JP5613278B2 - 車両用ワイヤレス充電システム - Google Patents

Description

本発明は、給電装置より出力される電力を、非接触で車両に搭載されるバッテリに送信して該バッテリを充電する車両用ワイヤレス充電システムに係り、特に、電力送信時に生じる反射による電力の増幅を防止する技術に関する。

電気自動車のバッテリに電力を充電する充電システムとして、例えば、特開２００６−７４８６８号公報（特許文献１）に記載されているものが知られている。該特許文献１に記載された充電システムでは、電磁誘導による非接触の充電方式を採用して、バッテリ充電用の電力を、非接触で車両に供給してバッテリを充電することができるので、プラグ接続等の操作を必要とせずに簡易にバッテリへの充電を行うことができる。

このような充電システムでは、給電装置より送信される電力が車両側で全て消費されれば、車両側から給電装置側に戻される電力（電力の反射）は発生しない。ところが、車両側に送信された電力が全て消費されない場合には、電力が車両側から給電装置側に戻されてしまう。即ち、給電装置側にて送信された電力が車両側にて反射し、電力が増幅され最大飽和電力（臨界点）に達する発振現象が発生するという欠点がある。

特開２００６−７４８６８号公報

上述したように、従来における車両用ワイヤレス充電システムでは、給電装置から車両に電力を送信する際に、送信した電力が車両で反射する場合があり、この反射波が給電装置に伝達されると、該給電装置より送信する電力信号が増幅され、発振現象が発生するという欠点がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、送信する交流電力が反射により増幅された場合に、これを検知して交流電力の出力を停止することが可能な車両用ワイヤレス充電システムを提供することにある。

上記目的を達成するため、本願請求項１に記載の発明は、給電装置より出力される電力を非接触で車両側に送信し、該車両に搭載されるバッテリを充電する車両用ワイヤレス充電システムにおいて、前記給電装置は、交流電力を出力する電力出力手段と、前記交流電力を増幅する電力増幅手段と、前記電力増幅手段で増幅された交流電力を送信する第１通信端末と、を有し、前記車両は、前記第１通信端末より送信された交流電力を受信する第２通信端末と、前記交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記バッテリに供給する整流手段と、前記バッテリに電力が供給されているか否かを検出し、電力が供給されていない場合には異常を示す制御信号を出力するバッテリ監視手段と、を有し、前記給電装置は、前記バッテリ監視手段より出力される前記異常を示す制御信号が受信された場合に、前記交流電力の出力を停止する制御を行う制御手段を備え、前記第１通信端末は、前記交流電力を送信すると共に前記第２通信端末より送信される信号を受信する送受信機能を備え、且つ、前記第２通信端末は、前記交流電力を受信すると共に前記第１通信端末に信号を送信する送受信機能を備え、前記給電装置は、前記第１通信端末を送信モードまたは受信モードに切り換える送信・受信切換手段を備え、前記車両は、前記第２通信端末を受信モードまたは送信モードに切り換える受信・送信切換手段を備え、前記第１通信端末から前記第２通信端末に交流電力を送信する際には、前記送信・受信切換手段を送信モードとし、且つ、前記受信・送信切換手段を受信モードとし、前記第２通信端末から前記第１通信端末に信号を送信する際には、前記送信・受信切換手段を受信モードとし、且つ、前記受信・送信切換手段を送信モードとし、第２通信端末は、前記交流電力の減衰信号をキャリアとして、前記異常を示す制御信号を第１通信端末に送信することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、給電装置より出力される電力を非接触で車両側に送信し、該車両に搭載されるバッテリを充電する車両用ワイヤレス充電システムにおいて、前記給電装置は、交流電力を出力する電力出力手段と、前記交流電力を増幅する電力増幅手段と、前記電力増幅手段で増幅された交流電力を送信する第１通信端末と、を有し、前記車両は、前記第１通信端末より送信された交流電力を受信する第２通信端末と、前記交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記バッテリに供給する整流手段と、前記バッテリに電力が供給されているか否かを検出し、電力が供給されていない場合には異常を示す制御信号を出力するバッテリ監視手段と、を有し、前記給電装置は、前記バッテリ監視手段より出力される前記異常を示す制御信号が受信された場合に、前記交流電力の出力を停止する制御を行う制御手段を備え、前記車両は、前記給電装置へ制御信号を送信する車両側送信手段を有し、且つ、前記給電装置は、車両側より送信される制御信号を受信する給電側受信手段を有し、前記車両側送信手段は、前記第２通信端末で受信された交流電力から分離してキャリア信号を取り出し、取り出したキャリア信号の周波数を他の周波数に変更するキャリア信号生成手段を備え、該キャリア信号生成手段で生成されたキャリア信号に、所定の変調方式を用いて前記異常を示す制御信号を重畳し、前記給電側受信手段に送信することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、給電装置より出力される電力を非接触で車両側に送信し、該車両に搭載されるバッテリを充電する車両用ワイヤレス充電システムにおいて、前記給電装置は、交流電力を出力する電力出力手段と、前記交流電力を増幅する電力増幅手段と、前記電力増幅手段で増幅された交流電力を送信する第１通信端末と、を有し、前記車両は、前記第１通信端末より送信された交流電力を受信する第２通信端末と、前記交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記バッテリに供給する整流手段と、前記バッテリに電力が供給されているか否かを検出し、電力が供給されていない場合には異常を示す制御信号を出力するバッテリ監視手段と、を有し、前記給電装置は、前記バッテリ監視手段より出力される前記異常を示す制御信号が受信された場合に、前記交流電力の出力を停止する制御を行う制御手段を備え、前記車両は、前記給電装置へ制御信号を送信する車両側送信手段を有し、且つ、前記給電装置は、車両側より送信される制御信号を受信する給電側受信手段を有し、前記車両側送信手段は、前記第２通信端末で受信された交流電力から分離してキャリア信号を取り出し、取り出したキャリア信号に周波数変調方式を用いて前記異常を示す制御信号を重畳し、前記給電側受信手段に送信することを特徴とする車両用ワイヤレス充電システム。

