JP6060546B2 - 非接触給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、非接触給電システムに関する。
下記特許文献１には、車両の底面に設けられた受電部と、駐車スペースに埋め込まれた給電部との間の空間に異物が侵入することなく、給電を安全かつ効率よく行える非接触給電システムが開示されている。上記非接触給電システムにおいて、車両の受電部と、駐車スペースの給電部との間の空間に絶縁性の隔離材が設けられ、給電時以外には隔離材を地中に収納し、給電時には可動部によって隔離材を受電部と給電部との間の空間に移動させる。特に、金属異物が侵入した場合には、その影響で伝送効率が低下するなど電力伝送に大きな支障が生じる。
特開２０１０−２２６９４６号公報
しかしながら、上記従来技術では、異物の侵入を防止するために、複雑な機械的機構を必要とする可動部を備える必要があるので、メンテナンスに手間を要するという問題があった。また、上記可動部を用いずに、硬質な隔離材を受電部と給電部との間の空間に固定配置した場合には、車両（移動体）が出入りする際に、タイヤが隔離材にぶつかって走行の邪魔になるという問題があった。また、隔離材として磁界を透過しにくい材料を用いた場合に、非接触給電の効率が低下してしまうという問題もあった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、非接触給電の効率低下を招く可能性のあるエリアに異物が侵入することを防止し、かつ以下の特徴を有する非接触給電システムを提供する。
（１）メンテナンスに手間を要さない。
（２）移動体の走行時に邪魔にならない。
（３）異物侵入防止部が非接触給電の効率を低下させない。
上記目的を達成するために、本発明では、非接触給電システムに係る第１の解決手段として、給電コイルを有する給電装置と、受電コイルを有する移動体とを具備し、給電コイルから受電コイルに非接触給電によって電力供給を行う非接触給電システムであって、磁界を透過すると共に可撓性を有する可撓材からなり、給電コイルと受電コイルとの間の空間を埋めるように給電コイル上に設けられた異物侵入防止部を具備する、という手段を採用する。
本発明では、非接触給電システムに係る第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、異物侵入防止部は、可撓材からなる複数の毛状部材によってブラシ状に給電コイルから受電コイルに向けて形成されている、という手段を採用する。
本発明では、非接触給電システムに係る第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、可撓材に接するように設けられた光ファイバと、光ファイバの端部から光を入射する発光手段と、光ファイバの端部から出射される光を受光する受光手段とを具備し、受光手段による受光量に基づいて可撓材上に異物が存在するか否か判断する、という手段を採用する。
本発明では、非接触給電システムに係る第４の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、可撓材に接するように設けられた磁界を透過し弾性を有する線状部材と、線状部材の歪みを検出する歪み検出部とを具備し、歪み検出部による検出結果に基づいて可撓材上に異物が存在するか否か判断する、という手段を採用する。
本発明によれば、異物侵入防止部によって、複雑な機械的機構を必要とする可動部を必要とせずに給電コイルと受電コイルとの間の空間への異物の侵入を防ぐことができるので、メンテナンスに手間を要さない。また、本発明によれば、異物侵入防止部が可撓材から構成されているので、移動体の走行時に邪魔にならない。かつ、本発明によれば、異物侵入防止部は磁界を透過する材料から構成されているため、非接触給電の効率低下を生じない、という特徴を有する非接触給電システムが提供される。
本発明の第１実施形態に係る非接触給電システムの機能構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態における移動車両Ｍが地上給電装置Ｓに接近前の異物侵入防止部６を示す図である。 本発明の第１実施形態における移動車両Ｍが異物侵入防止部６を通過する際の異物侵入防止部６を示す図である。 本発明の第２実施形態における異物検出部７（ａ）及び第３実施形態における異物検出部８（ｂ）を示す図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第１実施形態〕
第１実施形態に係る非接触給電システムは、図１に示すように、地面に埋設された地上給電装置Ｓ及び該地上給電装置Ｓから給電を受ける移動車両Ｍ（移動体）を備えている。このような非接触給電システムは、非接触給電方式の１つである磁界共鳴方式に基づいて地上給電装置Ｓから移動車両Ｍに電力を非接触給電する。
