JP5427105B2 - 共鳴型非接触給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、共鳴型非接触給電システムに係り、詳しくは受電側に２次電池を備えた共鳴型非接触給電システムに関する。
共鳴型非接触給電システムにおいて、交流電源の電力を受電側に効率良く給電（供給）するには、交流電源から電力を効率良く共鳴系に給電することが必要になる。共鳴型非接触電力給電システムでは、予め設定された共鳴系の共鳴周波数において、共鳴系の入力インピーダンスと交流電源（高周波電源）の出力インピーダンスとが整合（マッチング）している必要がある。しかし、両インピーダンスの整合が行われた後に、給電側（送電側）と受電側との間に異物が存在する状態になると、インピーダンス不整合となり給電が効率良く行われない。
従来、１次側の高周波発振回路を内蔵した電源装置と、蓄電池を有して、前記電源装置に電磁的に結合し高周波発振回路の高周波出力による電磁誘導で得られる２次出力により蓄電池を充電する本体機器とからなる非接触型充電装置において、本体機器が電源装置に正常に装着されているか否かを判断する手段が提案されている（特許文献１参照）。特許文献１では、本体機器が電源装置に正常に装着されている場合には、設計通りのインピーダンス整合によって１次コイルに所定の電力が流れる。一方、位置ずれ等により装着状態が不良である場合、脱落によって本体機器が装着されていない場合、あるいは電源装置の本体機器装着部の凹所に導電性異物が誤って置かれた場合等には、インピーダンスダンス不整合によって１次コイルに流れる電流が減少することで異常の有無を判断する。
特開２００６−１１５５９２号公報
特許文献１には本体機器と電源装置の間に誤って異物が置かれた場合に１次コイルに流れる電流が減少することで異常と判断する。しかし、特許文献１の非接触型充電装置においては、電源装置の本体機器装着部に正しく本体機器が装着された後に、電源装置（給電側）と本体機器（受電側）との間に異物が存在する状態になる事態に関しては何ら配慮がなされていない。
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、給電側と受電側との間に送電に悪影響を与える異物の存在を、専用のセンサを設けずに検出することができる共鳴型非接触給電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、前記交流電源から電力の供給を受ける１次側共鳴コイルを備えた給電側設備と、前記１次側共鳴コイルからの電力を受電する２次側共鳴コイル、前記２次側共鳴コイルが受電した電力を整流する整流器、及び前記整流器により整流された電力が供給される２次電池を備えた移動体側設備とを備えた共鳴型非接触給電システムである。そして、前記２次電池の充電状態を検知する充電状態検知手段と、前記充電状態に基づいて２次電池のインピーダンス値を推定するインピーダンス推定手段と、前記インピーダンス推定手段により推定されたインピーダンス
推定値と、現在の２次電池のインピーダンス値との差の絶対値が閾値より大きい場合に異物が１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの間に存在すると判断する判断手段とを備え、前記現在の２次電池のインピーダンス値は、前記２次電池の充電電力又は前記交流電源の出力に基づいて算出される。
この発明では、充電状態検知手段により２次電池の充電状態が検知され、インピーダンス推定手段により充電状態に基づいて２次電池のインピーダンス値が推定される。そして、判断手段は、インピーダンス推定手段により推定されたインピーダンス推定値と、２次電池の充電電力又は交流電源の出力に基づいて算出される現在の２次電池のインピーダンス値との差の絶対値が閾値より大きい場合に異物が１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの間に存在すると判断する。したがって、給電側と受電側との間に送電に悪影響を与える異物の存在を、専用のセンサを設けずに検出することができる。
本発明によれば、給電側と受電側との間に送電に悪影響を与える異物の存在を、専用のセンサを設けずに検出することができる共鳴型非接触給電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。 異物の有無判断の処理手順を示すフローチャート。
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及び図２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）に搭載された受電側設備としての移動体側設備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。
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２次電池（バッテリ）２５及び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を備えている。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の充電電力を演算する。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。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。