請求項１の発明では、バッテリに充電異常が発生した際に、車両より異常を示す制御信号が送信され、この異常を示す制御信号が給電装置で受信されて、給電装置による交流電力の出力を停止する。従って、第２通信端末に送信された交流電力が車両側で全て消費されない場合に、給電装置による交流電力の出力が停止されるので、送信する交流電力と反射により発生する交流電力が重なり合うことを防止でき、交流電力の異常な増大を回避することができる。

また、車両から給電装置に異常を示す制御信号を送信する際に、第１通信端末及び第２通信端末を用いた双方向通信方式を用いるので、別途通信手段を設ける必要がない。

また、車両から給電装置に異常を示す制御信号を送信するために車両側送信手段、及び給電側受信手段が設けられ、交流電力とは異なる周波数を用いて車両から給電装置へ制御信号が送信されるので、異常を示す制御信号を確実に送信することができる。

請求項２の発明では、車両から給電装置に異常を示す制御信号を送信するために車両側送信手段、及び給電側受信手段が設けられ、給電装置から送信される交流電力から、該交流電力とは異なる周波数となるキャリア信号を生成し、このキャリア信号を用いて車両から給電装置へ制御信号が送信されるので、発振器を設ける必要が無く、且つ異常を示す制御信号を確実に送信することができる。

請求項３の発明では、車両から給電装置に異常を示す制御信号を送信するために車両側送信手段、及び給電側受信手段が設けられ、給電装置から送信される交流電力よりキャリア信号を生成し、且つ、このキャリア信号を用いて周波数変調方式を用いて車両から給電装置へ制御信号が送信されるので、交流電力との間で干渉を引き起こすことなく異常を示す制御信号を確実に送信することができる。

本発明の第１，第２実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、電気自動車、及び給電装置を示す説明図である。 本発明の第１，第２実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、給電装置と充電装置の電気的な構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、交流電力の出力タイミング、及び停止タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明の第３〜６実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、電気自動車、及び給電装置を示す説明図である。 本発明の第３実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、給電装置と充電装置の電気的な構成を示すブロック図である。 本発明の第４実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、給電装置と充電装置の電気的な構成を示すブロック図である。 本発明の第５実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、給電装置と充電装置の電気的な構成を示すブロック図である。 本発明の第６実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの、給電装置と充電装置の電気的な構成を示すブロック図である。 図８に示した車両用ワイヤレス充電システムの、各点における信号波形を示すタイミングチャートである。 共鳴型電力伝送方式の原理を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの構成を示す説明図である。同図に示すように、本実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システム１０は、電気自動車５（車両）と、該電気自動車５に電力を供給する給電装置１１を備えており、給電装置１１より出力される電力を、非接触で電気自動車５に送信する。

給電装置１１は、第１共鳴コイル２４を備えており、該第１共鳴コイル２４に交流電力が供給されると、該交流電力が電気自動車５に設けられている第２共鳴コイル（第２通信端末）３１に伝達される。

電気自動車５は、充電時に車両を給電装置１１の所定位置に置いたときに、第１共鳴コイル２４と接近する第２共鳴コイル３１と、結合分配器（分配手段）３２と、整流器（整流手段）３３を備えている。更に、直流電力を充電するバッテリ３５と、該バッテリ３５の電圧を降圧してサブバッテリ４１に供給するＤＣ／ＤＣコンバータ４２と、バッテリ３５の出力電力を交流電力に変換するインバータ４３と、該インバータ４３より出力される交流電力により駆動するモータ４４を備えている。

図２は、本発明の第１実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの構成を示すブロック図である。電気自動車５は、図２に示す充電装置１２を備えており該充電装置１２は、給電装置１１より電力が供給されてバッテリ３５が充電される。

給電装置１１は、電力伝送用のキャリア信号を出力するキャリア発振器（電力出力手段）２１と、該キャリア発振器２１より出力されるキャリア信号に、例えばＡＳＫ変調等の変調方式で制御信号を重畳するＡＳＫ変調器（変調手段）２２と、ＡＳＫ変調器で変調された交流電力を増幅する電力増幅器（電力増幅手段）２３、及び電力増幅器２３で増幅された交流電力を出力する第１共鳴コイル（第１通信端末）２４を備えている。

更に、第１共鳴コイル２４で検出される反射電力レベルを検出する反射電力検出部２５と、該反射電力検出部２５で検出される反射電力レベルが所定値を超えた場合に、キャリア発振器２１より出力する交流電力を停止させる制御を行う制御部２６を備えている。

キャリア発振器２１は、電力伝送用の交流信号として、例えば周波数１〜１００［ＭＨｚ］の交流電力を出力する。

ＡＳＫ変調器２２は、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）方式により、キャリア信号である交流電力を変調する。ＡＳＫ変調は、周知のように、デジタル信号を正弦波の振幅の違いで表し、キャリア信号（交流電力）を変調する変調方式である。なお、本実施形態では、変調方式としてＡＳＫ方式を用いる例について説明するが、ＡＭ（Amplitude Modulation）、ＦＭ（Frequency Modulation）、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）、ＯＦＤＭ（Orthogonal frequency division multiplex）、ＳＳ（スペクトラム拡散）等の各変調方式を適用することも可能である。

