JP5307073B2 - 非接触受電システム及び非接触電力伝送システム - Google Patents

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Description

本発明は、非接触電システム及びその非接触受電システムを備えた非接触電力伝送システムに係り、詳しくは蓄電装置を備えた非接触電システム及びその非接触受電システムを備えた非接触電力伝送システムに関する。
従来、共鳴法によって車両外部の電源からワイヤレスで充電電力を受電し、車載の蓄電装置を充電可能な充電システムが提案されている(特許文献1参照)。特許文献1の充電システムは、電動車両と給電装置とを備え、電動車両は、2次自己共振コイル(2次側共鳴コイル)と2次コイルと、整流器と蓄電装置とを含み、給電装置は、高周波電力ドライバと、1次コイルと、1次自己共振コイル(1次側共鳴コイル)とを備える。
特開2009−106136号公報
2次電池に充電を行う場合、2次電池が満充電になった後も充電を続けて過充電になるまで充電を行うことを繰り返すと、2次電池の寿命が短くなる。そのため、充電時には2次電池が過充電になる前に充電を停止、終了する必要がある。共鳴型非接触給電システムが正常に動作している場合は問題はないが、受電側の故障で満充電になったにも拘らず充電終了ができない状態、あるいは満充電になる前に充電中止指令を行ったにも拘らず充電中止ができない状態になる場合も考えられる。しかし、特許文献1にはこのような場合に関しては何ら記載がない。受電側から無線通信により給電側に給電中止を要請して給電を中止して充電を中止する方法もある。しかし、例えば、給電設備として複数の受電設備に同時に給電を行う構成の場合のように、給電を直ちに中止できない場合もある。
本発明は、前記従来の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、受電側の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することができる非接触電システム及びその非接触受電システムを備えた非接触電力伝送システムを提供することにある。
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、交流電源からの電力を受ける1次側コイルから非接触で電力を受電する2次側コイル、前記2次側コイルが受電した電力を整流する整流器、前記整流器により整流された電力が供給される蓄電装置を備えた移動体設備を備えた非接触受電システムであって、前記移動体設備は、前記2次側コイルと前記整流器との間に設けられた整合器を備え、前記非接触受電システムは、前記移動体設備が受電を拒否すべき状態において前記1次側コイルから電力を受電している場合には前記整合器を不整合状態にするように構成されている。
この発明では、1次側コイルから非接触で供給される電力が2次側コイルで受電され、2次側コイルが受電した電力は整合器及び整流器を経て蓄電装置に供給されて蓄電装置が充電される。充電時に、移動体設備が受電を拒否すべき状態において1次側コイルから電力を受電している場合には、整合器を不整合状態にする。整合器が不整合状態になると、交流電源から1次側コイルへ出力された電力の交流電源への反射電力が増え、蓄電装置の充電が実質中止される状態になる。そのため、受電側の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することができる。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記蓄電装置の充電を中止したいのに中止ができない場合に、前記整合器を前記不整合状態にするように構成されている。ここで、「充電を中止したいのに中止ができない場合」とは、例えば、満充電になって充電終了信号が出力されたり、運転者の都合で満充電前に充電停止指令が入力されたりしたのに充電が中止されない場合等がある。この発明では、例えば、充電時に満充電信号により充電を終了しようとしても終了できない場合や、満充電になる前に充電中止指令を行ったにも拘らず充電中止ができない場合に、整合器が不整合状態になることで充電が中止される。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記移動体設備が受電を拒否すべき状態において前記1次側コイルから電力を受電している場合とは、充電停止指令が入力されているにも拘らず、前記蓄電装置の充電が終了されない場合である。
