JP5506327B2

JP5506327B2 - 非接触電力供給装置

Info

Publication number: JP5506327B2
Application number: JP2009246749A
Authority: JP
Inventors: 義範片岡; 悠本田
Original assignee: Heads Corp
Current assignee: Heads Corp
Priority date: 2009-10-27
Filing date: 2009-10-27
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2029-10-27
Also published as: JP2011097671A

Description

本発明は車両（自動車、工場用移動車両、運搬車、遊戯用車両を含む）のバッテリ、ロボット等の機械装置、車両玩具等に非接触で電力を供給する非接触電力供給装置に関する。

例えば、工場等で電池（バッテリ）で動く車両及び一般道路等を走行する電気自動車は、定期的に電池を充電する必要があり、所定の場所に設置している充電器の近くに車両を止めて、接続コードを用いて車両の電池と充電器を接続し、電池への充電が行われていた。ところが、接続コードを用いて電池へ充電する場合、極めて手間であるので、例えば、特許文献１〜３に示すように、車両に非接触で電力を供給することが行われている。この特許文献１〜３においては、高周波電源に接続された一次コイルと、負荷に接続される二次コイルを有している。更に、これらの非接触電力供給装置（非接触給電装置）に、共振用の三次コイルを設ける装置が特許文献４において開示されている。

特開２００５−９４８６２号公報特開２００６−３２５３５０号公報ＷＯ２００６／０２２３６５号公報特許第４３１８７４２号公報

しかしながら、これらの非接触電力供給装置を自動車に応用した場合には、所定の場所に正確に車両を止めることは困難であるので、それぞれ平面視して円形又は正方形状となった一次コイルと二次コイル（場合によっては三次コイル）の位置合わせが困難であった。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、一次コイル、二次コイルの形状及び配置を工夫し、無接触で配置される一次コイルと二次コイルの軸心位置が多少異なっても、大量の電力を安定して供給できる非接触電力供給装置を提供することを目的とする。

前記目的に沿う第１の発明に係る非接触電力供給装置は、車両に搭載される二次コイルと、前記車両外に配置されて、高周波電源に接続され、前記二次コイルに無接触で電力を送る一次コイルとを有する非接触電力供給装置において、
前記一次コイルを平面視して横長形状とし、その長手方向の第１の軸線を前記車両の進行方向と直交する方向に向けて該一次コイルが床部に配置され、前記二次コイルを平面視して縦長形状とし、その長手方向の第２の軸線を前記車両の進行方向と一致させて該二次コイルが前記車両の底部に配置され、
前記車両には前記二次コイルの他に、平面視して前記二次コイルと同一形状の三次コイルが設けられ、該三次コイルには共振用のコンデンサＡが並列接続され、
しかも、前記一次コイルには、平面視して該一次コイルと同一形状で、共振用のコンデンサＢが並列接続されて、前記一次コイルの電磁エネルギーの到達距離を伸ばす一次側補助コイルが設けられ、前記一次側補助コイルと前記コンデンサＢとで形成される共振回路の共振周波数が、該共振周波数の±１％の範囲で前記高周波電源の発振周波数からずれている。

また、前記目的に沿う第２の発明に係る非接触電力供給装置は、車両に搭載される二次コイルと、前記車両外に配置されて、高周波電源に接続され、前記二次コイルに無接触で電力を送る一次コイルとを有する非接触電力供給装置において、
前記一次コイルを平面視して縦長形状とし、その長手方向の第１の軸線を前記車両の進行方向に向けて該一次コイルが床部に配置され、前記二次コイルを平面視して横長形状とし、その長手方向の第２の軸線を前記車両の進行方向と直交する方向に向けて、該二次コイルが前記車両の底部に配置され、
前記車両には前記二次コイルの他に、平面視して前記二次コイルと同一形状の三次コイルが設けられ、該三次コイルには共振用のコンデンサＡが並列接続され、
しかも、前記一次コイルには、平面視して該一次コイルと同一形状で、共振用のコンデンサＢが並列接続されて、前記一次コイルの電磁エネルギーの到達距離を伸ばす一次側補助コイルが設けられ、前記一次側補助コイルと前記コンデンサＢとで形成される共振回路の共振周波数が、該共振周波数の±１％の範囲で前記高周波電源の発振周波数からずれている。