上記地上給電装置Ｓは、例えば交差点または踏切における停車位置、あるいは駐車場の駐車位置等に埋設され、これら駐停車位置に駐停車した移動車両Ｍに対して非接触給電を行う。このような地上給電装置Ｓは、図１に示すように、電源１、整流回路２、給電回路３、給電コイル４、給電用制御部５及び異物侵入防止部６を備えている。
電源１は、出力端が整流回路２の入力端に接続されており、移動車両Ｍへの給電に必要となる交流電力を整流回路２に供給する交流電源である。このような電源１は、例えば２００Ｖまたは４００Ｖ等の三相交流電力、あるいは１００Ｖの単相交流電力を供給する系統電源である。
整流回路２は、入力端が電源１に接続され、出力端が給電回路３に接続されている。このような整流回路２は、電源１から供給される交流電力を整流して直流電力に変換し、該直流電力を給電回路３に出力する。
給電回路３は、入力端が整流回路２に接続され、出力端が給電コイル４の両端に接続されている。このような給電回路３は、給電コイル４と給電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備え、給電用制御部５から入力される制御指令に基づいて上記整流回路２から供給された直流電力を電源１の交流電力よりも周波数が高い交流電力（高周波電力）に変換して給電コイル４に供給する一種のインバータである。
給電コイル４は、所定のコイル径を有するヘリカルコイルであり、コイル軸を上下方向（垂直方向）とした姿勢、かつ、地表面上に露出した状態あるいはプラスチック等の非磁性材によってモールドされた状態で上述した駐停車位置に設置されている。このような給電コイル４は、両端が給電回路３の出力端に接続されており、上記給電回路３から高周波電力が供給されることにより磁界を発生することによって移動車両Ｍに対して非接触で給電を行う。給電用制御部５は、マイクロプロセッサやメモリ等を備え、所定の給電用制御プログラムに基づいて機能するソフトウエア型制御装置であり、給電回路３を制御する。
異物侵入防止部６は、図１及び図２に示すように、給電コイル４上に設けられ、磁界を透過すると共に可撓性を有する可撓材（プラスチックやゴム等）からなる複数の毛状部材６ａと、該毛状部材６ａと同じく可撓材からなり、該毛材が埋め込まれたシート６ｂとから構成され、この毛状部材６ａ及びシート６ｂによって給電コイル４から受電コイル１１に向けてブラシ状に形成された人工芝のようなものである。この異物侵入防止部６において、毛状部材６ａの長さは、地上給電装置Ｓ上に移動車両Ｍが駐車している際に、毛状部材６ａが後述する移動車両Ｍの受電コイル１１の端面（下面）に届くように調整されている。つまり、異物侵入防止部６は、給電コイル４と後述する移動車両Ｍの受電コイル１１との間の空間を埋めるように設けられている。
移動車両Ｍは、運転者によって運転されて道路上を走行する自動車であり、例えば電力を動力源として走行する電気自動車やハイブリッド自動車である。このような移動車両Ｍは、図１に示すように、受電コイル１１、受電回路１２、充電回路１３、バッテリ１４及び受電用制御部１５を備えている。なお、図１では省略しているが、移動車両Ｍは、走行モータ、操作ハンドル、ブレーキ及びエンジン（ハイブリッド自動車の場合）等の走行に必要な構成要素を当然に具備する。
受電コイル１１は、上記地上給電装置Ｓの給電コイル４と略同一のコイル径を有するヘリカルコイルであり、給電コイル４と対向可能なようにコイル軸が上下方向（垂直方向）となる姿勢で移動車両Ｍの底部に設けられている。このような受電コイル１１は、両端が受電回路１２の入力端に接続されており、給電コイル４の磁界が作用すると電磁誘導によって起電力を発生し、当該起電力を受電回路１２に出力する。
受電回路１２は、入力端が受電コイル１１の両端に接続され、出力端が充電回路１３の入力端に接続されている。このような受電回路１２は、受電コイル１１と受電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備え、受電コイル１１から供給された交流電力を直流電力に変換して充電回路１３に供給する一種の整流回路である。なお、受電回路１２の共振用コンデンサの静電容量は、上記給電側共振回路の共振周波数と受電側共振回路の共振周波数とが同一周波数になるように設定されている。
充電回路１３は、入力端が受電回路１２の出力端に接続され、出力端がバッテリ１４の入力端に接続されており、受電回路１２から供給される電力（直流電力）をバッテリ１４に充電する。バッテリ１４は、移動車両Ｍに搭載された再充電が可能な電池（例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池）であり、図示しない走行モータ等に駆動電力を供給する。
受電用制御部１５は、マイクロプロセッサやメモリ等を備え、所定の受電用制御プログラムに基づいて機能するソフトウエア型制御装置であり、充電回路１３を制御する。