請求項4に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記移動体設備が受電を拒否すべき状態において前記1次側コイルから電力を受電している場合とは、前記蓄電装置の満充電に伴う充電終了信号が出力されたのにも拘らず、前記蓄電装置の充電が終了されない場合である。
請求項5に記載の発明は、請求項1〜4いずれか一項に記載の発明において、前記移動体設備は、電動車両に搭載されて使用される。
請求項6に記載の発明は、請求項1〜5いずれか一項に記載の発明において、前記蓄電装置の充電が正常な状態での充電時の前記蓄電装置の充電状態と、前記充電状態に対応する前記整合器の適切なインピーダンスとの関係を示すデータに基づき、前記整合器の調整が行われる。
請求項7に記載の発明は、前記交流電源及び前記1次側コイルを有する給電設備と、請求項1〜6いずれか一項に記載の非接触受電システムとを備えている。
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の発明において、前記移動体設備から前記交流電源への反射電力が予め設定された値以上となっている状態が設定時間以上継続した場合に給電が停止するように構成されている。
本発明によれば、受電側の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することができる非接触電システム及びその非接触受電システムを備えた非接触電力伝送システムを提供することができる。
一実施形態の共鳴型非接触給電システムの構成図。
以下、本発明を車載バッテリを充電するための共鳴型非接触給電システムに具体化した一実施形態を図1にしたがって説明する。
図1に示すように、共鳴型非接触給電システムは、地上側に設けられる給電側設備(送電側設備)10と、移動体としての車両(自動車)に搭載された移動体側設備20とで構成されている。
給電側設備10は、交流電源としての高周波電源11、1次側整合器12、1次側コイル13及び電源側コントローラ14を備えている。高周波電源11は、1次側共鳴コイル13bからの反射電力を検出する反射電力検出手段11aを備えており、反射電力検出手段11aから反射電力の検出信号が電源側コントローラ14へ送られる。高周波電源11には、電源側コントローラ14から電源オン/オフ信号が送られ、この信号により高周波電源11がオン/オフされる。高周波電源11は、共鳴系の予め設定された共鳴周波数に等しい周波数の交流電力、例えば数MHz程度の高周波電力を出力する。車両側コントローラ26は、反射電力検出手段11aからの反射電力検出信号に基づき、反射電力が予め設定された値以上の状態が設定時間以上継続すると、給電を停止するように高周波電源11を制御する。
1次側コイル13は、1次コイル13aと1次側共鳴コイル13bで構成されている。1次コイル13aは、1次側整合器12を介して高周波電源11に接続されている。1次コイル13aと1次側共鳴コイル13bとは同軸上に位置するように配設され、1次側共鳴コイル13bにはコンデンサCが並列に接続されている。1次コイル13aは、1次側共鳴コイル13bに電磁誘導で結合され、高周波電源11から1次コイル13aに供給された交流電力が電磁誘導で1次側共鳴コイル13bに供給される。
1次側整合器12は、可変リアクタンスとしての2つの可変コンデンサ15,16とインダクタ17とから構成されている。一方の可変コンデンサ15は高周波電源11に並列に接続され、他方の可変コンデンサ16は1次コイル13aに並列に接続されている。インダクタ17は両可変コンデンサ15,16間に接続されている。1次側整合器12は、可変コンデンサ15,16の容量が変更されることでそのインピーダンスが変更される。可変コンデンサ15,16は、例えば、図示しない回転軸がモータにより駆動される公知の構成で、モータが電源側コントローラ14からの駆動信号により駆動されるようになっている。
移動体側設備20は、2次側コイル21、2次側整合器22、整流器23、充電器24、充電器24に接続された蓄電装置としての2次電池(バッテリ)25、及び給電判断手段、受電判断手段、制御手段としての車両側コントローラ26を備えている。また、移動体側設備20は、2次電池25の電圧を検出する電圧センサ27と、整流器23から充電器24に流れる電流を検出する電流センサ28とを備えている。充電器24は、整流器23で整流された直流を2次電池25に充電するのに適した電圧に変換するDC/DCコンバータ(図示せず)を備えている。
