JP5939853B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば電気自動車やハイブリッド車両などに搭載されるバッテリを充電するための非接触給電装置に関するものである。

近年、ガソリン等を燃料として動力を発生するエンジンによって走行する従来の自動車に対し、低公害、省資源の促進を目的として、エンジンに加えてバッテリからの電力で動力を発生するモータを搭載したハイブリッド自動車や、エンジンを搭載せずに電動モータのみで走行する電気自動車が開発されている。

この電気自動車やハイブリッド車両では、それらの車両に搭載されたバッテリの電力が消費されると、市街地や自宅の車庫等に設けられた充電設備を利用して充電する必要がある。このような車両に搭載されたバッテリを充電する方法の一つとして、電磁誘導の相互誘電作用や磁気共鳴作用を利用して、地上（充電スタンド等）に設けた１次側（給電側）の給電側（送電側）コイルから、車両側に設けた２次側（受電側）の受電側コイルへ、非接触で電力を供給する非接触給電装置が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。

そして、１次側の給電側コイルと、２次側の受電側コイルは所定の隙間を持って対峙させることが好ましいことから、その受電側コイルを昇降可能に支持するコイル昇降装置を車両に設けることを本出願人は提案した（例えば、特許文献３参照。）。このコイル昇降装置を備えた車両では、充電時には受電側コイルを降下させてその受電側コイルを地上側に配置された給電側コイルに接近させる。その一方で、非充電時には受電側コイルを上昇させてその受電側コイルを地上における給電側コイルから離間させて、車両の走行に支障を生じさせないようにするものである。

特開２００６−７４８６８号公報 特開２０１０−２４６３４８号公報 特開２０１１−１９３６１７号公報

ここで、このような非接触給電装置では、給電側コイルから非接触で供給された電力により受電側コイルに交流電力を生じさせ、その受電側コイルに生じた交流電力によりバッテリを充電するものであるけれども、バッテリは直流のものであるので、受電側コイルとバッテリの間には、受電側コイルに生じる交流電力を直流に変換する整流平滑化回路が設けられる。また、その給電時に例えば、車両のバッテリに異常が生じたときには、他の機器を保護する観点からも、そのバッテリへの給電を直ちに停止する必要がある。そのためには、給電中の異常を検出する異常検出手段を車両に設け、整流平滑化回路とバッテリの間の給電回路にその回路を切断可能なリレースイッチ等の回路切断手段を設けることが行われる。そして、異常検出手段が異常を検出した時に、その回路切断手段により整流平滑化回路とバッテリの間の給電回路を切断してバッテリの充電を停止することが考えられる。

しかし、受電側コイルに交流電力が生じているにもかかわらず、整流平滑化回路とバッテリの間の給電回路を切断すると、受電側コイルに生じている交流電力が整流平滑化回路に負荷を生じさせ、その整流平滑化回路に被害を生じさせるおそれがある。

本発明の目的は、異常時に、受電側コイルとバッテリの間に設けられる整流平滑化回路の被害を最小限にして、バッテリへの給電を速やかに停止し得る非接触給電装置を提供することにある。

本発明は、地上側に配設される給電側コイルからの非接触給電により交流電力を生じる受電側コイルと、受電側コイルを昇降可能に支持し受電側コイルを降下させて給電側コイルに接近させ受電側コイルを上昇させて給電側コイルから離間させるコイル昇降装置と、受電側コイルに生じる交流電力を直流に変換してバッテリへ供給する整流平滑化回路と、給電中の異常を検出する異常検出手段と、異常検出手段が異常を検出した時に整流平滑化回路とバッテリの間の給電回路を切断する回路切断手段とを備えた非接触給電装置である。

その特徴ある構成は、回路切断手段が給電回路を切断する異常時にコイル昇降装置が受電側コイルを上昇させるように構成されたところにある。

圧縮エアの給排により車高を調整可能なエアサスペンション装置が車両に設けられている場合、受電側コイルを車両に固定して設け、車両を受電側コイルと共に昇降させるエアサスペンション装置をコイル昇降装置として代用することもできる。