なお、後述の縦方向とは平面視して車両の進行方向をいい、横方向とは車両の進行方向に直交する方向（即ち、車両の幅方向）をいう。そして、縦長形状及び横長形状とは、例えば、平面視して楕円形、長円形（卵形も含む）、長方形（角部が丸くなっているもの、角部の面取りがなされているものも含む）をいい、第１、第２の軸線とは、楕円形及び長円形においては長径相当線をいい、長方形の場合は、長手方向の中心線をいう。
縦長形状及び横長形状においては、平面視して最小内幅ａに対する最大内幅ｂの比は、ｂ／ａが１．２〜５（より好ましくは１．５〜４）とするのがよい。

第１、第２の発明に係る非接触電力供給装置は、前記車両に前記二次コイルの他に、平面視して前記二次コイルと同一形状の三次コイルが設けられ、該三次コイルには共振用のコンデンサＡが並列接続されている。この場合の共振用のコンデンサＡは、必ずしも一次コイルに加わる高周波電力と共振する容量のものである必要はなく、例えば±１％の範囲で、三次コイルとコンデンサＡの共振周波数を、高周波電力の周波数からずらすものであってもよい。

第１、第２の発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイル及び前記二次コイルは、各巻線が平面状のスパイラル巻（渦巻）となっているのが好ましい。これによって、一次コイル及び二次コイルの薄型化が可能である。

第１、第２の発明に係る非接触電力供給装置において、前記一次コイルは、前記車両の幅方向に移動可能に配置されているものであってもよい。
これによって、一次コイルと二次コイルの軸心合わせが容易となり、より効率的に一次コイルから二次コイルに電力を供給できる。

本発明に係る非接触電力供給装置は、一次コイルの長手方向の第１の軸線と、二次コイルの長手方向の第２の軸線が実質直交するようにして、一次コイルを床部に、二次コイルを車両の底部に配置しているので、車両の二次コイルの軸心と、床部の一次コイルの軸心を一致させない状態（即ち、少しの範囲で軸心がずれる状態）であっても、二次コイルと一次コイルが重なれば、一次コイルから二次コイルに電力を効率良く送ることができる。

特に、二次コイルに共振用の三次コイルを設け、共振用のコンデンサＡを並列に接続するので、更に大電力を一次コイルから二次コイルに送ることができる。
また、一次コイルにも共振用のコンデンサＢが並列に接続された一次側補助コイルを設けるので、より離れた一次コイルと二次コイルの間で電力を送ることができる。

また、一次コイルを車両の幅方向に沿って移動可能に床部に配置することによって、車両の軸心（即ち、二次コイルの車両の進行方向の軸心）と一次コイルの軸心がずれても、一次コイルを移動させることによって、一次コイルの軸心と二次コイルの車両進行方向の軸心を合わせることができる。

（Ａ）は本発明の一実施の形態に係る非接触電力供給装置の側面図、（Ｂ）は同非接触電力供給装置の平面図である。同非接触電力供給装置の斜視図である。（Ａ）〜（Ｃ）はそれぞれ本発明の他の実施の形態に係る非接触電力供給装置の説明図である。本発明の実施例を示す説明図である。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示すように、本発明の一実施の形態に係る非接触電力供給装置は、例えば電気自動車からなる車両１０にバッテリ（電池）１１を備え、バッテリ１１から電力を受けて回転駆動するモータ（図示せず）を備えている。車両１０の底部には二次コイル（受電コイル）１２を備え、車両１０が停車する床部（地面）１３には、二次コイル１２に無接触で電力を送る一次コイル（給電コイル）１４を備えている。