次に、このように構成された本非接触給電システムの動作について説明する。
まず、移動車両Ｍを地上給電装置Ｓが埋設された駐車スペースに駐車させようとする場合、運転手は、移動車両Ｍを走行させて、図２に示すように、地上給電装置Ｓの給電コイル４が埋設された駐車スペースに進入させる。ここで、移動車両Ｍのタイヤが給電コイル４上を通過する進路を取っている場合、異物侵入防止部６は移動車両Ｍのタイヤの下敷きとなる。すなわち、図３に示すように、異物侵入防止部６の毛状部材６ａは可撓材からなるので、移動車両Ｍの重量によって踏み倒される。よって、移動車両Ｍの走行は、異物侵入防止部６によって妨げられない。そして、移動車両Ｍのタイヤが異物侵入防止部６上を通過すると、異物侵入防止部６の毛状部材６ａは元の形状に復元される。
また、移動車両Ｍが駐車スペースに進入している際、異物侵入防止部６が移動車両Ｍの底面の下側に位置している場合には、異物侵入防止部６（毛状部材６ａ）の先端が移動車両Ｍの底面に当接した状態で接触している。つまり、移動車両Ｍは、その底面に異物侵入防止部６（毛状部材６ａ）の先端が接触しながら走行することになるので、異物侵入防止部６の表面に異物が付着していても異物は移動車両Ｍの移動にともない異物侵入防止部６上から払いのけられ、異物侵入防止部６上から異物を除去できる。
続いて、運転手は、移動車両Ｍを運転して地上給電装置Ｓの設置場所まで移動車両Ｍを走行させ、給電コイル４と受電コイル１１とが正対する位置関係になるように移動車両Ｍを停車する。上記位置関係になるように移動車両Ｍを停車すると、異物侵入防止部６（毛状部材６ａ）の先端は、移動車両Ｍの受電コイル１１に当接した状態で接触する。つまり、給電コイル４の端面（上面）と受電コイル１１の端面（下面）との間の空間を埋めるように異物侵入防止部６が配置された状態となる。このため、異物の大きさと同等ないしそれ以上の、すなわち異物が侵入できる大きさの空間が生じる程度に毛状部材６ａをたわませるだけの重量を有しない軽量の異物は異物侵入防止部６の毛状部材６ａによって邪魔されて給電コイル４と受電コイル１１との間に侵入できない。
一方、地上給電装置Ｓにおいて、給電用制御部５は、不図示の音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から移動車両Ｍの位置を把握する。給電用制御部５は、音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から地上給電装置Ｓの上方に移動車両Ｍが移動してきたことを検知すると、給電回路３にバッテリ１４の給電動作を開始させる。他方、移動車両Ｍにおいて、受電用制御部１５は、バッテリ１４の充電状態を監視しながら充電回路１３を制御することにより、バッテリ１４を適切に充電する。この際、給電コイル４と受電コイル１１との間の磁界は異物侵入防止部６の毛状部材６ａによって覆われた状態となっている。
このような本第１実施形態によれば、異物侵入防止部６によって、複雑な機械的機構を必要とする可動部を必要とせずに給電コイル４と受電コイル１１との間の空間への異物の侵入を防ぐことができるので、メンテナンスに手間を要さない。また、本第１実施形態によれば、異物侵入防止部６が可撓材から構成されているので、移動車両Ｍの走行時に邪魔にならない。
〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る非接触給電システムについて説明する。
本第２実施形態に係る非接触給電システムは、第１実施形態の地上給電装置Ｓに異物検出部７を追加したものである。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。
異物検出部７は、異物侵入防止部６上に存在する金属製のレンチ等の所定の重量、すなわち異物が侵入できる、異物の大きさと同等ないしそれ以上の空間を生じる程度に毛状部材６ａをたわませることができる重量を有する異物を検出するものであり、図４（ａ）に示すように、光ファイバ７ａ及び光計測装置７ｂから構成されている。なお、光計測装置７ｂは、本実施形態における発光手段及び受光手段である。
光ファイバ７ａは、磁界を透過するアクリル製プラスチックから形成された単一芯線の光ファイバケーブルであり、一端が光計測装置７ｂに接続されている。この光ファイバ７ａは、図４（ａ）に示すように、一端側が異物侵入防止部６のシート６ｂ表面に沿って配置され、他端側が上方向を向くように所定の位置で折り曲げられている。この光ファイバ７ａは、密集した毛状部材６ａに密接した状態で配置されている。また、光ファイバ７ａの他端は、異物侵入防止部６の毛状部材６ａの先端に揃うと共に、反射が発生しないように無反射処理が施されている。なお、光ファイバ７ａは、図４（ａ）に１本しか描かれているが、点在して複数本設けられることが望ましい。