2次側コイル21は、2次コイル21aと2次側共鳴コイル21bで構成されている。2次コイル21aと2次側共鳴コイル21bとは同軸上に位置するように配設され、2次側共鳴コイル21bにはコンデンサCが接続されている。2次コイル21aは、2次側共鳴コイル21bに電磁誘導で結合され、共鳴により1次側共鳴コイル13bから2次側共鳴コイル21bに供給された交流電力が電磁誘導で2次コイル21aに供給される。2次コイル21aは、2次側整合器22に接続されている。
なお、1次コイル13a、1次側共鳴コイル13b、2次側共鳴コイル21b及び2次コイル21aの巻数、巻径は給電側設備10から移動体側設備20へ給電(伝送)しようとする電力の大きさ等に対応して適宜設定される。
この実施形態では、1次側整合器12、1次コイル13a、1次側共鳴コイル13b、2次側共鳴コイル21b、2次コイル21a、2次側整合器22、整流器23、充電器24及び2次電池25が共鳴系を構成する。
2次側整合器22は、可変リアクタンスとしての2つの可変コンデンサ29,30とインダクタ31とから構成されている。インダクタ31は両可変コンデンサ29,30間に接続されている。一方の可変コンデンサ29は2次コイル21aに並列に接続され、他方の可変コンデンサ30は整流器23に接続されている。2次側整合器22は、可変コンデンサ29,30の容量が変更されることでそのインピーダンスが変更される。可変コンデンサ29,30は、例えば、図示しない回転軸がモータにより駆動される公知の構成で、モータが車両側コントローラ26からの駆動信号により駆動されるようになっている。
車両側コントローラ26は、CPU32及び記憶装置(メモリ)33を備えている。記憶装置33には、車両側コントローラ26が給電側設備10から給電中か否かを判断する給電判断手段として機能するためのプログラム、受電するか否かを判断する受電判断手段として機能するためのプログラムが記憶されている。また、記憶装置33には車両側コントローラ26が給電判断手段及び受電判断手段の判断情報に基づいて、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には2次側整合器22を不整合状態にするためのプログラムが記憶されている。
車両側コントローラ26は、充電時に充電器24のDC/DCコンバータのスイッチング素子を制御する。車両側コントローラ26は、電圧センサ27及び電流センサ28の検出信号に基づいて、2次電池25の充電時の充電電圧及び電流と、2次電池25の放電時の放電電圧及び電流量を検出・積算して、充電状態を検出(確認)する。車両側コントローラ26は、充電開始後、給電側設備10から給電中か否かを判断するとともに、受電するか否かを判断する。そして、車両側コントローラ26は、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には、2次側整合器22を不整合状態にするように制御する。
電源側コントローラ14と、車両側コントローラ26とは無線通信にて通信できるように、通信装置18及び通信装置34をそれぞれ備えている。
次に前記のように構成された共鳴型非接触給電システムの作用を説明する。
車両に搭載された2次電池25を充電する場合、車両は給電側設備10の所定の充電位置に停止する。車両が給電側設備10の所定の充電位置に停止した後、車両側コントローラ26は、電源側コントローラ14に給電要求信号を送信する。電源側コントローラ14は、給電要求信号を受信すると、給電を開始する。そして、給電側設備10の高周波電源11から1次コイル13aに共鳴周波数の交流電圧が印加され、1次側共鳴コイル13bから電力が非接触共鳴で2次側共鳴コイル21bへ供給される。2次側共鳴コイル21bが受電した電力は、2次側整合器22及び整流器23を介して充電器24に供給され、充電器24に接続された2次電池25が充電される。
なお、車両に搭載された2次電池25を充電する場合、車両は給電側設備10と移動体側設備20との間で効率良く非接触給電が行われる充電位置に正確に停止するとは限らない。そのため、充電に先立って、1次側整合器12及び2次側整合器22の調整が行われる場合もある。
