射電力によりダメージを受けることを防止することができる共鳴型非接触電力供給装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、電源から電力の供給を受ける１次側共振器と、前記１次側共振器と離間して非接触で配置され、磁場を通じて前記１次側共振器から電力を受け取る２次側共振器と、前記２次側共振器から電力の供給を受ける充電器と、前記１次側共振器から前記電源への反射電力を検出する検出部と、前記検出部によって検出された前記反射電力に関する値が予め設定された閾値以上に達するときに前記電源を停止させる制御部と、前記充電器に接続されたバッテリと、を備え、前記閾値は、前記バッテリの充電量の変化に起因して変化したときの前記反射電力に関する値よりも大きな値に設定されていることを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、検出部により、１次側共振器から電源への反射電力が検出される。そして、検出部によって検出された反射電力に関する値が、バッテリの充電量の変化に起因して変化したときの反射電力に関する値よりも大きな値に設定された閾値以上に達するときに、制御部により電源が停止される。よって、電源が反射電力によりダメージを受けることを防止することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の共鳴型非接触電力供給装置において前記反射電力に関する値は、前記電源から前記１次側共振器への出力電力に対する、前記１次側共振器から前記電源への反射電力の比であるとよい。
請求項３に記載のように、請求項２に記載の共鳴型非接触電力供給装置において、前記電源および前記１次側共振器は地上側に設置され、前記２次側共振器および前記充電器は車両に搭載されているとよい。
請求項４に記載のように、請求項３に記載の共鳴型非接触電力供給装置において前記車両はハイブリッド車であるとよい。
請求項５に記載のように、請求項１に記載の共鳴型非接触電力供給装置において前記１次側共振器および前記２次側共振器にそれぞれ接続されたコンデンサを更に備えるとよい。

本発明によれば、電源が反射電力によりダメージを受けることを防止することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、ハイブリッド車における車載バッテリの充電システム、即ち、車載バッテリを充電するための共鳴型非接触充電装置に適用している。図１に示すように、自動車１において、車体の前面部の例えばフロントバンパーの内部には受電側コイル２１が取付けられている。受電側コイル２１は銅線を螺旋状に巻回して構成されている。受電側コイル２１は軸線（螺旋の中心軸）が車両の上下方向となるように配置されている。

充電スタンドにおける床には地上側設備１０が埋設されている。地上側設備１０は送電側コイル１１を有している。送電側コイル１１は銅線を螺旋状に巻回して構成されている。送電側コイル１１は軸線（螺旋の中心軸）が地上面に対して直交するように配置されている。そして、自動車１が充電スタンドにおいて充電する際には、送電側コイル１１の軸線（螺旋の中心軸）と受電側コイル２１の軸線（螺旋の中心軸）とが一致または接近するように配置される。

図２には共鳴型非接触充電装置の全体構成を示す。地上側に配置される地上側設備１０として、送電側コイル１１とコイル１２と高周波電源（交流電源）１３と電源側コントローラ１４を備えている。車両に搭載される車載側機器２０として、受電側コイル２１とコイル２２と整流器２３と充電器２４と二次電池であるバッテリ２５と充電ＥＣＵ２６と車両側コントローラ２７とを備えている。

高周波電源１３は例えば数ＭＨｚ程度の高周波電力を出力する。高周波電源１３にはコイル１２が接続され、このコイル１２に送電側コイル１１が電磁誘導にて結合されており、高周波電源１３からコイル１２を介して電磁誘導により送電側コイル１１に電力が伝送される。このように、共鳴用一次コイルとしての送電側コイル１１は高周波電源１３からコイル１２を介して高周波電力の供給を受ける（高周波電源１３の高周波がコイル１２を介して送電側コイル１１に供給される）。送電側コイル１１にはコンデンサＣが接続されている。

高周波電源１３には電源側コントローラ１４が接続されている。電源側コントローラ１４から高周波電源１３に電源オン／オフ信号が送られ、この信号により高周波電源１３がオン／オフされる。高周波電源１３において送電側コイル１１への出力電力が計測され、この計測された出力電力値が電源側コントローラ１４に送られる。また、高周波電源１３において送電側コイル１１からの反射電力が計測され、この計測された反射電力値が電源側コントローラ１４に送られる。電源側コントローラ１４は充電開始／停止信号を入力する。この充電開始／停止信号は地上側において人による充電開始／停止のスイッチ操作に伴う信号である。

共鳴用二次コイルとしての受電側コイル２１は送電側コイル１１と離間して非接触で配置され、送電側コイル１１からの電力を磁場共鳴して受電する。受電側コイル２１にはコイル２２が電磁誘導にて結合され、このコイル２２に整流器２３が接続されており、受電側コイル２１から電磁誘導によりコイル２２に電力が伝送され、コイル２２から整流器２３に送られる。受電側コイル２１において給電した電力が整流器２３により整流される。受電側コイル２１にはコンデンサＣが接続されている。