一次コイル１４には家庭用の電源１００Ｖ又は２００Ｖに接続される高周波電源（コンバータ）１５が接続されている。この高周波電源１５は１５〜５０ｋＨｚの高周波を発生するが、例えば、１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、２５ｋＨｚ等の高周波を切り換えて発生するようなものであってもよいし、連続的に周波数を変えられるものであってもよい。

高周波電源１５から一次コイル１４までの配線の長さは１５ｍ以内とし、地中配線にするのが好ましい。一次コイル１４は駐車場１６の車止め１７の中央位置に配置されている。そして、一次コイル１４の上面高さは車止め１７の上面高さに一致させている。この実施の形態においては、一次コイル１４は平面視して横長形状の楕円となっている。ここで、横（又は横方向）とは車両１０に対して幅方向をいい、横長とは一次コイルの横方向の寸法がそれに直交する縦方向の寸法より長いことをいい、縦（又は縦方向）とは車両１０の進行方向をいう。即ち、一次コイル１４は長手方向（横方向）の第１の軸線を車両１０の進行方向と直交する方向に向けて配置されている。

一次コイル１４は、例えば、縦が１８０〜２５０ｍｍ、横が２５０〜５００ｍｍで厚みが１００ｍｍ以下で、巻き数は５〜１５ターン程度とするが、長径が短径の１．２〜５倍程度（好ましくは１．４〜２．５倍）で変更できる。この楕円状の一次コイル１４は、コイルを平面状にスパイラル巻（厳密には楕円スパイラル巻、渦巻）に巻いて厚みを薄くするのが好ましいが、各巻線を形状を等しくして同心上に巻く場合も本発明は適用される。

二次コイル１２は車両１０の後部（又は全部）で、幅方向中央位置に配置される。この実施の形態においては、二次コイル１２は平面視して車両１０の進行方向に長い縦長形状の楕円となっている。即ち、二次コイル１２は長手方向（縦方向）の第２の軸線を車両１０の進行方向と一致させて配置されている。

この場合の長径は、例えば、２５０〜５００ｍｍで、短径が１８０〜２５０ｍｍ程度となって、長径が短径の１．２〜５倍程度となっている。そして、二次コイル１２には同心上に三次コイル１９が設けられている。この三次コイル１９には並列（直列）に共振用のコンデンサ２０が接続され、高周波電源１５の周波数に±１％（より好ましくは±０．５％）の範囲で共振するようにしている。なお、三次コイル１９と共振用のコンデンサ２０が完全に共振すると大量の電流が三次コイル（共振コイル）１９に流れるので、５〜１００Ｈｚの範囲で共振周波数をずらすのが好ましい。

この三次コイル１９の形状も、二次コイル１２と平面視して同一形状（即ち、相似形状）となっている。なお、三次コイル１９は二次コイル１２より一次コイル１４に近い側に配置するのが好ましく、これによって、一次コイル１４の温度上昇を減らすことができる。なお、楕円状となった二次コイル１２及び三次コイル１９は、平面的にスパイラル巻（厳密には、楕円スパイラル巻、渦巻）に巻かれている。

図２に示すように、二次コイル１２によって回収された電力は、電力変換部２１を介して負荷であるバッテリ１１に供給される。なお、二次コイル１２の上側には高周波磁束を流す鉄損の少ない磁性体（例えば、フェライトコア）の磁性板材２２を配置するのが好ましく、これによって、磁束が車両１０側に漏れるのを防止することができる。

また、同様な磁性体からなる磁性板材２３を、一次コイル１４の底に配置することもでき、これによって、全体の磁気効率を向上させることができる。この板材２２、２３の寸法はそれぞれ平面視して二次コイル１２、一次コイル１４より広いことが好ましい。なお、三次コイル１９の巻き数は二次コイル１２と同じく５〜１５ターンとしてもよいが、コンデンサ２０の容量によって変わるので、二次コイル１２の巻き数と異なる巻き数（発熱を考慮すると、より少ない方が好ましい）であってもよい。