2次電池25への充電時には、2次電池25の充電状態(SOC)が変化することにより共鳴系の共鳴周波数における共鳴系の入力インピーダンスが変化する。そのため、高周波電源11と共鳴系の入力インピーダンスとの整合が最適状態からずれて、給電側設備10から移動体側設備20へ電力を効率良く供給(給電)することができなくなる。充電時に2次電池25の充電状態が変化しても給電側設備10から移動体側設備20へ電力が効率良く供給され、充電が効率良く行われるように、車両側コントローラ26は、充電中、2次電池25の充電状態に対応して2次側整合器22のインピーダンスを適切な値に調整する。
車両側コントローラ26は、例えば、2次電池25の電圧が所定電圧になった時点からの経過時間により満充電を判断し、充電器24による充電を停止するとともに、電源側コントローラ14に充電終了信号を送信する。また、満充電に達する前であっても、例えば、運転者により充電停止指令が入力されると、充電器24による充電を停止するとともに、電源側コントローラ14に充電終了信号を送信する。電源側コントローラ14は、充電終了信号を受信すると電力伝送(給電)を終了する。
充電開始後、車両側コントローラ26は、所定の周期で電圧センサ27及び電流センサ28の検出信号により給電側設備10から給電中か否かを判断する。また、車両側コントローラ26は、受電するか否か、即ち受電(充電)を継続するか否かを判断する。例えば、満充電になっている場合や充電停止指令が入力されている場合は受電しないと判断し、充電停止指令を充電器24に出力する。車両側コントローラ26は、充電器24に充電停止指令が出力されている状態、即ち受電を拒否すべき状態であるのにも拘らず給電中の場合には、充電器24が故障していると判断して可変コンデンサ29,30を駆動して2次側整合器22を不整合状態にする。即ち、充電を中止したいのに中止ができない場合、例えば、満充電になって充電終了信号が出力されたり、運転者の都合で満充電前に充電停止指令が入力されたりしたのに充電が中止されない場合には、2次側整合器22が不整合状態にされる。
2次側整合器22が不整合状態になると、共鳴系の共鳴状態が崩れて給電側設備10から移動体側設備20への非接触給電が実質的にできなくなる。その結果、2次電池25が満充電になった後に充電が継続されて過充電になったり、充電器24に充電停止指令が出力されているのに充電が継続される事態になったりすることが回避される。
反射を発生させない状態で給電及び充電を終了するのが基本的な終了手順であるが、充電器24が基本的な終了手順で充電を終了することはできないが、スイッチを切ることが可能な場合、充電中に充電器24のスイッチを切ることで充電を停止することも可能であるが、充電器24に加わる負荷が大きくなる。特に、電動車両の2次電池25への充電の場合のように、給電電力が大きな場合には、負荷が大きくなる。しかし、2次側整合器22を不整合状態にすることで充電器24への電力供給を停止する場合は、充電器24に加わる負荷が小さくなる。
電源側コントローラ14は、反射電力検出手段11aで検出される反射電力の大きさが設定された値より大きな状態が所定時間以上継続すると、車両側コントローラ26からの充電終了信号を受信しなくても、移動体側設備20側で受電できない状態あるいは受電を望んでいない状態と判断して電力伝送(給電)を終了する。
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)共鳴型非接触給電システムは、交流電源(高周波電源11)、交流電源から電力の供給を受ける1次側共鳴コイル13bを備えた給電側設備10と、1次側共鳴コイル13bからの電力を受電する2次側共鳴コイル21bを備えた移動体側設備20とを備えている。移動体側設備20は、2次側共鳴コイル21bが受電した電力を整流する整流器23、整流器23により整流された電力が供給される充電器24及び充電器24に接続された2次電池25を備えている。また、移動体側設備20は、給電側設備10から給電中か否かを判断する給電判断手段と、受電するか否かを判断する受電判断手段と、給電判断手段及び受電判断手段の判断情報に基づいて、受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合には2次側整合器22を不整合状態にする制御手段としての車両側コントローラ26を備えている。したがって、受電側(移動体側設備20)の故障等により充電を中止したいにも拘らず充電中止ができないとき、無線通信で給電側(給電側設備10)に給電中止を依頼せずに、受電側で充電を中止することができる。
