JP6071709B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車や電動車椅子など、電力を当該車両における機能発揮のエネルギーとする電動車両の電源装置を充電する為の非接触給電装置に関する。

電動車両の電源装置を充電する為に用いられる非接触給電装置は、一般的に、分離型変圧器の一次側（以下、送電と記す。）巻線部を給電プラットフォームに備え、二次側（以下、受電と記す。）巻線部を電動車両の底部に備える構成を採る。
前記分離型変圧器において、前記送電巻線部と受電巻線部に位置ズレが存在すると、磁気結合の不十分さにより前記送電巻線部による受電巻線部への給電効率が低くなることから、従来、この様な事態を回避すべく様々な措置が講じられている。

具体的には、送電巻線部又は受電巻線部に位置センサー等の位置検出装置を設置し、両巻線部が一定の範囲内（例えば、各巻線部の中心からの位置ズレが±１０ｃｍの範囲内など。）に位置することを給電開始条件とした非接触給電装置（第一の従来技術：例えば、下記特許文献１参照。）や、送電巻線部に円盤型コイルを複数個設置し、受電巻線部が置かれた箇所に近いコイルのみに通電することによって、良好な給電効率を確保する措置が採られた携帯電話用非接触給電装置（第二の従来技術）や、送電巻線部及び受電巻線部にそれぞれ送信側コイル及び受信側コイルを備え、双方の通信感度を検知することにより適正な位置関係を検出する手法（第三の従来技術。例えば、下記特許文献２参照。）等が挙げられる。

更には、送電巻線部と受電巻線部の位置ズレを補正するために、別途モーターを付設し、その動力を利用して送電巻線部を効率の良好な位置関係となる様に移動させる手法（第四の従来技術）や、送電巻線部と受電巻線部との間に生じる磁力により自動的に位置合わせを行わせる手法（第五の従来技術。例えば、下記特許文献３又は特許文献４参照。）等を合わせた構成も紹介されている。

特開昭６３−４８１０２号公報 特許第４７７２７４４号公報 特開平１０−２１５５３２号公報 特開２００９−９５０７２号公報

しかしながら、前記第一の従来技術及び第三の従来技術にあっては、所定の位置からの位置ズレが一定範囲内となる様に素早く電動車両を停車させるには、運転手に高度の熟練を求める必要があるという問題があり、前記第二の従来技術を採用するにあっては、電動車両用の非接触給電装置の様な大容量の受電巻線部に対応できる比較的大型の送電巻線部を複数設置するスペースを確保する必要があるという問題がある。

前記第四の従来技術の様に、モーター等の駆動手段を使用して機械的に位置ズレを補正する手法にあっては、電動車両用を移動させるための駆動装置が大型化し、設置スペースの確保が困難となる他、別途当該駆動装置の保守点検が必要となるという問題がある。
更に、前記第五の従来技術の様に、浮遊する送電巻線部を磁力によって自動的に受電巻線部に引き寄せて位置合わせを行わせる手法にあっては、磁力の強度を相当程度維持しなければ送電巻線部の位置がリード線の応力等、比較的弱い力でずれてしまい、磁力を高めた際にあっては位置決め用の電力コストが増し、又は磁力を高めない場合にあっては給電効率が不安定となるという問題があった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、実用性の高い送電巻線部の設置スペースの下、給電作業に運転の熟練を要することなく比較的高い給電効率が得られ、且つ当該給電効率が安定した非接触給電装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するためになされた本発明による非接触給電装置は、電動車両が具備する受電部と、電動車両の通行及び停止が可能となる路面に設定された給電プラットフォームが具備する送電部を備え、前記受電部は、受電巻線部を備え、前記送電部は、当該受電巻線部に誘導起電力及び引力を励起する送電巻線部を備え、前記給電プラットフォームは、絶縁性流動体を蓄える貯留槽を備え、前記送電巻線部は、前記貯留槽内において当該送電巻線部を一定の深度で水平移動可能とする浮力源を備えることを特徴とする。