この実施の形態においては、高周波電源１５に例えば、２５ｋＨｚを使用する場合、車両１０からこれ以外の周波数（例えば４５ｋＨｚ）の送信機を設けて、二次コイル１２を通じて一次コイル１４に信号を送り、高周波電源１５にこの４５ｋＨｚ（搬送波）からの信号を受ける受信機を設置し、充電開始（及び充電終了）の信号とすることもできる。なお、充電開始は、車両１０が所定位置に止まった場合、人が押しボタンスイッチを押した場合等に設定できる。充電終了は、バッテリ１１の電圧を監視し、所定の電圧となった場合に充電停止の信号とすることができる。

続いて、図３を参照しながら、一次コイル及び二次コイルの配置及び形状についての他の実施の形態について説明する。
図３（Ａ）は平面視して縦長形状（例えば、楕円形状）の一次コイル２５をその長手方向の軸線（長軸、長径）を車両１０の進行方向に合わせて床部に配置し、横長形状（例えば、楕円形状）の二次コイル２６及び三次コイル２７を車両１０の進行方向とその長手方向の軸線を直交させて車両１０の底部に配置している。

図３（Ｂ）は平面視して横長形状（例えば、長円形状）の一次コイル２８をその長手方向の軸線（長軸）を車両１０の進行方向に直交させて床部に配置し、縦長形状（例えば、長円形状）の二次コイル２９及び三次コイル３０を車両１０の進行方向にその長手方向の軸線を合わせて車両１０の底部に配置している。

図３（Ｃ）は平面視して角部を丸くした長方形の一次コイル３１を、長手方向の軸線（中心線）を車両１０の進行方向に対して直交させて床部に配置し、角部を丸くした長方形の二次コイル３２、三次コイル３３をその軸線（即ち中心線）が車両１０の進行方向に向いて車両１０の底部に配置されている。

以上のように、一次コイルと二次コイルの長手方向の軸線（即ち、長軸、最大幅の内径）を直交させることによって、車両１０の止める位置に横方向のずれがあっても、一次コイルと二次コイルの磁気結合を確保し、より効率的に電気エネルギーを伝えることができる。なお、二次コイルと同心上に配置される三次コイルを設けて、回路を共振させ、より大きな電力を一次コイルから二次コイルに伝えることが好ましいが、場合によっては三次コイルを省略する場合も本発明は適用される。

また、以上に述べた実施の形態で説明した縦長形状及び横長形状の一次コイル及び二次コイルを組み合わせて使用することもでき、例えば、一次コイルに平面視して楕円形状、長円形状、長方形状の何れかを使用し、二次コイル及び三次コイルに、平面視して楕円形状、長円形状、長方形状の何れかを使用し、これら（一次コイルと二次コイル）の長軸を直交させるようにしてもよい。

また、上記実施の形態において、一次コイルを車両の横方向に移動できるように配置し、略正確に一次コイルと二次コイルの軸心を合わせることもできる。この場合、リニアレールを床部に配置し、一次コイルをリニアレールに沿って移動できるようにしてもよいし、場合によっては一次コイルを駆動手段（モータ、シリンダ）等で駆動させるようにしてもよい。
また、一次コイルを昇降可能に床部に配置してもよい。これによって、一次コイルと二次コイルの距離が小さくできるので、より効率的に電力を伝えることができる。

なお、一次コイル１４に更に同一形状（相似、合同を含む）の一次側補助コイルを設け、この一次側補助コイルに共振用のコンデンサを並列に接続することもできる。これによって、一次側の電磁エネルギーの到達距離を伸ばすことができる。
また、道路面に設けた一次コイルから給電（充電）しながら、車両を走行させることもできる。