(2)制御手段(車両側コントローラ26)は、2次電池25の充電を中止したいのに中止ができない場合に、2次側整合器22を不整合状態にする。したがって、例えば、充電時に満充電信号により充電器が充電を終了しようとしても終了できない場合や、満充電になる前に充電中止指令を行ったにも拘らず充電中止ができない場合に、2次側整合器22が不整合状態になることで充電が中止される。
(3)給電側設備10は、反射電力検出手段11aを備え、反射電力が予め設定された値以上の状態が設定時間以上継続すると給電を停止する。したがって、車両側コントローラ26が充電終了信号を送信せずに、充電を終了しても、反射電力が大きな状態で、給電側設備10が給電を継続することを防止することができる。
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。
○ 移動体側設備20が受電を拒否すべき状態としては、充電開始後に充電停止ができない場合に限らない。例えば、移動体側設備20において充電準備ができていない状態であるにも拘わらず、給電側設備10から電力伝送(給電)がなされた場合も受電を拒否すべき状態となる。この場合、車両側コントローラ26は、充電開始前から、例えば、給電側設備10の充電位置に向かって車両が移動を開始した時点から、給電判断手段、受電判断手段、制御手段としての機能を発揮する状態になる。そして、充電のための準備が完了して、車両側コントローラ26が電源側コントローラ14に給電要求信号を送信する前に給電側設備10から電力伝送(給電)が開始された場合は、車両側コントローラ26は2次側整合器22を不整合状態にする。
○ 共鳴型非接触給電システムが、給電側設備10と移動体側設備20との間で非接触給電を行うためには、1次コイル13a、1次側共鳴コイル13b、2次コイル21a及び2次側共鳴コイル21bの全てが必須ではなく、少なくとも1次側共鳴コイル13b及び2次側共鳴コイル21bを備えていればよい。即ち、1次側コイル13を1次コイル13a及び1次側共鳴コイル13bで構成する代わりに、1次側共鳴コイル13bを1次側整合器12を介して高周波電源11に接続し、2次側コイル21を2次コイル21a及び2次側共鳴コイル21bで構成する代わりに、2次側共鳴コイル21bを2次側整合器22を介して整流器23に接続してもよい。しかし、1次コイル13a、1次側共鳴コイル13b、2次コイル21a及び2次側共鳴コイル21bの全てを備えた構成の方が、共鳴状態に調整するのが容易で、1次側共鳴コイル13bと2次側共鳴コイル21bとの距離が大きくなった場合でも共鳴状態を維持し易い。
○ 移動体としての車両は、走行駆動力を発生する電動機を備えた車両を意味し、電気自動車や、電動機とともに内燃機関をさらに動力源として搭載したハイブリッド車あるいは車両駆動用の直流電源として2次電池25とともに燃料電池をさらに搭載した車両等が挙げられる。また、運転者を必要とする車両に限らず無人搬送車でもよい。
○ 移動体は、車両に限らず、充電時以外は給電側設備から離れて移動するもの、例えば、ロボットであってもよい。
○ 電圧センサ27及び電流センサ28の検出信号に基づいて、2次電池25の充電時の充電電圧及び電流と、2次電池25の放電時の放電電圧及び電流量を検出・積算して、2次電池25の充電状態を検出(確認)する代わりに、2次電池25の電圧を検出して2次電池25の電圧から充電状態を確認するようにしてもよい。しかし、充電、放電の経過を考慮した前者の方が、充電状態を正確に検出(確認)することができる。
○ 整流器23と充電器24とを独立して設ける構成に代えて、充電器24として整流器23を内蔵した構成のものを使用してもよい。
○ 充電器24に昇圧回路を設けずに、2次側コイル21から出力される交流電流を整流器23で整流しただけで2次電池25に充電するようにしてもよい。
○ 蓄電装置は充放電可能な直流電源であればよく、2次電池25に限らず、例えば、大容量のキャパシタであってもよい。
○ 1次側整合器12及び2次側整合器22は、二つの可変コンデンサとインダクタを備えた構成に限らず、インダクタとして可変インダクタを備えた構成や、可変インダクタと二つの非可変コンデンサとからなる構成としてもよい。
○ 高周波電源11は、出力交流電圧の周波数が変更可能でも変更不能でもよい。
○ 1次側整合器12を省略してもよい。しかし、1次側整合器12が存在する方が、給電側から電力をより効率良く受電側に供給するために共鳴系のインピーダンスを微調整することができる。