電力増幅器２３は、ＡＳＫ変調器２２より出力される交流電力を増幅する。そして、増幅した交流電力を第１共鳴コイル２４に出力する。第１共鳴コイル２４は、充電装置１２に設けられる第２共鳴コイル３１と連携し、共鳴型電力伝送方式により非接触で交流電力を第２共鳴コイル３１に伝送する。共鳴型電力伝送方式の詳細については後述する。

また、充電装置１２は、第１共鳴コイル２４より送信される交流電力を受信する第２共鳴コイル３１と、この第２共鳴コイルで受信された交流電力を、大電力の交流電力、及び小電力の交流電力に分離する結合分配器３２と、結合分配器３２より出力される大電力の交流電力を整流して、直流電圧を生成する整流器３３と、該整流器３３より出力される電力で駆動し、結合分配器３２より出力される小電力の交流電力を復調して制御信号を取り出すＡＳＫ復調器（復調手段）３４を備える。また、車両駆動用のモータ４４（図１参照）に電力を供給するバッテリ３５を備え、該バッテリ３５は、整流器３３より出力される直流電力により充電される。

次に、共鳴型電力電送装置について説明する。図１０は、共鳴型電力伝送方式の原理を示す説明図である。図示のように、給電側回路１０１には、１次コイルＬ１、及び該１次コイルＬ１に近接して配置された１次アンテナＸ１が設けられ、車両側回路１０２には、２次コイルＬ２、及び該２次コイルＬ２に近接して配置された２次アンテナＸ２が設けられている。

そして、１次コイルＬ１に１次電流を流すと、電磁誘導により１次アンテナＸ１に誘導電流が流れ、更に、該１次アンテナＸ１のインダクタンスＬｓ、及び浮遊容量Ｃｓにより、該１次アンテナＸ１が共鳴周波数ωｓ（＝１／√Ｌｓ・Ｃｓ）で共鳴する。すると、この１次アンテナＸ１に近接して設けられた２次アンテナＸ２が共鳴周波数ωｓで共鳴し、２次アンテナＸ２に２次電流が流れる。更に、電磁誘導により２次アンテナＸ２に近接した２次コイルＬ２に２次電流が流れる。

上記の動作により、給電側回路１０１から車両側回路１０２に、非接触で電力を供給することができることとなる。

次に、図１、図２に示した本発明の第１実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの動作について説明する。図１に示すように、電気自動車５が、給電装置１１の所定位置に置かれ、給電装置１１側に設けられる第１共鳴コイル２４と、電気自動車５の充電装置１２側に設けられる第２共鳴コイル３１が対向する位置となると、バッテリ３５への充電を行うことができる。

充電が開始されると、図２に示すキャリア発振器２１より、周波数１〜１００［ＭＨｚ］程度の交流電力が出力される。この交流電力はＡＳＫ変調器２２に供給されて、ＡＳＫ変調方式により、給電装置１１から充電装置１２へ送信する制御信号が交流電力に重畳される。即ち、交流電力がキャリア信号として用いられる。

そして、ＡＳＫ変調器２２より出力される交流電力は、電力増幅器２３にて増幅される。増幅された交流電力は、第１共鳴コイル２４、及び第２共鳴コイル３１を介して、前述した共鳴型電力伝送の原理により、充電装置１２に伝送されることになる。

充電装置１２に伝送された交流電力は、結合分配器３２に供給される。該結合分配器３２は、入力された交流電力を大電力の交流電力と小電力の交流電力に分離し、このうち大電力の交流電力を整流器３３に出力する。他方、小電力の交流電力をＡＳＫ復調器３４に出力する。

そして、整流器３３では、大電力の交流電力を整流して所定電圧の直流電力に変換し、この電力をバッテリ３５に供給して、該バッテリ３５を充電する。これにより、バッテリ３５を充電することができる。更に、整流器３３より出力される直流電力は、ＡＳＫ復調器３４を駆動するための電力として該ＡＳＫ復調器３４に供給される。

ＡＳＫ復調器３４では、小電力の交流電力をＡＳＫ復調して、小電力の交流電力に重畳している制御信号を取り出す。こうして、給電装置１１より送信された制御信号を、充電装置１２で受信することができる。

また、整流器３３やバッテリ３５の故障等により、第２共鳴コイル３１で受信された交流電力が充電装置１２にて全て消費されない場合には、この消費されなかった交流電力は、再度第１共鳴コイル２４に送信されることになる。換言すれば、第１共鳴コイル２４より送信された交流電力が第２共鳴コイル３１で反射して、再度第１共鳴コイル２４に戻されることになる。

この際、反射電力検出部２５により、反射電力が検出され、この反射電力が所定レベルを超えた場合には、制御部２６により、キャリア発振器２１より出力されるキャリア信号を停止させ、交流電力の送信を停止する。即ち、反射電力が所定レベルを超える程度に大きくなった場合には、交流電力の送信を停止して、交流電力の増大を防止することができる。

このようにして、本発明の第１実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムでは、キャリア発振器２１より出力される交流電力を増幅し、更に、増幅後の交流電力を共鳴型電力伝送方式を用いて充電装置１２に送信してバッテリ３５に充電する。従って、給電装置１１と充電装置１２をプラグ等で接続することなく、電気自動車５のバッテリを充電することができ、充電操作を簡易に行うことができる。

また、給電装置１１にて、ＡＳＫ等の変調方式を用いて交流電力に制御信号を重畳し、更に、充電装置１２にて復調して交流電力に重畳している制御信号を取り出すので、給電装置１１と充電装置１２の間の通信装置を別途設けること無く、給電装置１１と電気自動車５との間の通信が可能となる。その結果、装置規模の小型化、簡素化を図ることができる。