前記非接触給電装置は、前記送電巻線部が励起する引力で動作する制動手段を備える非接触給電装置とすることができる。前記制動手段の動作は、前記送電巻線部が励起する引力で制動する形態と制動を解除する形態のいずれを採っても良いし、引力の強さに応じて制動手段の動作が異なる構成を採用しても良い。

前記受電部は、その受電巻線部を前記送電巻線部の逆極性とする電源装置を備えることによって、送電部及び受電部相互に生じる引力を強め得る構成を採用しても良い。

上記本発明による非接触給電装置によれば、一次巻線（以下、送電コイルと記す。）への通電により、送電巻線部が発生する磁力により送電巻線部を受電巻線部に近接させ、自動的に位置ズレ補正を行うことができる。また、前記送電巻線部を絶縁性流動体上に浮遊させることによって、比較的弱い磁力であってもモーター等を別途用いることなく前記位置ズレ補正を行う事が出来る。この様に絶縁性流動体上に前記送電巻線部を浮遊させる構成は、比較的簡素な構造で実現できるので、当該構造の追加による装置規模の拡大やコストの増加を回避することができる。

前記受電巻線部に送電巻線部が近接した際、前記送電巻線部の動揺を抑制する制動手段を備えれば、両巻線部が非接触給電に最適な位置関係で固定され給電効率を高い状態に安定保持することができる。
また、前記制動手段を、前記送電巻線部が励起する引力で動作させる構成を採ることによって、別途アクチュエータを付設することなく簡素な構成で十分な制動手段を低コストで得ることができる。

また、前記送電巻線部の導通電流を増加させ、又は前記二次巻線（以下、受電コイルと記す。）に前記送電コイルとは逆極性の二次電流を供給する電源装置を備えることによって、位置ズレ補正動作の許容範囲が拡大され若しくはその動作が安定し、且つ位置ズレ補正後の動揺を回避する作用も得ることができる。

本発明による非接触給電装置の一例を示す、（Ａ）：位置ズレ補正過程、（Ｂ）：位置ズレ補正後の要部正面図である。 本発明による非接触給電装置の一例を示す、（Ａ）：位置ズレ補正過程、（Ｂ）：位置ズレ補正後の側面図である。 本発明による非接触給電装置の一例における磁束の状態を示す、（Ａ）：位置ズレ補正過程、（Ｂ）：位置ズレ補正達成時での要部正面図である。 本発明による非接触給電装置における制動手段の一例を示す、（Ａ）：制動時、（Ｂ）：制動解除時、（Ｃ）：制動開始時の要部正面図である。 本発明による非接触給電装置の一例を示す給電モードと電磁石モードにおける回路図である。 本発明による非接触給電装置における二次巻線部の一例を示す、平面図、側面図、及び正面図である。 本発明による非接触給電装置における一次巻線部の一例を示す、平面図、側面図、正面図、及び底面図である。 本発明による非接触給電装置の制動手段一例を示す、（Ａ）：固定部、（Ｂ）：可動部の平面図、側面図、及び正面図である。 本発明による非接触給電装置における一次巻線部の一例を示す、平面図、側面図、正面図、及び底面図である。

以下、本発明による非接触給電装置の実施の形態を図面に基づき説明する。
図２に示す例は、電動車両Ｘが具備する受電部１と、電動車両Ｘの通行及び停止が可能となる様に、道路上又は駐車スペース（これらの表面を路面とする。）に設定された給電プラットフォームＹが具備する送電部２を備えたものである（図５参照）。

当該例において前記受電部１は、蓄電池１６に給電する充電器３と、受電（二次）並列共振コンデンサＣ２と、電動車両の底面に固定した受電巻線部４と、これらを要する受電回路を開閉するモード切替スイッチＳＷ２を備える。
一方、前記送電部２は、三相２００Ｖ電源５と、当該電源５を給電用電源に調整するインバータ給電装置６と、送電巻線部７と、送電（一次）直列共振コンデンサ（一次コンデンサ）Ｃ１と、当該一次コンデンサＣ１を短絡するモード切替スイッチＳＷ１を備える（図５参照）。