整流器２３には充電器２４が接続されている。充電器２４は受電側コイル２１から高周波電力の供給を受けて整流後の電力が充電器２４において昇圧等される。充電器２４はスイッチング素子を備えており、スイッチング素子をオン／オフ制御することにより出力電圧、出力電流が調整される。充電器２４にはバッテリ２５が接続され、バッテリ２５が充電器２４により充電される。

充電器２４には充電ＥＣＵ２６が接続されている。バッテリ２５の充電時には充電ＥＣＵ２６により充電器２４での出力電圧、出力電流をモニタしつつ充電器２４のスイッチング素子が制御される。また、充電ＥＣＵ２６から充電器２４に充電オン／オフ信号が送られ、この信号により充電器２４がオン／オフされる。また、充電ＥＣＵ２６はバッテリ電圧Ｖｂを検知している。充電ＥＣＵ２６には車両側コントローラ２７が接続されている。充電ＥＣＵ２６から車両側コントローラ２７に充電完了信号が送られる。車両側コントローラ２７にはイグニッション信号および充電開始／停止信号が送られる。イグニッション信号は、車両のイグニッションスイッチの操作信号である。また、充電開始／停止信号は乗員による充電開始／停止のスイッチ操作に伴う信号である。

地上側設備１０の電源側コントローラ１４と、車載側機器２０の車両側コントローラ２７とは無線にて通信できるようになっている。
次に、このように構成した共鳴型非接触充電装置の作用を、図３のタイムチャート等を用いて説明する。

図３において、上から、バッテリ電圧Ｖｂ、出力電力Ｐ１および反射電力Ｐ２、出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１、電源オン／オフ信号を示す。
地上側の人または乗員が充電開始スイッチをオン操作する（図３のｔ１のタイミング）。すると、充電開始信号が電源側コントローラ１４または車両側コントローラ２７に送られる。電源側コントローラ１４と車両側コントローラ２７とは無線通信にて充電開始スイッチのオン操作情報を共有している。そして、電源側コントローラ１４から高周波電源１３への電源オン／オフ信号がＨレベルにされる（電源オン指令が出力にされる）。また、車両側コントローラ２７は充電ＥＣＵ２６に充電開始指令を出し、これにより、充電ＥＣＵ２６から充電器２４への充電オン／オフ信号がＨレベルにされる（充電オン指令が出力される）。

充電の開始によりバッテリ電圧Ｖｂが上昇していき、予め設定した閾値に達すると（図３のｔ２のタイミング）、充電ＥＣＵ２６は経時動作を開始する。そして、充電ＥＣＵ２６は閾値を超えてから所定の充電時間Ｔｃが経過すると（図３のｔ３のタイミング）、充電が完了したとして車両側コントローラ２７に充電完了信号を出力する。

車両側コントローラ２７は充電完了信号を入力すると、無線通信により電源側コントローラ１４に充電が完了したことを通知する。すると、電源側コントローラ１４は直ちに高周波電源１３への電源オン／オフ信号をＬレベルにする（電源オフ指令が出力される）。これにより高周波電源１３がオフする。

一方、充電ＥＣＵ２６は所定の充電時間Ｔｃが経過すると（図３のｔ３のタイミング）、充電器２４への充電オン／オフ信号をＬレベルにする（充電オフ指令が出力される）。これにより充電器２４がオフする。

図３は正常時におけるタイムチャートであるが、図４，５は図６に示すようにコイル１１，２１間に障害物（例えば鉄板）１００が入ったときの異常時におけるタイムチャートである。図４は電力伝送中において異常が発生した場合であり、図５は電力伝送開始時に異常が発生した場合である。

図４において、出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１は、ｔ１０のタイミング以降で急激に大きくなっている。図２の電源側コントローラ１４は、出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１をモニタしている。そして、電源側コントローラ１４は、比Ｐ２／Ｐ１が予め定めた閾値以上になると（ｔ１１のタイミング）、電力伝送ができないと判断して電源オン／オフ信号をＬレベルにする（電源オフ指令が出力される）。これにより高周波電源１３がオフする。閾値は例えば８０％程度に設定すればよい。

電力伝送中の異常は、図６に示したように送電側コイル１１と受電側コイル２１の間に障害物１００が入り込んできた場合の他にも、送電側コイル１１と受電側コイル２１の間の位置関係が変化した場合などが挙げられる。

図５において、出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１は、ｔ１の電力伝送開始以降急激に大きくなっている。図２の電源側コントローラ１４は、出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１をモニタしている。そして、電源側コントローラ１４は、比Ｐ２／Ｐ１が予め定めた閾値以上になると（ｔ２０のタイミング）、正常に電力伝送ができてないと判断して電源オン／オフ信号をＬレベルにする（電源オフ指令が出力される）。これにより高周波電源１３がオフする。