○ 1次側共鳴コイル13b及び2次側共鳴コイル21b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、1次側共鳴コイル13b及び2次側共鳴コイル21bの小型化が可能になる。
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
(1)請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記受電を拒否すべき状態であるのに給電中の場合とは、満充電に伴う充電終了信号が出力されたのにも拘わらず、充電が終了されない場合である。
(2)請求項1、請求項2及び前記技術的思想(1)のいずれか一項に記載の発明において、前記移動体側設備は、電動車両に搭載されて使用される。
(3)請求項1、請求項2及び前記技術的思想(1),(2)のいずれか一項に記載の発明において、前記給電側設備は、反射電力検出手段を備え、反射電力が予め設定された値以上の状態が設定時間以上継続すると給電を停止する。
(4)請求項1、請求項2及び前記技術的思想(1)〜(3)のいずれか一項に記載の発明において、前記制御手段は、正常な状態での充電時に前記2次電池の充電状態とその状態に対応する前記整合器の適切なインピーダンスとの関係を示すデータに基づいて前記整合器の調整を行う。
10…給電側設備、11…交流電源としての高周波電源、13b…1次側共鳴コイル、20…移動体側設備、21b…2次側共鳴コイル、22…整合器としての2次側整合器、23…整流器、24…充電器、25…蓄電装置としての2次電池、26…給電判断手段、受電判断手段及び制御手段としての車両側コントローラ。

Claims (8)

  1. 交流電源からの電力を受ける1次側コイルから非接触で電力を受電する2次側コイル、
    前記2次側コイルが受電した電力を整流する整流器、
    前記整流器により整流された電力が供給される蓄電装置を備えた移動体設備を備えた非接触受電システムであって、
    前記移動体設備は、前記2次側コイルと前記整流器との間に設けられた整合器を備え、
    前記非接触受電システムは、前記移動体設備が受電を拒否すべき状態において前記1次側コイルから電力を受電している場合には前記整合器を不整合状態にするように構成されていることを特徴とする非接触受電システム。
  2. 記蓄電装置の充電を中止したいのに中止ができない場合に、前記整合器を前記不整合状態にするように構成されていることを特徴とする請求項1に記載の非接触電システム。
  3. 前記移動体設備が受電を拒否すべき状態において前記1次側コイルから電力を受電している場合とは、充電停止指令が入力されているにも拘らず、前記蓄電装置の充電が終了されない場合であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非接触受電システム。
  4. 前記移動体設備が受電を拒否すべき状態において前記1次側コイルから電力を受電している場合とは、前記蓄電装置の満充電に伴う充電終了信号が出力されたのにも拘らず、前記蓄電装置の充電が終了されない場合であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の非接触受電システム。
  5. 前記移動体設備は、電動車両に搭載されて使用されることを特徴とする請求項1〜4いずれか一項に記載の非接触受電システム。
  6. 前記蓄電装置の充電が正常な状態での充電時の前記蓄電装置の充電状態と、前記充電状態に対応する前記整合器の適切なインピーダンスとの関係を示すデータに基づき、前記整合器の調整が行われることを特徴とする請求項1〜5いずれか一項に記載の非接触受電システム。
  7. 前記交流電源及び前記1次側コイルを有する給電設備と、請求項1〜6いずれか一項に記載の非接触受電システムとを備えていることを特徴とする非接触電力伝送システム。
  8. 前記移動体設備から前記交流電源への反射電力が予め設定された値以上となっている状態が設定時間以上継続した場合に給電が停止するように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の非接触電力伝送システム。
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