前記送電巻線部７は、前記受電巻線部４に誘導起電力及び引力を励起する分離型変圧器を構成する。ここで、前記分離型変圧器（以下、変圧器と記す。）とは、前記送電巻線部７と前記受電巻線部４を分離して使用する変圧器である。
当該例における前記送電巻線部７と受電巻線部４は、方形コア（フェライトや鉄等の磁性体）を二分割したかの如きコの字状を呈するコア７ａ，４ａの各々に、送電コイル７ｂと受電コイル４ｂが巻きつけられたものである。
前記送電コイル７ｂは、単一又は複数のコイルで構成し（複数の場合、コイルの数や各コイルの巻き数は問わない。）、複数のコイルで構成する場合には、目的に応じてそれらの接続を切り換える回路切換スイッチ（図示省略）を設けてもよい（図７及び図９参照）。

前記給電プラットフォームＹは、絶縁性流動体Ｇを蓄える貯留槽Ｐを備え、前記送電巻線部７は、前記貯留槽Ｐ内に浸される。
当該送電巻線部７は、前記貯留槽Ｐ内において前記絶縁性流動体Ｇの表面を一定の深度で水平移動可能とする浮力源９を備える。
前記絶縁性流動体Ｇは、絶縁油（鉱油、植物油、シリコン油等）等でよい。

前記貯留槽Ｐは、電動車両Ｘに設けた受電巻線部４と給電プラットフォームＹに設けた送電巻線部７との位置合わせの際に十分な補正範囲を提供できる大きさとし、全体に亘って均一な深さを持つ容器を水平に載置した場合と同様の構成とする。
前記絶縁性流動体Ｇの充填量は、当該貯留槽Ｐに磁束が通過可能な蓋Ｓをした際に、前記送電巻線部７が当該蓋Ｓの裏面と出来るだけ近接し、且つ当該送電巻線部７が蓋Ｓの裏面又は前記貯留槽Ｐの底面と接することなく自由に移動できる量であることが望ましい。

当該例においては、前記送電巻線部７は、前記絶縁性流動体Ｇ上を浮遊し得るフロート（浮力源）９に支持フレーム１０を挟んで固定する。
前記送電巻線部７に給電するリード線７ｃには、浮遊するフロート９の自由な動きを阻害しない柔軟で耐久性の高いケーブルを選択し、前記フロート９や支持フレーム１０の形状や構造も、前記リード線７ｃが引っ掛かる等、相互に干渉し難い滑らかなものを選択することが望ましい。

当該例における前記支持フレーム１０は、非磁性体からなる方形状のプレート部１０ａと、その左右端部などにバランスを失することなく（前後対称又は左右対称等）適宜付設した制動手段１１とで構成される。
前記フロート９は、例えば、ゴムや合成樹脂など絶縁性を持つ非磁性体を、例えば、直方体状等に成形してなり、前記プレート部１０ａの裏面中央部及び表面左右側縁部に前後左右対称となる様に貼着することによって、前記支持フレーム１０に前記の通り適当な浮力を与え、前記送電巻線部７の浮遊姿勢の安定を図る。

前記制動手段１１は、前記プレート部１０ａに対して不動状態に固定された固定部１１ａと昇降可能な可動部１１ｂとで構成する。
前記固定部１１ａ及び可動部１１ｂは、ともに磁性体で構成され、前記固定部１１ａの制止部材１２と前記送電巻線部７のコア７ａとで前記可動部１１ｂの上位の一部をバランスよく覆うことによって、その昇降動作の上限を規制する。
尚、前記制止部材１２の形状は、前記コア７ａ、可動部１１ｂ、及び当該制止部材１２で一連の磁路が形成できる限り、その形状は適宜選択可能である（例えば、図７又は図９参照）。