本発明の非接触給電装置では、整流平滑化回路とバッテリの間の給電回路を切断しなければならないような異常時に、コイル昇降装置により受電側コイルを上昇させるので、その異常時に、受電側コイルは給電側コイルから離間することになる。ここで、給電側コイルから受電側コイルが離間すると、給電側コイルから電力が供給されていても、その受電側コイルに生じる交流電力は減少する。このため、バッテリへの給電を停止するために、整流平滑化回路とバッテリの間の給電回路を回路切断手段により切断しても、そのような異常時では、受電側コイルに生じる交流電力は減少するので、その交流電力が受電側コイルとバッテリの間に設けられる整流平滑化回路に生じさせる負荷は減少する。よって、給電回路を切断しても、その整流平滑化回路に被害が生じるようなリスクを回避することができる。従って、本発明では、整流平滑化回路の被害を最小限にして、異常時にバッテリへの給電を速やかに停止することができるものとなる。

本発明実施形態の非接触給電装置を有する車両の前面図である。 そのコイル間の間隔と受電側コイルに生じる電力との関係を示す図である。 そのコイル昇降装置の構造を示す図である。 その非接触給電装置の異常時の流れを示すフローチャートである。

次に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、本発明における非接触給電装置１０は、給電側コイル１４から非接触で供給された電力により交流電力を生じる受電側コイル２２を備える。給電側コイル１４は、地上１１に設けられた給電ステーション１２の一部を構成するものであり、この給電側コイル１４は地上１１に配設される。この実施の形態における給電ステーション１２は、その給電側コイル１４を介する電磁誘導により、車両２０に設けられたバッテリ２１を充電するための電力をその車両２０と非接触で供給するものを示す。従って、この給電ステーション１２は、給電側コイル１４と別に給電装置本体１３が地上１１に設けられ、その給電装置本体１３には、ノイズフィルタ、整流・力率改善回路、共振型コンバータ等によって構成される給電のための装置が内蔵される。また、この給電装置本体１３には、更に、車両２０との通信を制御する通信装置１５が備えられる。そして、この給電装置本体１３に内蔵された装置は、ノイズフィルタを介して入力される商用の交流電源を、充電用駐車スペースに設置された給電側コイル１４を介して車両２０に設けられた受電側コイル２２に電力を供給するように構成される。

この実施の形態における車両２０は、電気モータにより走行するバスであって、その電気モータに電力を供給するバッテリ２１が、その屋根の上に設けられる場合を示す。この車両２０には、図示しないが、マイクロコンピュータ及び各種インターフェースや周辺回路等を備えて構成される電子制御装置（以下「ＥＣＵ２４」と言う。）が備えられる。図示しないが、この車両２０では、ＥＣＵ２４を中心として、バッテリ２１及びそのバッテリ２１からの直流電圧を交流電圧に変換して車両２０を走行させる電気モータに供給するインバータ等を備える。そして、このＥＣＵ２４には、バッテリ２１への給電情報を車両２０の外部に設けられた給電ステーション１２における通信装置１５と双方向通信可能な通信手段としての通信モジュール２３が設けられる。

ＥＣＵ２４は、図示しないインバータを介して走行用の電気モータを制御するとともに、このＥＣＵ２４は、バッテリ２１への給電状態で示される残存容量やバッテリ２１の劣化度等によるバッテリ２１状態を把握するように構成される。そして、このＥＣＵ２４は、バッテリ２１の状態を把握した上で、そのバッテリ２１の冷却、給電ステーション１２における給電状態の監視、その給電時の異常検出及び異常検出時の保護動作等を行うように構成される。よって、このＥＣＵは、給電中の異常を検出する異常検出手段としても機能するように構成される。

車両２０に設けられる受電側コイル２２は、給電ステーション１２の給電側コイル１４に対向されて絶縁変圧器を構成するものであり、シャシフレーム２０ａ（図３）の下部にコイル昇降装置２６を介して昇降可能に設けられる。図３に示すように、この実施の形態におけるコイル昇降装置２６は、互いの一端が枢支された一対のリンク片２７，２８と、その一方のリンク片２７を回転させるアクチュエータ２９を有する。一対のリンク片２７，２８は一方のリンク片２７の他端が車両２０下部におけるシャシフレーム２０ａに枢支され、他方のリンク片２８の他端が受電側コイル２２に枢支される。

受電側コイル２２はこれら一対のリンク片２７，２８により、車両２０の前後方向又は幅方向における両側が支持されて車両２０のフレームに吊り下げられるようにして設けられる。そして、実線で示すように、一対のリンク片２７，２８の交差角度が減少すると、受電側コイル２２は上昇して、車両２０のフレームに密着して受電側コイル２２の収容状態（退避状態（車両２０走行中における状態））となる。その一方で、一点鎖線で示すように、一対のリンク片２７，２８の交差角度が増加すると、受電側コイル２２は降下して突出状態（給電可能な状態）となる。このように、受電側コイル２２は、コイル昇降装置２６を介して、収容状態と突出状態の間で移動可能に、車両２０のシャシフレーム２０ａの下側に取付けられる。