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、正常状態における２次電池２５のインピーダンス値が記憶されている。このインピーダンス値は、予め試験により求められ、１次側共鳴コイル１３ｂ及び２次側共鳴コイル２１ｂ間の距離が予め設定された状態における２次電池２５の充電状態（ＳＯＣ）と、２次電池２５のインピーダンスとの関係を示すデータがマップ又は関係式として記憶されている。車両側コントローラ２６は、電圧センサ２７の検出信号から２次電池２５の充電状態を確認する。車両側コントローラ２６及び電圧センサ２７は、２次電池２５の充電状態を検知する充電状態検知手段を構成する。また、車両側コントローラ２６は、２次電池２５の充電状態と、２次電池２５のインピーダンスとの関係を示すデータから２次電池２５のインピーダンス値を推定する。即ち車両側コントローラ２６は、充電状態検知手段の検知信号に基づいて２次電池２５のインピーダンス値を推定するインピーダンス推定手段としても機能する。
また、記憶装置３３には、予め試験により求めた２次電池２５のインピーダンスと、充電電力との関係を示すデータがマップ又は関係式として記憶されている。車両側コントローラ２６は、このデータを用いて充電時における充電電力から２次電池２５の現在のインピーダンス値を求める。そして、車両側コントローラ２６は、インピーダンス推定手段により推定されたインピーダンス推定値と、現在の２次電池２５のインピーダンス値との差の絶対値が閾値より大きい場合に、異物が１次側共鳴コイル１３ｂと２次側共鳴コイル２１ｂとの間に存在すると判断する。即ち、車両側コントローラ２６は、異物が１次側共鳴コイル１３ｂと２次側共鳴コイル２１ｂとの間に存在するか否かを判断する判断手段としても機能する。閾値は、車両が所定の充電停止位置に停止した状態で給電側設備１０から非接触で給電が行われるときに、充電停止位置の誤差や充電状態の検出誤差等に起因するインピーダンス推定値の変動幅より大きな値に設定される。
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の所定の充電停止位置に停止する。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取れなくなり、高周波電源１１への反射電力が増えて、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、図２のフローチャートにしたがって異物の有無判断の処理を所定周期で実行する。車両側コントローラ２６は、ステップＳ１で電圧センサ２７及び電流センサ２８の検出信号を入力する。車両側コントローラ２６は、ステップＳ２で電圧センサ２７の検出信号から２次電池２５の充電状態を検知し、ステップＳ３で２次電池２５の充電状態と、２次電池２５のインピーダンスとの関係を示すデータから２次電池２５のインピーダンス値Ｚｓを推定（演算）する。車両側コントローラ２６は、ステップＳ４で電圧センサ２７及び電流センサ２８の検出信号から充電電力を演算し、ステップＳ５で２次電池２５のインピーダンスと、充電電力との関係を示すデータを用いて現在の２次電池２５のインピーダンス値Ｚｒを演算する。
次にステップＳ６で、車両側コントローラ２６は、ステップＳ３において充電状態から推定した推定インピーダンス値Ｚｓと、ステップＳ５において充電電力から求めた現在のインピーダンス値Ｚｒとの差の絶対値（ |Ｚｓ−Ｚｒ| ）が閾値より大きいか否かを判断する。車両側コントローラ２６は、差の絶対値が閾値以下であれば異物が存在しないと判断して処理を終了し、差の絶対値が閾値より大きければ異物が１次側共鳴コイル１３ｂと２次側共鳴コイル２１ｂとの間に存在すると判断してステップＳ７に進む。車両側コントローラ２６は、ステップＳ７で図示しない報知装置に異物存在を示す異常報知指令信号を出力し、報知装置により異物存在の報知を行った後、処理を終了する。報知装置は、目視による確認可能な表示装置が好ましいが、聴覚により確認可能な音声による報知装置等であってもよい。
１次側共鳴コイル１３ｂ及び２次側共鳴コイル２１ｂとの間に異物が存在する場合、２次電池２５のインピーダンスに限らず、共鳴系の他の箇所、例えば、１次コイル１３ａの両端で測定した共鳴系（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）全体の入力インピーダンスも変化する。しかし、２次電池２５のインピーダンスは同じ充電状態であれば、異物以外の影響を受け難いので、他の箇所のインピーダンスを基に判断するより異物の有無判断の信頼性が高くなる。
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充電完了を判断し、充電が完了すると、電源側コントローラ１４に充電完了信号を送信する。電源側コントローラ１４は、充電完了信号を受信すると電力伝送を終了する。
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、２次電池２５の充電状態を検知する充電状態検知手段、充電状態から２次電池２５のインピーダンス値を推定するインピーダンス推定手段をさらに備えている。また、インピーダンス推定手段により推定されたインピーダンス推定値と、現在の２次電池２５のインピーダンス値との差の絶対値が閾値より大きい場合に異物が１次側共鳴コイル１３ｂと２次側共鳴コイル２１ｂとの間に存在すると判断する判断手段（車両側コントローラ２６）を備えている。したがって、給電側（給電側設備１０）と受電側（移動体側設備２０）との間に送電に悪影響を与える異物の存在を、専用のセンサを設けずに検出することができる。
（２）現在の２次電池２５のインピーダンス値は、予め試験により求めた２次電池２５のインピーダンスと、充電電力との関係を示すデータから求められる。充電電力は、充電時に２次側整合器２２の調整を行う場合に用いられるため、その値を使用することにより２次電池２５のインピーダンスを求めるためにのみ充電電力を検出する必要はない。