更に、反射電力検出部２５で検出される反射電力レベルが所定値を超えた場合には、交流電力の送信を停止するので、交流電力が増幅され最大飽和電力に達して発振するというトラブルの発生を回避することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。給電装置１１、及び充電装置１２の構成は、図２に示した構成と同様である。第２実施形態では、キャリア発振器２１より交流電力を断続的に出力して、第１共鳴コイル２４から第２共鳴コイル３１へ断続的に交流電力を送信する。そして、第１共鳴コイル２４より送信した交流電力が第２共鳴コイル３１で反射して再度第１共鳴コイル２４に到達するまでの遅延時間を求め、この遅延時間に基づいて、断続的に出力する交流電力のインターバル時間を決定する。

以下、この動作を図３に示すタイミングチャートを参照して説明する。図３（ａ）は、第１共鳴コイル２４から交流電力を送信するタイミングを示しており、オン時間Ｓ１、オフ時間Ｓ２で断続的に送信される。

図３（ｂ）は、第２共鳴コイル３１で受信される交流電力を示しており、図３（ａ）に示した交流電力に対して時間Ｔ１だけ遅延した波形となっている。

図３（ｃ）は、第２共鳴コイル３１で反射した交流電力が第１共鳴コイル２４で受信されるタイミングを示しており、図３（ｂ）に示した交流電力に対して時間Ｔ２だけ遅延している。即ち、第１共鳴コイル２４より出力された交流電力が反射して戻るまでに、時間（Ｔ１＋Ｔ２）が経過していることになる。

そして、第１共鳴コイル２４より送信する交流電力と、反射により第１共鳴コイル２４にて受信される交流電力が重畳しなければ、第１共鳴コイル２４での交流電力の増幅を回避することができる。従って、図３（ｄ）に示すように、第１共鳴コイル２４より交流電力を送信する時間Ｓ１を（Ｔ１＋Ｔ２）とし、インターバル時間Ｓ２も同様に（Ｔ１＋Ｔ２）とすることにより、交流電力の増幅を回避することができる。

即ち、第２実施形態に係るワイヤレス充電システムでは、第１共鳴コイル２４より送信電力を送信してから、反射電力検出部２５で反射電力が受信されるまでの時間（Ｔ１＋Ｔ２）を測定し、この時間（Ｔ１＋Ｔ２）に基づいて、送信時間Ｓ１、及びインターバル時間Ｓ２を設定するので、たとえ第１共鳴コイル２４にて反射電力が受信された場合であっても、交流電力が増幅され最大飽和電力に達して発振するというトラブルの発生を回避することができる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。図４は、第３実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの構成を示す説明図である。図示のように、第３実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムは、電気自動車５から給電装置１１に制御信号を送信するために、送信部３６、及びアンテナ８８，７５を備えた点で、前述した図１と相違する。その他の構成は、図１と同一であるので説明を省略する。

図５は、第３実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムのブロック図である。同図に示すように、給電装置１５は、電力伝送用のキャリア信号を出力するキャリア発振器７１と、該キャリア発振器７１より出力されるキャリア信号に、例えばＡＳＫ変調等の変調方式で制御信号を重畳するＡＳＫ変調器７２と、ＡＳＫ変調器で変調された交流電力を増幅する電力増幅器７３、及び電力増幅器７３で増幅された交流電力を出力する第１共鳴コイル７４を備えている。

キャリア発振器７１は、電力伝送用の交流信号として、例えば周波数１〜１００［ＭＨｚ］の交流電力を出力する。

ＡＳＫ変調器７２は、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）方式により、キャリア信号である交流電力を変調する。なお、本実施形態では、変調方式としてＡＳＫ方式を用いる例について説明するが、ＡＭ（Amplitude Modulation）、ＦＭ（Frequency Modulation）、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）、ＯＦＤＭ（Orthogonal frequency division multiplex）、ＳＳ（スペクトラム拡散）等の各変調方式を適用することも可能である。

電力増幅器７３は、ＡＳＫ変調器７２より出力される交流電力を増幅する。そして、増幅した交流電力を第１共鳴コイル７４に出力する。第１共鳴コイル７４は、充電装置１６に設けられる第２共鳴コイル８１と連携し、前述した共鳴型電力伝送方式により非接触で交流電力を第２共鳴コイル８１に伝送する。

また、充電装置１６は、第１共鳴コイル７４より送信される交流電力を受信する第２共鳴コイル８１と、この第２共鳴コイル８１で受信された交流電力を、大電力の交流電力、及び小電力の交流電力に分離する結合分配器８２と、結合分配器８２より出力される大電力の交流電力を整流して、直流電圧を生成する整流器８３と、該整流器８３より出力される電力で駆動し、小電力の交流電力を復調して制御信号を取り出すＡＳＫ復調器８４を備える。また、車両駆動用のモータ４４（図４参照）に電力を供給するバッテリ８５を備え、該バッテリ８５は整流器８３より出力される直流電力により充電される。

更に、バッテリ８５に正常に電力が充電されているか否かを監視するバッテリ監視部８９を備えている。該バッテリ監視部８９では、第２共鳴コイル８１で受信され、整流器８３で整流された電力がバッテリ８５に正常に充電されていない場合に異常信号（異常を示す制御信号）を出力する。

また、充電装置１６は、キャリア発振器７１より出力される交流電力の周波数とは異なる周波数のキャリア信号を出力する発振器８６と、ＡＳＫ変調方式を用いてキャリア信号を変調し、バッテリ監視部８９より出力される異常信号を重畳するＡＳＫ変調器８７、及びＡＳＫ変調されたキャリア信号を送信するアンテナ８８を備えている。