また、一方のリンク片２７を回転させる本実施の形態におけるアクチュエータ２９は、空気圧や油圧等の流体圧を利用した流体圧シリンダ２９であって、シリンダ本体２９ａから出没するシャフト２９ｂの先端が一方のリンク片２７の中間に枢支される。そして、そのシャフト２９ｂを出没させることにより、一方のリンク片２７をシャシフレーム２０ａに枢支された回動支点廻りに回転させるように、アクチュエータ２９がシャシフレーム２０ａに配設される。なお、図３では、アクチュエータ２９として、流体圧を利用した流体圧シリンダ２９を採用した場合を例示しているが、これに限定されるものではなく、電動モータ等を利用することも可能である。従って、本実施の形態では、図３に実線で示す収容状態（退避状態）から、アクチュエータである流体圧シリンダ２９に空気圧（油圧）を供給することで、そのシリンダ本体２９ａからシャフト２９ｂを伸長させて、リンク片を回転させることにより、一点鎖線で示す突出状態へと移行させることが可能に構成される。ここで、図４における符号２２ａは、突出状態の受電側コイル２２と給電側コイル１４の間に介在して、その受電側コイル２２と給電側コイル１４の間に所定の隙間を形成するブッシュ２２ａである。

図１に戻って、給電側コイル１４は地上１１に設けられているので、その給電側コイル１４の上方に受電側コイル２２が位置するように車両２０を停車させ、その車両２０に設けられたコイル昇降装置２６は、その状態で受電側コイル２２を降下させると、その受電側コイル２２を地上１１に設けられた給電側コイル１４に接近させ、非接触給電の準備が成されることになる。即ち、シャシフレーム２０ａ下部に受電側コイル２２を配設した車両２０を、給電ステーション１２の予め規定された充電用駐車スペースに駐車すると、車両２０の受電側コイル２２と地上１１への給電用駐車スペースに配置された給電側コイル１４とが対向配置され、電磁誘導による非接触でのバッテリ２１への給電が可能となるものである。

そして、バッテリ２１への給電に際して、ＥＣＵ２４は、通信モジュール２３を介して給電ステーション１２との通信を行い、バッテリ２１の電圧、残存容量、フェール情報等のバッテリ２１情報を給電ステーション１２へ送信する。給電ステーション１２では、車両２０に設けられたＥＣＵ２４からのバッテリ２１情報と給電ステーション１２内に蓄積された情報とに基づいて最適な充電スケジュールを設定し、ユーザ側からの指示に応じて給電ステーション１２における充電開始や充電終了を行って、車両２０におけるバッテリ２１への給電を制御するように構成される。

ここで、このような非接触給電装置１０では、給電側コイル１４から非接触で供給された電力により受電側コイル２２に交流電力を生じさせ、その受電側コイル２２に生じた交流電力によりバッテリ２１を充電するものであるけれども、バッテリ２１は直流のものであるので、車両２０には、電磁誘導による非接触の給電方式に対応して、受電側コイル２２からの交流電力を直流に変換して平滑化し、バッテリ２１へ供給する整流平滑化回路３１が備えられる。また、その整流平滑化回路３１とバッテリ２１の間の給電回路には、その給電回路を切断可能な回路切断手段３２が設けられる。この実施の形態における回路切断手段はリレースイッチ３２である場合を示す。そして、この回路切断手段であるリレースイッチ３２は異常検出手段として機能するＥＣＵ２４により制御され、この異常検出手段として機能するＥＣＵ２４は、充電時に異常を検出した時に、そのリレースイッチ３２を制御して、整流平滑化回路３１とバッテリ２１の間の給電回路を切断するように構成される。

そして、本発明における非接触給電装置１０の特徴ある構成は、その異常検出手段として機能するＥＣＵ２４が、回路切断手段であるリレースイッチ３２が給電回路を切断する異常時に、コイル昇降装置２６を制御して、受電側コイル２２を上昇させるように構成されたところにある。図３に示すように、一対のリンク片２７，２８を有するこの実施の形態におけるコイル昇降装置２６では、具体的にアクチュエータである流体圧シリンダ２９のシリンダ本体２９ａにシャフト２９ｂを没入させることにより、その受電側コイル２２を実線で示すように上昇させる。このように受電側コイル２２を上昇させると、地上１１に設けられた給電側コイル１４からその受電側コイル２２は離間し、最終的にシャシフレーム２０ａに密着する収容状態になる。