続いて、図１、図４を参照しながら、本発明を更に具体化した実施例について説明する。
高周波電源（コンバータ）１５は出力１．５ｋＷとし、家庭用ＡＣ１００Ｖ（又はＡＣ２００Ｖ）を電源とする。出力周波数は、将来の拡張性を考慮し１５、２０、２５ｋＨｚの選択が可能とする。標準は屋内仕様とする。
駐車場１６に設置する一次コイル（給電コイル）１４までの距離は１５ｍ以内とし、配線は原則として埋設とする。一次コイル１４は駐車場１６の車止め中央位置で車止め高さと同程度以下に設置する。一次コイル１４の形状は車の停車位置範囲に余裕を持たせる為、横長とする。動作状態をランプで示す表示盤を設け、「電源」、「充電要求」、「給電中」、「温度異常」、「電流異常」を示すランプを設ける。

車両１０の受電コイル３５（二次コイル１２と三次コイル１９）の取り付け位置は、前輪又は後輪のタイヤを車止め１７に当てて停車したとき車止め中央の位置上方にコイル中心をあわせる。受電コイル３５の形状は停車位置前後の余裕を考え縦長（即ち、車両１０の進行方向に長軸、長径を一致させる）とする。一次コイル１４及び二次コイル１２（及び三次コイル１９、これらを総称して「送受コイル」）を長径２５０ｍｍ、短径２００ｍｍの横長と縦長とすることにより、許容軸ずれが前後±５０ｍｍ、左右±５０ｍｍとなる。

受電コイル３５の取り付け高さ位置は、車止め高さより５０ｍｍ以上、２００ｍｍ以下の高い位置とする（１００ｍｍを標準とする）。地面からの高さは約２００ｍｍを標準とする。コイル間ギャップが１００ｍｍで最高効率となるようにする。
受電コイル３５は電力変換部（受電コントローラ）２１とセットで使用し、バッテリ１１の充電に必要なＤＣ電圧に変換する。また、電力変換部２１からの充電要求信号を入力し、４５ｋＨｚの充電要求信号を高周波電源１５へ送信する。高周波電源１５は一次コイル１４で４５ｋＨｚの充電要求信号を受信すると給電を開始する。一次コイル１４の温度監視も行い、コイルが９０℃以上になると充電要求信号をＯＦＦにし、充電を一時停止する。

車両１０には、表示盤を備え、電力変換部２１の「電源」、４５ｋＨｚの信号を送る「充電要求」、「受電中」、「コイル温度異常」が表示され、モニタに受電電流の大きさが表示される。なお、一次コイル１４には給電表示のランプが設けられている。

この非接触電力供給装置には、電力変換部２１にケーブルで直接接続されるカプラを備え、街の充電スタンドでの３０ｋＷの急速充電は、ケーブル接続方式でも可能である。
また、場合によっては、街の充電スタンドで３０ｋＷの非接触大型コンバータを使用して急速充電も可能である。その場合、三次コイル（共振コイル）１９での発熱ロスを出さない為、コイルの共振周波数以外の周波数（たとえば１５ｋＨｚ）で使用することが出来る。この場合、共振機能を使用しないのでコイル間ギャップは５ｍｍ程度以下となる。

高周波電源（コンバータ）の仕様は例えば、以下の通りである。
外形寸法：Ｗ１５０ｍｍ×Ｈ１２０ｍｍ×Ｄ２５０ｍｍ以下
入力電圧：ＡＣ１００Ｖ５０ｏｒ６０Ｈｚ
入力電流：ｍａｘ１５Ａ
出力電圧・・・１００〜２５０Ｖｒｍｓ
出力周波数・・・１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、２５ｋＨｚ
出力電力・・・ｍａｘ１．５ｋＷ
充電要求信号：４５ｋＨｚ
＜保護機能＞
給電コイル温度監視：９０℃以上で出力停止
受電異常（電流監視）：過電流で出力停止
＜動作表示＞
主電源ＯＮ
充電要求信号受信
給電出力ＯＮ
内部温度異常
給電コイル温度異常
給電電流異常

一次コイル（給電コイル）の仕様は例えば以下の通りである。
外形寸法：（縦）２００ｍｍ×（横）３００ｍｍ×（厚）１００ｍｍ以下
共振周波数：２５ｋＨｚ
容量：１．５ｋＷ