他方、給電装置１５は、充電装置１６より送信されたキャリア信号を受信するためのアンテナ７５と、該アンテナ７５で受信されたキャリア信号を増幅する増幅器７６と、該増幅器７６の出力信号を復調して、制御信号を取り出す復調器７７を備えている。

次に、図４、図５に示した本発明の第３実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの動作について説明する。図４に示すように、電気自動車５が給電装置１５の所定位置に置かれ、給電装置１５に設けられる第１共鳴コイル７４と、電気自動車５の充電装置１６に設けられる第２共鳴コイル８１が対向する位置となると、バッテリ８５への充電を行うことができる。

充電が開始されると、図５に示すキャリア発振器７１より、周波数１〜１００［ＭＨｚ］程度の交流電力が出力される。この交流電力はＡＳＫ変調器７２に供給されて、ＡＳＫ変調方式により、給電装置１５から充電装置１６へ送信する制御信号が交流電力に重畳される。

そして、ＡＳＫ変調器７２より出力される交流電力は、電力増幅器７３にて増幅される。増幅された交流電力は、第１共鳴コイル７４、及び第２共鳴コイル８１を介して、前述した共鳴型電力伝送の原理により、充電装置１６に伝送されることになる。

充電装置１６に伝送された交流電力は、結合分配器８２に供給される。該結合分配器８２は、入力された交流電力を大電力の交流電力と小電力の交流電力に分離し、このうち大電力の交流電力を整流器８３に出力する。他方、小電力の交流電力をＡＳＫ復調器８４に出力する。

そして、整流器８３では、大電力の交流電力を整流して所定電圧の直流電力に変換し、この電力をバッテリ８５に供給して、該バッテリ８５を充電する。これにより、バッテリ８５を充電することができる。更に、整流器８３より出力される直流電力は、ＡＳＫ復調器８４を駆動するための電力として該ＡＳＫ復調器８４に供給され、且つ、発振器８６、及びＡＳＫ変調器８７を駆動するための電力として該発振器８６及びＡＳＫ変調器８７に供給される。

また、ＡＳＫ復調器８４では、小電力の交流電力をＡＳＫ復調して、小電力の交流電力に重畳している制御信号を取り出す。こうして、給電装置１１より送信された制御信号を、充電装置１２で受信することができる。

次に、整流器８３で整流された電力がバッテリ８５に正常に充電されていない場合の動作について説明する。電力がバッテリ８５に正常に充電されない場合には、バッテリ監視部８９により、充電に異常が発生していることが検知され、異常信号が出力される。そして、ＡＳＫ変調器８７では、発振器８６より出力されるキャリア信号にＡＳＫ変調方式を用いて前記異常信号を重畳し、アンテナ８８より送信する。送信されたキャリア信号は、給電装置１５のアンテナ７５で受信され、増幅器７６で増幅された後復調器７７で復調され、異常信号が取り出されることになる。この際、発振器８６より出力されるキャリア信号の周波数（Ｆｔ）はキャリア発振器７１より出力される交流電力の周波数（Ｆｒ）と異なるので、互いに干渉することを回避できる。

その後、給電装置１５の制御部７８は、異常信号を検出して、キャリア発振器７１の出力を停止する。その結果、交流電力の送信を停止することができる。

このようにして、第３実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムでは、前述した第１実施形態と同様に、キャリア発振器２１より出力される交流電力を増幅し、更に、増幅後の交流電力を共鳴型電力伝送方式を用いて充電装置１６に送信してバッテリ８５に充電するので、給電装置１５と充電装置１６をプラグ等で接続することなく、電気自動車５のバッテリを充電することができ、充電操作を簡易に行うことができる。

また、給電装置１５にて、ＡＳＫ等の変調方式を用いて交流電力に制御信号を重畳し、更に、充電装置１６にて、復調して交流電力に重畳している制御信号を取り出すので、給電装置１５と充電装置１６の間の双方向通信を行う通信装置を別途設けること無く、充電装置１６から給電装置１５への片側通信機能を別途設けるのみで、給電装置１５と電気自動車５との間の双方向通信が可能となる。

更に、バッテリ８５に充電異常が発生した場合には、この異常信号を充電装置１６から給電装置１５へ送信し、キャリア発振器７１よりの交流電力の出力が停止される。従って、給電装置１５の第１共鳴コイル７４より送信した交流電力が充電装置１６で消費されない場合に、交流電力の送信が停止するように制御されるので、充電装置１６で消費されない電力が第１共鳴コイル７４に戻された場合に、第１共鳴コイル７４に発生する交流電力が増大することを防止できる。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。図６は、第４実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの構成を示すブロック図である。第４実施形態では、前述した第３実施形態と対比して、発振器８６（図５参照）を使用せずに、給電装置１５より送信される交流電力を用いてキャリア信号を生成し、生成したキャリア信号を用いて充電装置１６ａから給電装置１５に信号を送信する。

即ち、図６に示すように充電装置１６ａは、共鳴コイル８１で受信された交流電力から小電力の交流電力を取り出す結合分配器９１と、該結合分配器９１より出力される交流電力の振幅を制限してほぼ一定の振幅の交流電力とするリミッター９２と、該リミッター９２より出力される交流電力を増幅する増幅器９３と、該増幅器９３で増幅された交流電力の周波数（Ｆｒ）を１／Ｎ（Ｎは自然数）の周波数に分周して（Ｆｒ／Ｎ）とする分周器９４、及び周波数をシフトして「Ｆｒ＋（Ｆｒ／Ｎ）」とするシフト器９５を備える。そして、シフト器９５より出力される交流電力をキャリア信号としてＡＳＫ変調器８７に出力し、ＡＳＫ変調方式によりバッテリ監視部８９より出力される異常信号をキャリア信号に重畳する。なお、増幅器９３、シフト器９５、及びＡＳＫ変調器８７は、整流器８３より出力される電力が供給されて駆動する。