次に、このように構成された非接触給電装置の動作を説明する。

バッテリ２１が充電されている状態でこの車両２０は走行するけれども、この走行はＥＣＵ２４により、図示しない走行用のインバータを制御して走行用のモータを駆動させることにより行われる。具体的に、ＥＣＵ２４は、図示しないアクセルペダルの踏込み量を検出するセンサからの信号に基づいてドライバーの要求する駆動力を算出し、走行用のモータの回転数や電圧・電流等の情報に基づいて、そのモータの出力をドライバーの要求駆動力に一致させるべく、そのモータを駆動させる図示しないインバータを制御する。これにより車両２０は走行するけれども、本発明の非接触給電装置１０にあっては、受電側コイル２２を上昇させて、その受電側コイル２２を収容状態として、その受電側コイル２２が車両２０の走行に支障を生じさせないようにする。

車両２０が走行すると、バッテリ２１に蓄えられた電力は消費されるので、その残量が少なくなると充電を行う。図４にバッテリ２１への給電の流れを示す。この図４に示すように、バッテリ２１への給電を行うためには、先ずその給電準備（Ｓ０１）として、車両２０を給電ステーション１２まで走行させ、その地上１１に設けられた給電側コイル１４の上方に受電側コイル２２が位置するような状態で車両２０を停止させる。そして、コイル昇降装置２６により、その車両２０の下部に設けられた受電側コイル２２を降下させ、その受電側コイル２２を地上１１に設けられた給電側コイル１４に接近させてその受電側コイル２２を突出状態とし、ブッシュ２２ａにより受電側コイル２２と給電側コイル１４の間に所望の隙間を形成する。

この状態で給電が開始されるけれども（Ｓ０２）、この給電の開始にあっては、先ず車両２０に設けられたＥＣＵ２４は、通信モジュール２３及び１５を介して給電ステーション１２との通信を行う。そして、給電ステーション１２では、そのＥＣＵ２４からのバッテリ２１に関する情報と給電ステーション１２内に蓄積された情報、及びユーザ側からの指示に応じて充電条件を設定し、充電を開始する。即ち、給電ステーション１２における給電装置本体１３は、商用の交流電源を高周波の交流に変換して給電側コイル１４に供給する。そして、受電側コイル２２の中に発生する磁束により、その受電側コイル２２に交流電力を生じさせる。その交流電力を整流平滑化回路３１により直流に変換させてバッテリ２１に給電する。

この給電中にあって、ＥＣＵ２４は、給電状態の監視、その給電時の異常検出を行う（Ｓ０３，Ｓ０４）。そして、異常が無ければ給電を続行する。その一方、その給電中にバッテリ異常等の車両２０側の異常が発生したならば、給電中の異常を検出する異常検出手段として機能するこのＥＣＵ２４は、通信モジュール２３及び１５を介して給電ステーション１２に、給電を停止する通信を行う（Ｓ０５）。給電ステーション１２では、車両２０側に設けられた通信モジュール２３から発せられた給電停止を内容とする無線通信が正常に受信できたならば（Ｓ１０）、直ちに給電を停止し（Ｓ１１）、他の機器の保護を図る。一方、給電ステーション１２では、その給電停止を内容とする無線通信が正常に受信できなかった場合であっても、給電開始時に設定された時間が経過した後に、タイムアウトとしてその給電を停止する（Ｓ１２）。

車両２０側の異常が発生したならば、上述した給電を停止する通信を行う（Ｓ０５）と共に、このＥＣＵ２４は、コイル昇降装置２６を制御して、受電側コイル２２を上昇させて、その受電側コイル２２を収容状態とする（Ｓ０６）。このようにして、受電側コイル２２を給電側コイル１４から離間させる。ここで、図２に示すように、給電側コイル１４から受電側コイル２２が離間すると、その受電側コイル２２に生じる交流電力は減少する。このため、この異常時に受電側コイル２２を上昇させると（Ｓ０６）、給電側コイル１４からその受電側コイル２２が離間し、給電側コイル１４から電力が供給されていても、その受電側コイル２２に生じる交流電力を減少させることができる。