（３）車両側コントローラ２６の異物存在の判断により、報知装置が異物存在を報知する。したがって、車両の乗員が異物の存在を認識して、必要な対処（例えば、異物の除去）を行い易くなる。
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。
○ ２次電池２５の充電状態を電圧センサ２７の検出信号に基づいて検知する代わりに、車両側コントローラ２６が２次電池２５の充電及び放電経過から演算してもよい。この場合の方が充電状態を精度良く検出することが可能になる。
○ ２次電池２５の現在のインピーダンスは、予め試験により求めた２次電池２５のインピーダンスと、充電電力との関係を示すデータから求める代わりに他の方法で求めてもよい。例えば、充電時に２次側整合器２２の整合調整が行われた状態の高周波電源１１の出力と、２次電池２５のインピーダンスとの関係を示すデータを記憶装置３３に記憶しておき、高周波電源１１の出力を検出して２次電池２５のインピーダンスを求めてもよい。
○ 車両側コントローラ２６は、異物が存在するか否かの閾値として第１閾値及び第１閾値より大きな第２閾値を備え、インピーダンス推定値と、現在の２次電池２５のインピーダンス値との差の絶対値が第２閾値より大きい場合に、給電側設備１０からの給電が停止されるようにしてもよい。例えば、第２閾値としてその状態で充電を継続すると反射電力が大き過ぎて充電効率の低下が著しい場合の値が設定される。この場合、車両側コントローラ２６は、前記絶対値が第２閾値より大きいと判断すると、電源側コントローラ１４に無線でその結果を送信し、電源側コントローラ１４は、それを受信すると充電を中止する。また、異常発生報知手段を駆動させる。
○ インピーダンス推定手段により推定されたインピーダンス推定値と、現在の２次電池２５のインピーダンス値との差の絶対値が閾値より大きい場合に異物が１次側共鳴コイル１３ｂと２次側共鳴コイル２１ｂとの間に存在すると判断する判断手段を、給電側設備１０（例えば、電源側コントローラ１４）に設け、異物の存在を報知する報知装置も給電側設備１０に設けてもよい。報知装置は車両の乗員が確認し易い位置に設けられる。この場合、各車両に異物の存在を報知する報知装置を設けるのに比べて、報知装置の設置が少なくてよい。
○ 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。
○ 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。
○ １次側整合器１２及び２次側整合器２２はπ型に限らず、Ｔ型やＬ型の整合器であってもよい。
○ 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。
○ 給電側設備１０の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を省略した場合は、給電側から電力を効率良く受電側に供給するためには、１次側共鳴コイル１３ｂ及び２次側共鳴コイル２１ｂ間の距離が予め設定された値となるように、移動体を所定の充電停止位置に停止させる必要がある。
○ 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。
（２）請求項１又は前記技術的思想（１）に記載の発明において、現在の２次電池のインピーダンス値は、予め試験により求めた２次電池のインピーダンスと、充電電力との関係を示すデータから求められる。
（３）請求項１、前記技術的思想（１）及び（２）のいずれか一項に記載の発明において、前記判断手段による異物の存在判断に基づいて駆動される報知装置がさらに設けられている。
（４）請求項１、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、前記判断手段は閾値として第１閾値及び第１閾値より大きな第２閾値を備え、前記インピーダンス推定値と、現在の２次電池のインピーダンス値との差の絶対値が第２閾値より大きい場合に、給電側設備からの給電が停止される。
１０…給電側設備、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、２３…整流器、２４…充電器、２５…２次電池、２６…充電状態検知手段、インピーダンス推定手段及び判断手段を構成する車両側コントローラ、２７…充電状態検知手段を構成する電圧センサ。

Claims (1)

  1. 交流電源、前記交流電源から電力の供給を受ける１次側共鳴コイルを備えた給電側設備と、
    前記１次側共鳴コイルからの電力を受電する２次側共鳴コイル、前記２次側共鳴コイルが受電した電力を整流する整流器、及び前記整流器により整流された電力が供給される２次電池を備えた移動体側設備と
    を備えた共鳴型非接触給電システムであって、
    前記２次電池の充電状態を検知する充電状態検知手段と、
    前記充電状態に基づいて２次電池のインピーダンス値を推定するインピーダンス推定手段と、
    前記インピーダンス推定手段により推定されたインピーダンス推定値と、現在の２次電池のインピーダンス値との差の絶対値が閾値より大きい場合に異物が１次側共鳴コイルと２次側共鳴コイルとの間に存在すると判断する判断手段と
    を備え、
    前記現在の２次電池のインピーダンス値は、前記２次電池の充電電力又は前記交流電源の出力に基づいて算出されることを特徴とする共鳴型非接触給電システム。
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