このような構成とすることにより、充電装置１６ａに発振器を設けることなく、該充電装置１６ａから給電装置１５へ異常信号を送信するためのキャリア信号を生成することができる。また、生成されるキャリア信号は、交流電力の周波数とは異なる周波数とされ、また、互いに整数倍の関係とならないので、干渉の発生を防止することができる。

次に、本発明の第５実施形態について説明する。図７は、第５実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの構成を示すブロック図である。第５実施形態についても前述した第４実施形態と同様に、結合分配器９１、リミッター９２、及び増幅器９３を備えている。また、ＦＳＫ変調器８７ａを備えている点で、図６に示した第４実施形態と相違する。そして、第５実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムでは、充電装置１６ｂから給電装置１５に信号を送信する際には、ＦＳＫ変調器８７ａを用いて送信対象となる異常信号をキャリア信号に重畳するので、給電装置１５から充電装置１６ｂに送信される交流電力の周波数と、充電装置１６ｂから給電装置１５に送信されるキャリア信号の周波数が一致せず、両者が干渉し合うことを防止できる。この場合、ＦＳＫ変調器８７ａの代わりに、他の周波数変調方式の変調器を用いることも可能である。

次に、本発明の第６実施形態について説明する。図８は、第６実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムの構成を示すブロック図である。第６実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムでは、交流電力をキャリアとして、給電装置１３から充電装置１４へのデータ伝送、及び充電装置１４から給電装置１３へのデータ伝送の双方を行う。

図８に示すように、第６実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムは、給電装置１３及び充電装置１４を備えている。

給電装置１３は、電力伝送用のキャリア信号を出力するキャリア発振器５１と、該キャリア発振器５１の出力信号を２系統に分岐するハイブリッド分配器５５と、該ハイブリッド分配器５５で分岐された一方のキャリア信号に、例えばＡＳＫ変調等の変調方式で制御信号を重畳するＡＳＫ変調器５２と、ＡＳＫ変調器５２で変調された交流電力を増幅する電力増幅器５３と、電力増幅器５３で増幅された交流電力を出力する第１共鳴コイル５４を備えている。

更に、電力増幅器５３と第１共鳴コイル５４の間には、送信、受信を切り換えるための、送信・受信切換器５６が設けられている。また、送信・受信切換器５６を介して受信されたキャリア信号を増幅する増幅器５７と、該増幅器５７で増幅されたキャリア信号を復調して該キャリア信号に含まれている制御信号を取り出す復調器５８を備えている。該復調器５８には、ハイブリッド分配器５５より出力されるキャリア信号が供給される。また、復調器５８で復調された信号に、後述するバッテリの異常信号が含まれている場合に、キャリア発振器５１の出力を停止する制御を行う制御部５９を備えている。

キャリア発振器５１は、電力伝送用の交流信号として、例えば周波数１〜１００［ＭＨｚ］の交流電力を出力する。

ＡＳＫ変調器５２は、ＡＳＫ（Amplitude Shift Keying）方式により、キャリア信号である交流電力を変調する。なお、ＡＭ（Amplitude Modulation）、ＦＭ（Frequency Modulation）、ＦＳＫ（Frequency Shift Keying）、ＰＳＫ（Phase Shift Keying）、ＯＦＤＭ（Orthogonal frequency division multiplex）、ＳＳ（スペクトラム拡散）等の各変調方式を適用することも可能である。

電力増幅器５３は、ＡＳＫ変調器５２より出力される交流電力を増幅する。そして、増幅した交流電力を第１共鳴コイル５４に出力する。第１共鳴コイル５４は、充電装置１４に設けられる第２共鳴コイル６１と連携し、前述した共鳴型電力伝送方式により非接触で交流電力を第２共鳴コイル６１に伝送する。

送信・受信切換器５６は、充電装置１４へ電力及び制御信号を送信する送信モードと、充電装置１４より送信される制御信号を受信する受信モードを切り換える制御を行う。即ち、送信モードが選択されている場合には、第１共鳴コイル５４より交流電力を送信し、受信モードが選択されている場合には、第２共鳴コイル６１より送信される交流電力を第１共鳴コイル５４を介して受信する。

増幅器５７は、受信したキャリア信号を増幅してＡＳＫ復調器５８に出力する。ＡＳＫ復調器５８は、受信信号を復調して制御信号（後述する異常信号）を取り出す。制御部５９は、バッテリ充電の異常を示す異常信号が受信された際に、キャリア発振器５１からの交流電力の出力を停止する制御を行う。

他方、充電装置１４は、第１共鳴コイル５４より送信される交流電力を受信する第２共鳴コイル６１と、この第２共鳴コイルで受信された交流電力を、大電力の交流電力、及び小電力の交流電力に分離する２つの結合分配器６７，６２と、結合分配器６７より出力される小電力の交流電力の振幅を制限して振幅をほぼ一定にするリミッター６８と、該リミッター６８より出力される交流電力を増幅する増幅器６９を備えている。

更に、結合分配器６２より出力される小電力の交流電力を復調して制御信号を取り出すするＡＳＫ復調器６４と、結合分配器６２より出力される大電力の交流電力を整流して、直流電圧を生成する整流器６３とを備える。前述のＡＳＫ復調器６４、及び増幅器６９は整流器６３より出力される電力が供給されて駆動する。また、車両駆動用のモータ４４（図４参照）に電力を供給するバッテリ６５を備え、該バッテリ６５は整流器６３より出力される直流電力により充電される。