そして、受電側コイル２２が上昇して格納状態になったことを検知した（Ｓ０７）後に、ＥＣＵ２４はリレースイッチ３２により、整流平滑化回路３１とバッテリ２１の間の給電回路を切断する（Ｓ０８）。これにより、バッテリ２１への給電が継続することに起因する他の機器への損傷を回避する。この給電回路が切断されると、受電側コイル２２に交流電力が生じていると、その交流電力が整流平滑化回路３１に負荷を生じさせることになるけれども、本発明では、予め受電側コイル２２を上昇させて（Ｓ０６）、その受電側コイル２２に生じる交流電力を減少させているので、受電側コイル２２に生じる交流電力が整流平滑化回路３１に生じさせる負荷は減少する。このため、リレースイッチ３２により、整流平滑化回路３１とバッテリ２１の間の給電回路を切断しても（Ｓ０８）、その整流平滑化回路３１に被害が及ぶようなリスクは回避される。よって、本発明では、整流平滑化回路３１の被害を最小限にして、異常時にバッテリ２１への給電を速やかに停止することができるものとなる。

そして、給電回路を切断した後には、ＥＣＵ２４及び他への給電に関する機器の終了処理が成され（Ｓ０９）、その後終了される。

なお、上述した実施の形態では、互いの一端が枢支された一対のリンク片２７，２８と、その一方のリンク片２７を回転させるアクチュエータ２９を有するコイル昇降装置２６を用いて説明したけれども、このコイル昇降装置２６は、この構造のものに限定されるものではなく、受電側コイル２２を昇降可能に支持し得る限り、他の形式の装置であっても良い。例えば、車両２０が、圧縮エアの給排により車高を調整可能なエアサスペンション装置を備えるようなものであれば、受電側コイル２２を車両２０に固定して設け、その車両２０を受電側コイル２２と共に昇降させるエアサスペンション装置そのものをコイル昇降装置２６としても良い。このようなコイル昇降装置２６では、車両２０におけるシャシフレーム２０ａに対して受電側コイル２２を昇降させるような機構を設けることを不要にすることができる。

また、上述した実施の形態では、電磁誘導の相互誘電作用を利用して、非接触で電力を供給する非接触給電装置１０を用いて説明したけれども、本発明の非接触給電装置１０は、磁気共鳴作用を利用して、地上に設けた給電側コイルから、車両側に設けた受電側コイルへ、非接触で電力を供給するものであっても良い。

更に、上述した実施の形態では、回路切断手段としてリレースイッチ３２を用いて説明したけれども、この回路切断手段は、異常検出手段２４が異常を検出した時に整流平滑化回路３１とバッテリ２１の間の給電回路を切断し得るものである限り、リレースイッチ３２以外のものであっても良い。

１０ 非接触給電装置
１１ 地上
１４ 給電側コイル
２０ 車両
２２ 受電側コイル
２４ ＥＣＵ（異常検出手段）
２６ コイル昇降装置
３１ 整流平滑化回路
３２ リレースイッチ（回路切断手段）

Claims (2)

1. 地上(11)側に配設される給電側コイル(14)からの非接触給電により交流電力を生じる受電側コイル(22)と、
   前記受電側コイル(22)を昇降可能に支持し前記受電側コイル(22)を降下させて前記給電側コイル(14)に接近させ前記受電側コイル(22)を上昇させて前記給電側コイル(14)から離間させるコイル昇降装置(26)と、
   前記受電側コイル(22)に生じる交流電力を直流に変換してバッテリ(21)へ供給する整流平滑化回路(31)と、
   給電中の異常を検出する異常検出手段(24)と、
   前記異常検出手段(24)が異常を検出した時に前記整流平滑化回路(31)と前記バッテリ(21)の間の給電回路を切断する回路切断手段(32)と
   を備えた非接触給電装置において、
   前記回路切断手段(32)が前記給電回路を切断する異常時に前記コイル昇降装置(26)が前記受電側コイル(22)を上昇させるように構成された
   ことを特徴とする非接触給電装置。
2. 圧縮エアの給排により車高を調整可能なエアサスペンション装置が車両(20)に設けられ、受電側コイル(22)が車両(20)に固定して設けられ、コイル昇降装置(26)が前記車両(20)を前記受電側コイル(22)と共に昇降させる前記エアサスペンション装置である請求項１記載の非接触給電装置。

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