当該例における前記可動部１１ｂは、方形状の略平坦なテーブル１４と、その裏面中央部から垂下する爪部１３を備え、当該爪部１３の先端が前記貯留槽Ｐの底に形成された凹凸（当該貯留槽Ｐの底に沈む状態で敷設されたシート表面に形成された凹凸でも良い。）Ｄに係ることによって、前記送電巻線部７の移動を制し（制動し）、当該可動部１１ｂが上昇し前記爪部１３の先端が前記凹凸Ｄから離脱することによって前記制動が解除される構造とする（図４参照）。
前記貯留槽Ｐの底に形成された凹凸に替えて、前記可動部１１ｂの下端との間で、前記送信巻線部７の制動に足る摩擦力を発生する素材や構造を採用してもよい。

前記可動部１１ｂは、前記プレート部１０ａの左右に対称的に設けたガイド孔１０ｂでその昇降軌道を規制し、前記送信巻線部７の磁力によって、以下の通り、他の駆動手段を要することなく駆動し且つその動きを制御する。

＜電磁石モード＞
前記送電巻線部７は、例えば、図５に示す様な回路に接続され、モード切替スイッチＳＷ１を閉じて前記送電巻線部７の送電コイル７ｂに電流を流通させることにより磁束が発生し、コア７ａ、可動部１１ｂ、及び固定部（制止部材１２）１１ａで磁路を形成する（図４（Ａ）参照）。
前記送電コイル７ｂへの電流の供給量を増加させると、前記送電巻線部７で形成された磁路の磁力が増加し、前記テーブル（可動部１１ｂ）１４の両側縁部が前記制止部材１２と前記コア７ａにそれぞれ引き寄せられ当接するに至るまで上昇する（図４（Ｂ）参照）。

一方、図９に示す様に、複数の送電コイル７ｂを有する場合には、前記回路切換スイッチによって、複数の送電コイル７ｂを直列接続に切り換え、磁路の磁力を増加させる手法を採ることもできる。特に、巻き数が異なる複数の送電コイル７ｂを有する場合には、前記回路切換スイッチによって、巻き数の多い方の送電コイル７ｂに電流を供給し磁路の磁力を上記の如く増加させる手法を採ることもできる。

前記送電巻線部７のコア７ａから前記受電巻線部４のコア４ａへ磁束が入ることで、前記絶縁性流動体Ｇに浮遊する前記送電巻線部７が、電動車両Ｘに設けた受電巻線部４に引き寄せられて移動する（図３参照）。

この際、位置ズレ補正時の給電を禁止し、ひいては受電部１の回路（整流器や充電器３等）の損傷を防止すべく、前記モード切替スイッチＳＷ２を開いて前記受電巻線部４の受電コイル４ｂを充電器３に通じる回路から遮断することが望ましい。
また、他の励磁用蓄電池（図示省略）から前記受電巻線部４に対して当該受電巻線部４を逆極性とする電流を供給すれば、より強い位置ズレ補正用の磁力が得られることによって、位置ズレ補正の許容範囲や精度や安定性を高めることができる場合がある。

＜給電モード＞
給電モードでは、前記送電巻線部７と受電巻線部４とで前記変圧器を構成し、インバータ給電装置６で発生させた電力を、前記充電器３を通して前記蓄電池１６に供給する。

前記送電巻線部７が前記受電巻線部４の略直下における許容範囲内に移動したことを検出した際、前記モード切替スイッチＳＷ１を開放しＳＷ２を閉じることによって給電モードに切り替わる（図５参照）。

一方、図９に示す様に、複数の送電コイル７ｂを有する場合には、前記回路切換スイッチによって、複数の送電コイル７ｂを並列接続に切り換えることで、前記送電直列共振コンデンサＣ１と送電コイル７ｂの共振周波数を前記インバータ給電装置６の運転周波数と一致させて給電を行う手法を採ることができる。
特に、巻き数が異なる複数の送電コイル７ｂを有する場合には、巻き数の少ない送電コイル７ｂと送電直列共振コンデンサＣ１による共振周波数がインバータ給電装置６の運転周波数と一致する様に巻き数を設定し、前記回路切換スイッチで、巻き数の多い送電コイル７ｂから巻き数の少ない送電コイル７ｂに切り換えて給電を行う手法を採ることもできる。