また、バッテリ６５に正常に電力が充電されているか否かを監視するバッテリ監視部６０を備えている。該バッテリ監視部６０では、第２共鳴コイル６１で受信され、整流器６３で整流された電力がバッテリ６５に正常に充電されていない場合に異常信号を出力する。

更に、充電装置１４は、ＡＳＫ変調器７０を有しており、該ＡＳＫ変調器７０は、増幅器６９より出力される交流電力をキャリア信号とし、バッテリ監視部６０より出力される異常信号をＡＳＫ変調方式を用いて変調し、該異常信号をキャリア信号に重畳する。該ＡＳＫ変調器７０の出力端子は、受信・送信切換器６６に接続され、異常信号を給電装置１３に送信する。

次に、図８に示した車両用ワイヤレス充電システムの動作を、図９に示す波形図を参照して説明する。なお、煩雑さを避けるため、図９において実線で囲まれた四角は、同一周波数、同一振幅の波形が連続して発生していることを示し、点線で囲まれた四角は波形が発生しないことを示している。

図９（ａ）は、図８に示すＡ点における交流電力の波形を示しており、一定の振幅となっている。この際、前述した第１実施形態のように、給電装置１３から充電装置１４に制御信号を送信する場合には、この波形に変調が加えられることになる。

図９（ｂ）は、送信・受信切換器５６の出力端子である点Ｂにおける交流電力の波形を示しており、送信・受信切換器５６が送信モードに切り換えられている場合には、Ａ点の信号がそのまま出力され、受信モードに切り換えられた場合には、この時間帯は交流電力が出力されない（この時間帯をガードタイムとする）。

図９（ｃ）は、充電装置１４の受信・送信切換器６６の入力側であるＣ点に生じる交流電力の波形を示しており、ガードタイムにおいて徐々に減衰する交流電力の波形が得られる。図９（ｄ）は、リミッター６８の出力端子であるＤ点に生じる交流電力の波形を示しており、レベルの低い一定振幅の交流電力の波形が得られる。

図９（ｅ）は、増幅器６９の出力端子であるＥ点に生じる交流電力の波形を示しており、リミッター６８より出力される交流電力が増幅された波形となっている。この交流電力は、充電装置１４から給電装置１３に制御信号を送信する際のキャリア信号として用いられる。

図９（ｆ）は、ＡＳＫ変調器７０の出力端子であるＦ点に生じる交流電力の波形を示しており、キャリア信号がＡＳＫ変調された信号となっている。図９（ｇ）は、受信・送信切換器６６の出力端子であるＧ点に生じる交流電力の波形を示しており、ガードタイム以外の信号が除去されている。

図９（ｈ）は、給電装置１３の送信・受信切換器５６の入力端子であるＨ点に生じる交流電力の波形を示しており、ガードタイム（実際には、往復通信の遅延時間Δｔだけ遅れている）に、変調信号が発生する。

図９（ｉ）は、送信・受信切換器５６の出力端子である点Ｉに生じる交流電力の波形を示しており、ガードタイム以外の交流電力が除去されている。図９（ｊ）は、ＡＳＫ復調器５８の出力端子である点Ｊに生じる波形を示しており、充電装置１４より送信された異常信号が得られる。

従って、バッテリ６５に異常が発生した場合には、この異常信号が制御部５９に送信され、該制御部５９によりキャリア発振器５１の出力を停止することができる。

このようにして、本発明の第６実施形態に係る車両用ワイヤレス充電システムでは、給電装置１３に送信・受信切換器５６を設け、且つ充電装置１４に受信・送信切換器６６を備えることにより、給電装置１３から充電装置１４へ交流電力を送信する際の一部の時間にガードタイムを設定し、このガードタイムにおいて、充電装置１４から給電装置１３に制御信号を送信する。

従って、第１共鳴コイル５４、及び第２共鳴コイル６１を用いて交流電力の送信を行うと共に、これらのコイル５４，６１を用いて、給電装置１３から充電装置１４への制御信号の送信が可能となる。更に、バッテリ６５の充電に異常が発生した場合に出力される異常信号の送信が可能となる。その結果、給電装置１３と充電装置１４の間の通信装置を別途設けること無く、給電装置１３と電気自動車５との間の通信が可能となる。その結果、装置規模の小型化、簡素化を図ることができる。更に、充電装置１４では、ガードタイムで減衰する交流電力を用いて制御信号を重畳しているので、別途キャリア信号出力用の発振器を設ける必要がない。

以上、本発明の車両用ワイヤレス充電システムを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

給電装置より出力される電力を非接触で電気自動車のバッテリに充電する際に、反射電力が重なり合って電力が増幅することを抑制する上で極めて有用である。

５ 電気自動車（車両）
１１，１５ 給電装置
１２，１６ 充電装置
２１ キャリア発振器（電力出力手段）
２２ ＡＳＫ変調器（変調手段）
２３ 電力増幅器（電力増幅手段）
２４ 第１共鳴コイル（第１通信端末）
２５ 反射電力検出部
２６ 制御部
３１ 第２共鳴コイル（第２通信端末）
３２ 結合分配器（分配手段）
３３ 整流器（整流手段）
３４ ＡＳＫ復調器（復調手段）
３５ バッテリ
３６ 送信部
３７ アンテナ
４１ サブバッテリ
４２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４３ インバータ
４４ モータ
５１ キャリア発振器
５２ ＡＳＫ変調器
５３ 電力増幅器
５４ 第１共鳴コイル
５５ ハイブリッド分配器
５６ 送信・受信切換器
５７ 増幅器
５８ ＡＳＫ復調器
５９ 制御部
６１ 第２共鳴コイル
６２ 結合分配器
６３ 整流器
６４ ＡＳＫ復調器
６５ バッテリ
６６ 受信・送信切換器
６７ 結合分配器
６８ リミッター
６９ 増幅器
７０ ＡＳＫ変調器
７１ キャリア発振器（電力出力手段）
７２ ＡＳＫ変調器（変調手段）
７３ 電力増幅器（電力増幅手段）
７４ 第１共鳴コイル（第１通信端末）
７５ アンテナ
７６ 増幅器 ７７ 復調器
８１ 第２共鳴コイル（第２通信端末）
８２ 結合分配器（分配手段）
８３ 整流器（整流手段）
８４ ＡＳＫ復調器（復調手段）
８５ バッテリ
８６ 発振器
８７ ＡＳＫ変調器
８７ａ ＦＳＫ変調器
８８ アンテナ
９１ 結合分配器
９２ リミッター
９３ 増幅器
９４ 分周器
９５ シフト器