二次コイルと三次コイル（受電コイル）の仕様は例えば以下の通りである。
外形寸法：（横）２００ｍｍ×（縦）３００ｍｍ×（厚）８０ｍｍ以下
共振周波数：２５ｋＨｚ
容量：３０ｋＷ

電力変換部（受電コントロールユニット）の仕様は、例えば以下の通りである。
電源：ＤＣ２４Ｖ
入力：受電コイルからの２５ｋＨｚ
出力：充電に必要なＤＣ電圧
インターフェイス入力：充電要求信号（接点又はトランジスタオープンコレクタ）
通信出力：コンバータへ４５ｋＨｚ充電要求
受電コイル温度監視：受電コイルが９０℃以上で充電要求ＯＦＦ
インターフェイス出力：温度異常
表示：電源ＰＬ．
充電要求受信
受電中
コイル温度異常
モニタ：受電電流（５Ｖ／５０Ａ）

１０：車両、１１：バッテリ、１２：二次コイル、１３：床部、１４：一次コイル、１５：高周波電源、１６：駐車場、１７：車止め、１９：三次コイル、２０：コンデンサ、２１：電力変換部、２２、２３：磁性板材、２５：一次コイル、２６：二次コイル、２７：三次コイル、２８：一次コイル、２９：二次コイル、３０：三次コイル、３１：一次コイル、３２：二次コイル、３３：三次コイル、３５：受電コイル

Claims

車両に搭載される二次コイルと、前記車両外に配置されて、高周波電源に接続され、前記二次コイルに無接触で電力を送る一次コイルとを有する非接触電力供給装置において、
前記一次コイルを平面視して横長形状とし、その長手方向の第１の軸線を前記車両の進行方向と直交する方向に向けて該一次コイルが床部に配置され、前記二次コイルを平面視して縦長形状とし、その長手方向の第２の軸線を前記車両の進行方向と一致させて該二次コイルが前記車両の底部に配置され、
前記車両には前記二次コイルの他に、平面視して前記二次コイルと同一形状の三次コイルが設けられ、該三次コイルには共振用のコンデンサＡが並列接続され、
しかも、前記一次コイルには、平面視して該一次コイルと同一形状で、共振用のコンデンサＢが並列接続されて、前記一次コイルの電磁エネルギーの到達距離を伸ばす一次側補助コイルが設けられ、前記一次側補助コイルと前記コンデンサＢとで形成される共振回路の共振周波数が、該共振周波数の±１％の範囲で前記高周波電源の発振周波数からずれていることを特徴とする非接触電力供給装置。
車両に搭載される二次コイルと、前記車両外に配置されて、高周波電源に接続され、前記二次コイルに無接触で電力を送る一次コイルとを有する非接触電力供給装置において、
前記一次コイルを平面視して縦長形状とし、その長手方向の第１の軸線を前記車両の進行方向に向けて該一次コイルが床部に配置され、前記二次コイルを平面視して横長形状とし、その長手方向の第２の軸線を前記車両の進行方向と直交する方向に向けて、該二次コイルが前記車両の底部に配置され、
前記車両には前記二次コイルの他に、平面視して前記二次コイルと同一形状の三次コイルが設けられ、該三次コイルには共振用のコンデンサＡが並列接続され、
しかも、前記一次コイルには、平面視して該一次コイルと同一形状で、共振用のコンデンサＢが並列接続されて、前記一次コイルの電磁エネルギーの到達距離を伸ばす一次側補助コイルが設けられ、前記一次側補助コイルと前記コンデンサＢとで形成される共振回路の共振周波数が、該共振周波数の±１％の範囲で前記高周波電源の発振周波数からずれていることを特徴とする非接触電力供給装置。
請求項１又は２記載の非接触電力供給装置において、前記一次コイル及び前記二次コイルは、各巻線が平面状のスパイラル巻となっていることを特徴とする非接触電力供給装置。