光計測装置７ｂは、光ファイバ７ａの一端に測定光（レーザ光または自然放射光（ＡＳＥ光））を出射すると共に、光ファイバ７ａ内で反射して戻ってきた反射光を受光する。光計測装置７ｂは、その受光量を測定し、給電用制御部に測定結果を出力する。このような光計測装置７ｂは、給電コイル４と受電コイル１１との間の磁界に影響し非接触給電の効率が低下することを回避するために、給電コイル４の真上を避けて配置されている。なお、給電用制御部５は、光計測装置７ｂから入力される測定結果に基づいて受光量に変化がある場合には、異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に異物が存在すると判断する。
次に、このように構成された第２実施形態の動作について説明する。
例えば、異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に所定の重量を有する異物（金属製のレンチ等）が存在する場合、この異物の重量によって毛状部材６ａと共に光ファイバ７ａが押し曲げられる。このため、光ファイバ７ａが変形して光ファイバの途中から漏れ出す光量が変化し、光計測装置７ｂによって測定される受光量に変化が生じる。給電用制御部５は、光計測装置７ｂから入力される測定結果に基づいて受光量に変化がある場合には、異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に異物が存在すると判断する。そして、給電用制御部５は、毛状部材６ａ上に異物が存在する判断した場合には、給電回路３を制御して給電を停止する。また、映像を表示する表示部、発光する発光部または音を発する発音部等の通知手段を備えている場合には、給電用制御部５は、この通知手段を用いて異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に異物が存在することを外部に通知する。
このような本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、異物侵入防止部６上に所定の重量を有する異物が存在する場合、異物が存在することを検出することができるので、異物侵入防止部６上に異物が存在した状態での給電動作を回避できるという効果を得る。
〔第３実施形態〕
次に、第３実施形態に係る非接触給電システムについて説明する。
本第３実施形態に係る非接触給電システムは、第１実施形態の地上給電装置Ｓに異物検出部８を追加したものである。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第３実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。
異物検出部８は、異物侵入防止部６上に存在する金属製のレンチ等の所定の重量、すなわち異物が侵入できる、異物の大きさと同等ないしそれ以上の空間を生じる程度に毛状部材６ａをたわませることができる重量を有する異物を検出するものであり、図４（ｂ）に示すように、線状部材８ａ及び歪み検出部８ｂから構成されている。
線状部材８ａは、磁界を透過し弾性を有する材料、例えばＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics：繊維強化プラスチック）からなり、図４（ｂ）に示すように、異物侵入防止部６を横断するように設けられている。また、線状部材８ａの両端には、歪み検出部８ｂが設けられている。なお、線状部材８ａは、図４（ｂ）に１本しか描かれていないが、複数本が平行または交差するように設けらることが望ましい。
歪み検出部８ｂは、線状部材８ａの両端に設けられ、線状部材８ａの歪みを検出するセンサ（たとえば歪ゲージ）であり、検出結果を給電用制御部５に出力する。このような歪み検出部８ｂは、給電コイル４と受電コイル１１との間の磁界に影響し非接触給電の効率が低下することを回避するために、給電コイル４の真上を避けて配置されている。なお、給電用制御部５は、歪み検出部８ｂから入力される検出結果に基づいて線状部材８ａに歪みが発生している場合には、異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に異物が存在すると判断する。
次に、このように構成された第３実施形態の動作について説明する。
例えば、異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に所定の重量を有する異物（金属製のレンチ等）が存在する場合、この異物の重量によって毛状部材６ａと共に線状部材８ａが押し曲げられる。このため、歪み検出部８ｂによって線状部材８ａの歪みが検出される。給電用制御部５は、光計測装置７ｂから入力される測定結果に基づいて線状部材８ａに歪みが発生している場合には、異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に異物が存在すると判断する。そして、給電用制御部５は、毛状部材６ａ上に異物が存在する判断した場合には、給電回路３を制御して給電を停止する。また、表示部、発光する発光部または発音部等の通知手段を備えている場合には、給電用制御部５は、この通知手段を用いて異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に異物が存在することを外部に通知する。