Claims (3)

1. 給電装置より出力される電力を非接触で車両側に送信し、該車両に搭載されるバッテリを充電する車両用ワイヤレス充電システムにおいて、
   前記給電装置は、
   交流電力を出力する電力出力手段と、
   前記交流電力を増幅する電力増幅手段と、
   前記電力増幅手段で増幅された交流電力を送信する第１通信端末と、を有し、
   前記車両は、
   前記第１通信端末より送信された交流電力を受信する第２通信端末と、
   前記交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記バッテリに供給する整流手段と、
   前記バッテリに電力が供給されているか否かを検出し、電力が供給されていない場合には異常を示す制御信号を出力するバッテリ監視手段と、を有し、
   前記給電装置は、前記バッテリ監視手段より出力される前記異常を示す制御信号が受信された場合に、前記交流電力の出力を停止する制御を行う制御手段を備え、
   前記第１通信端末は、前記交流電力を送信すると共に前記第２通信端末より送信される信号を受信する送受信機能を備え、且つ、前記第２通信端末は、前記交流電力を受信すると共に前記第１通信端末に信号を送信する送受信機能を備え、
   前記給電装置は、前記第１通信端末を送信モードまたは受信モードに切り換える送信・受信切換手段を備え、
   前記車両は、前記第２通信端末を受信モードまたは送信モードに切り換える受信・送信切換手段を備え、
   前記第１通信端末から前記第２通信端末に交流電力を送信する際には、前記送信・受信切換手段を送信モードとし、且つ、前記受信・送信切換手段を受信モードとし、
   前記第２通信端末から前記第１通信端末に信号を送信する際には、前記送信・受信切換手段を受信モードとし、且つ、前記受信・送信切換手段を送信モードとし、
   第２通信端末は、前記交流電力の減衰信号をキャリアとして、前記異常を示す制御信号を第１通信端末に送信することを特徴とする車両用ワイヤレス充電システム。
2. 給電装置より出力される電力を非接触で車両側に送信し、該車両に搭載されるバッテリを充電する車両用ワイヤレス充電システムにおいて、
   前記給電装置は、
   交流電力を出力する電力出力手段と、
   前記交流電力を増幅する電力増幅手段と、
   前記電力増幅手段で増幅された交流電力を送信する第１通信端末と、を有し、
   前記車両は、
   前記第１通信端末より送信された交流電力を受信する第２通信端末と、
   前記交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記バッテリに供給する整流手段と、
   前記バッテリに電力が供給されているか否かを検出し、電力が供給されていない場合には異常を示す制御信号を出力するバッテリ監視手段と、を有し、
   前記給電装置は、前記バッテリ監視手段より出力される前記異常を示す制御信号が受信された場合に、前記交流電力の出力を停止する制御を行う制御手段を備え、
   前記車両は、前記給電装置へ制御信号を送信する車両側送信手段を有し、且つ、前記給電装置は、車両側より送信される制御信号を受信する給電側受信手段を有し、
   前記車両側送信手段は、前記第２通信端末で受信された交流電力から分離してキャリア信号を取り出し、取り出したキャリア信号の周波数を他の周波数に変更するキャリア信号生成手段を備え、該キャリア信号生成手段で生成されたキャリア信号に、所定の変調方式を用いて前記異常を示す制御信号を重畳し、前記給電側受信手段に送信することを特徴とする車両用ワイヤレス充電システム。
3. 給電装置より出力される電力を非接触で車両側に送信し、該車両に搭載されるバッテリを充電する車両用ワイヤレス充電システムにおいて、
   前記給電装置は、
   交流電力を出力する電力出力手段と、
   前記交流電力を増幅する電力増幅手段と、
   前記電力増幅手段で増幅された交流電力を送信する第１通信端末と、を有し、
   前記車両は、
   前記第１通信端末より送信された交流電力を受信する第２通信端末と、
   前記交流電力を整流し、整流して得られる直流電力を前記バッテリに供給する整流手段と、
   前記バッテリに電力が供給されているか否かを検出し、電力が供給されていない場合には異常を示す制御信号を出力するバッテリ監視手段と、を有し、
   前記給電装置は、前記バッテリ監視手段より出力される前記異常を示す制御信号が受信された場合に、前記交流電力の出力を停止する制御を行う制御手段を備え、
   前記車両は、前記給電装置へ制御信号を送信する車両側送信手段を有し、且つ、前記給電装置は、車両側より送信される制御信号を受信する給電側受信手段を有し、
   前記車両側送信手段は、前記第２通信端末で受信された交流電力から分離してキャリア信号を取り出し、取り出したキャリア信号に周波数変調方式を用いて前記異常を示す制御信号を重畳し、前記給電側受信手段に送信することを特徴とする車両用ワイヤレス充電システム。

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