なお、電力伝送開始時の異常は、図６に示したように送電側コイル１１と受電側コイル２１の間に障害物１００がある場合の他にも、受電側コイル２１が無い場合や送電側コイル１１と受電側コイル２１との距離Ｌが一定値より遠い場合や送電側コイル１１と受電側コイル２１の共鳴周波数が違う場合などが挙げられる。

ここで、本実施形態の閾値の設定方法について言及する。
送電側コイルと受電側コイルの間に障害物がある場合等以外にも負荷が変動した場合、共鳴系の入力インピーダンスが変化し、出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１が大きくなる。しかしながら、負荷が変動した場合には電力伝送を中止したくない。

そこで、本実施形態では、バッテリの充電状態等により負荷が変動した場合の出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１よりも送電側コイルと受電側コイルの間に障害物がある場合等の出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１が大きいことに着目し、負荷が変動したときの出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１よりも閾値を高く設定している。

これにより送電側コイルと受電側コイルの間に障害物がある場合等と負荷が変動した場合とを区別することが可能となる。
なお、負荷が変動した場合の出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１は、１０％程度であり、負荷が変動した場合以外（送電側コイルと受電側コイルの間に障害物がある場合等）の場合の出力電力Ｐ１に対する反射電力Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１より十分に低いものである。

以上のように本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）共鳴型非接触充電装置の構成として、高周波電源１３と、共鳴用一次コイルとしての送電側コイル１１と、共鳴用二次コイルとしての受電側コイル２１と、充電器２４とに加えて、電力比検出手段および停止制御手段としての電源側コントローラ１４を設け、電源側コントローラ１４により高周波電源１３の送電側コイル１１への出力電力に対する高周波電源１３の送電側コイル１１からの反射電力の比を検出して、出力電力に対する反射電力の比が閾値以上になると一次側の高周波電源１３を停止させる。これにより、高周波電源１３が反射電力によりダメージを受けることを防止することができる。

（２）高周波電源１３および共鳴用一次コイル（１１）は地上側に設置され、共鳴用二次コイル（２１）および充電器２４は車両に搭載されているので、実用上好ましい。
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。

・ハイブリッド車における共鳴型非接触充電装置に適用したが、車両用に限ることはない。
・送電側コイル１１および受電側コイル２１は、それぞれ電線が螺旋状に巻回された形状に限らず、一平面状で渦巻き状に巻回された形状としてもよい。この場合、コイルの軸方向の長さが小さくなり、地上に形成する穴の深さを浅くすることができる。

・送電側コイル１１、コイル１２、受電側コイル２１、コイル２２の外形は、円形に限らず、例えば、四角形や六角形や三角形等の多角形にしたり、あるいは楕円形にしたりしてもよい。

・送電側コイル１１および受電側コイル２１に接続されたコンデンサＣを省略してもよい。しかし、コンデンサＣを接続した構成の方が、コンデンサＣを省略した場合に比べて、共鳴周波数を下げることができる。また、共鳴周波数が同じであれば、コンデンサＣを省略した場合に比べて、送電側コイル１１および受電側コイル２１の小型化が可能となる。

本実施形態における自動車の概略構成図。 共鳴型非接触充電装置の電気的構成を示す回路構成図。 作用を説明するためのタイムチャート。 作用を説明するためのタイムチャート。 作用を説明するためのタイムチャート。 自動車の概略構成図。

符号の説明

１１…送電側コイル、１３…高周波電源、１４…電源側コントローラ、２１…受電側コイル、２３…整流器、２４…充電器、２５…バッテリ、２６…充電ＥＣＵ、２７…車両側コントローラ。

Claims (5)

1. 電源から電力の供給を受ける１次側共振器と、
   前記１次側共振器と離間して非接触で配置され、磁場を通じて前記１次側共振器から電力を受け取る２次側共振器と、
   前記２次側共振器から電力の供給を受ける充電器と、
   前記１次側共振器から前記電源への反射電力を検出する検出部と、
   前記検出部によって検出された前記反射電力に関する値が予め設定された閾値以上に達するときに前記電源を停止させる制御部と、
   前記充電器に接続されたバッテリと、
   を備え、
   前記閾値は、前記バッテリの充電量の変化に起因して変化したときの前記反射電力に関する値よりも大きな値に設定されていることを特徴とする共鳴型非接触電力供給装置。
2. 前記反射電力に関する値は、前記電源から前記１次側共振器への出力電力に対する、前記１次側共振器から前記電源への反射電力の比である請求項１に記載の共鳴型非接触電力供給装置。
3. 前記電源および前記１次側共振器は地上側に設置され、前記２次側共振器および前記充電器は車両に搭載されている請求項２に記載の共鳴型非接触電力供給装置。
4. 前記車両はハイブリッド車である請求項３に記載の共鳴型非接触電力供給装置。
5. 前記１次側共振器および前記２次側共振器にそれぞれ接続されたコンデンサを更に備える請求項１に記載の共鳴型非接触電力供給装置。

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