このような本第３実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、異物侵入防止部６上に所定の重量を有する異物が存在する場合、異物が存在することを検出することができるので、異物侵入防止部６上に異物が存在した状態での給電動作を回避できるという効果を得る。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、給電装置が地面に埋設された地上給電装置Ｓであり、移動体が地上を走行する移動車両Ｍであったが、本発明はこれに限定されない。例えば、給電装置が多層階を有する駐車場のコンクリート床に埋設されていたり、立体駐車場で車両を支持する鋼製部材に磁界に影響しない素材を介して取り付けられたりしていてもよい。また、給電装置が水中に設置された水中給電装置であり、移動体が水中を移動する水中航走体であってもよい。
（２）移動車両Ｍは運転者を有さず、無人で自動運転される車両であってもよい。
（３）上記実施形態では、非接触給電する方法として磁界共鳴方式を採用したが、電磁誘導方式を採用するようにしてもよい。
（４）給電コイル４や受電コイル１１はヘリカルコイルに限定されない。給電コイル４と受電コイル１１の間で非接触給電が可能であればソレノイド状など任意の形式や形状のコイルでよく、また両コイルの形式、形状、大きさが異なってもよい。
（５）上記実施形態では、異物侵入防止部６としてブラシ状に形成された人工芝のようなものを用いたが、このようなもの以外にも、例えば、移動車両Ｍの重量で変形して移動車両Ｍがその上を通過することを妨げない程度の弾性を有するスポンジ状のものを用いるようにしてもよい。
（６）上記第２実施形態では、光ファイバ７ａの一端に、発光手段と受光手段を兼ね備える光計測装置７ｂを接続したが、本発明はこれに限定されない。例えば、光ファイバ７ａを、図４（ｂ）に示す線状部材８ａと同じように、異物侵入防止部６を横断するように設け、このような光ファイバ７ａの一端に発光手段を接続し、他端に受光手段を接続して、異物の重量によって光ファイバ７ａが変形して光ファイバの途中から漏れ出す光量が変化することを利用し、受光手段によって受光された受光量の変化に基づいて異物侵入防止部６の毛状部材６ａ上に異物が存在するか否かを判断するようにしてもよい。
Ｓ…地上給電装置、Ｍ…移動車両、１…電源、２…整流回路、３…給電回路、４…給電コイル、５…給電用制御部、６…異物侵入防止部、６ａ…毛状部材、６ｂ…シート、１１…受電コイル、１２…受電回路、１３…充電回路、１４…バッテリ、１５…受電用制御部、７、８…異物検出部、７ａ…光ファイバ、７ｂ…光計測装置（発光手段、受光手段）、８ａ…線状部材、８ｂ…歪み検出部

Claims (4)

  1. 給電コイルを有する給電装置と、受電コイルを有する移動体とを具備し、前記給電コイルから前記受電コイルに非接触給電によって電力供給を行う非接触給電システムであって、
    磁界を透過すると共に可撓性を有する可撓材からなり、前記給電コイルと前記受電コイルとの間の空間を埋めるように前記給電コイル上に設けられた異物侵入防止部を具備し、
    前記異物侵入防止部は、前記移動体の接触により倒れることを特徴とする非接触給電システム。
  2. 前記異物侵入防止部は、前記可撓材からなる複数の毛状部材によってブラシ状に前記給電コイルから前記受電コイルに向けて形成されていることを特徴とする請求項１に記載の非接触給電システム。
  3. 前記可撓材に接するように設けられた光ファイバと、前記光ファイバの端部から光を入射する発光手段と、前記光ファイバの端部から出射される光を受光する受光手段とを具備し、前記受光手段による受光量に基づいて前記可撓材上に異物が存在するか否か判断することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触給電システム。
  4. 前記可撓材に接するように設けられ磁界を透過し弾性を有する線状部材と、前記線状部材の歪みを検出する歪み検出部とを具備し、前記歪み検出部による検出結果に基づいて前記可撓材上に異物が存在するか否か判断することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触給電システム。
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