この際、前記送電巻線部７に供給される電流及びそれによって生じる磁力が電磁石モードに比べて減少することで、前記テーブル１４の上昇が維持できずにその爪部１３が前記貯留槽Ｐの底に達するまで自重降下し、給電モードに移行する直前の位置ズレ補正終了位置において前記送電巻線部７の移動が制止される（図４（Ｃ）参照）。

前記可動部１１ｂの昇降状態は、その重量若しくは浮力と磁力とのバランスに照らし、各モードに移行する際の閾値を磁力で調整する手法で調整しても良いし、前記送電巻線部７の磁力で上昇させるに前記テーブル１４が重すぎる場合には、前記テーブル１４に、浮力源たるフロート９を付設し、軽すぎる場合にはテーブル１４の上に重り１５を載せるなどで調整することができる。
前記送電巻線部７が前記受電巻線部４の略直下における許容範囲内に移動したことを検出する手法としては、前記従来手法をはじめとする規制の手法から適宜選択すれば良い。

前記電磁石モードにおける、前記送電コイル７ｂ及び前記受電コイル４ｂに供給する電流は、前記両巻線部７，４間に生じる磁力によっても両者のギャップを維持し、前記送電巻線部７を引き上げるには至らない大きさである。
前記送電コイル７ｂに供給する電流の態様は直流電流でもよいしパルス電流でもよく、前記インバータ給電装置６で供給する電流を変化させても良いし、当該例の様に、前記一次コンデンサＣ１を前記モード切替スイッチＳＷ１を閉じて短絡し、運転周波数を数Ｈｚ〜数ｋＨｚまで引き下げる等により電磁石モードに適した磁気を発生する様に調整しても良い。

Ｃ１ 送電（一次）直列共振コンデンサ，Ｃ２ 受電（二次）並列共振コンデンサ，
Ｄ 凹凸，Ｇ 絶縁性流動体，Ｐ 貯留槽，Ｓ 蓋，
Ｘ 電動車両，Ｙ 給電プラットフォーム，
１ 受電部，２ 送電部，３ 充電器，
４ 受電（二次）巻線部，４ａ コア，４ｂ 受電コイル，４ｃ リード線，
５ 電源，６ インバータ給電装置，
７ 送電（一次）巻線部，７ａ コア，７ｂ 送電コイル，７ｃ リード線，
９ 浮力源（フロート），
１０ 支持フレーム，１０ａ プレート部，１０ｂ ガイド孔，
１１ 制動手段，１１ａ 固定部，１１ｂ 可動部，
１２ 制止部材，１３ 爪部，１４ テーブル，１５ 重り，１６ 蓄電池，

Claims (2)

1. 電動車両が具備する受電部と、電動車両の通行及び停止が可能となる路面に設定された給電プラットフォームが具備する送電部を備え、
   前記受電部は、受電巻線部を備え、
   前記送電部は、当該受電巻線部に誘導起電力及び引力を励起する送電巻線部を備え、
   前記給電プラットフォームは、絶縁性流動体を蓄える貯留槽を備え、
   前記送電巻線部は、前記貯留槽内において当該送電巻線部を一定の深度で水平移動可能とする浮力源と、当該送電巻線部が励起する引力で動作する制動手段を備え、
   前記送電巻線部に電流を流通させて前記受電巻線部に給電する給電モードと、前記送電巻線部に給電モードより大きな電流を流通させて前記送電巻線部を前記受電巻線部に引き寄せる電磁石モードとに切替自在であり、
   前記制動手段は、昇降可能で磁性体からなる可動部を備え、給電モードにおいて、前記可動部が自重で下降し、下端が貯留槽の底に当接することで、前記送電巻線部の移動が制止され、電磁石モードにおいて、前記可動部が前記送電巻線部の磁力に引き寄せられて上昇し、下端が貯留槽の底から離脱することで、前記送電巻線部の移動が可能となるものであることを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記受電部は、その受電巻線部を前記送電巻線部の逆極性とする電源装置を備える前記請求項１に記載の非接触給電装置。

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