JP6138620B2

JP6138620B2 - 非接触給電システム

Info

Publication number: JP6138620B2
Application number: JP2013158180A
Authority: JP
Inventors: 泰尚久米; 秀太福田
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2013-07-30
Filing date: 2013-07-30
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-07-30
Also published as: JP2015029387A; US20150035482A1; US9333870B2

Description

この発明は、磁界を用いて電力を伝送する送電部を有する給電装置と、前記送電部を介して前記給電装置からの前記電力を受ける受電部を有する移動体とを備える非接触給電システムに関する。

例えば、電動車両において、電磁誘導等の物理現象を利用して非接触で給電を行う非接触給電システムが知られている。この種のシステムでは、給電動作に先立ち、電力を伝送する側（以下、送電部）及び電力を受ける側（以下、受電部）の相対位置を適切に調整する必要がある。

図１０Ａに示すように、地面１に設けられた送電部２から電力を伝送し、車両３が有する受電部４及び車両５が有する受電部６でそれぞれ受電する場合を想定する。ここで、車両３、５の車格が異なっており、送電部２と受電部６の間隔Ｇ２は、送電部２と受電部４の間隔Ｇ１よりも大きくなっている。そして、図１０Ｂに示すように、送電部・受電部間における三次元位置（水平及び垂直方向）のずれ量が大きくなるほど、電力の伝送効率が低くなる傾向がみられる。なお、実線のグラフは車両３（間隔Ｇ１）における伝送効率を示し、破線のグラフは車両５（間隔Ｇ２）における伝送効率を示している。

そこで、特許文献１では、電力を中継する中継デバイスを水平、垂直又は回転方向に移動可能に構成することで、送電部・受電部間における三次元位置を調整する給電装置が提案されている。

特開２０１３−０２１８８６号公報（段落［００４４］〜［００４８］、図６）

しかし、上記の特許文献１にて提案された装置では、中継デバイス及びこれを駆動する機構を別途設ける必要があるため、装置構成が複雑になると共に設置コストが高騰するという問題があった。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであり、極めて簡便な構成でありながら、送電部・受電部間における相対的な位置ずれを効果的に調整可能な非接触給電システムを提供することを目的とする。

本発明に係る非接触給電システムは、磁界を用いて電力を伝送する送電部を有する給電装置と、前記送電部を介して前記給電装置から前記電力を受ける受電部を有する移動体とを備えるシステムであって、前記送電部は給電エリア内の所定位置に、前記受電部は前記移動体にそれぞれ固定配置され、前記移動体を前記給電エリア内に移動させることで、前記送電部の送電面及び前記受電部の受電面は対向配置され、前記送電面及び前記受電面のうち少なくとも一方は、前記給電エリア内の地面に対して、前記移動体の前後方向に傾斜する。

このように、送電部の送電面及び受電部の受電面のうち少なくとも一方は、給電エリア内の地面に対して、移動体の前後方向に傾斜するようにしたので、給電エリア内に存在する移動体を前後方向に移動させることで、当該前後方向及び地面の高さ方向に対する送電部・受電部の相対位置を同時に変更可能である。これにより、極めて簡便な構成でありながら、送電部・受電部間における相対的な位置ずれを効果的に調整できる。

また、前記移動体が前記給電エリア内に存在する場合、前記前後方向における傾斜角の差分が所定範囲内に収まるように、前記送電面及び前記受電面がそれぞれ傾斜することが好ましい。特に、前記所定範囲は、前記電力の伝送効率が低下しない範囲又は漏洩磁界の強度が増加しない範囲であることが好ましい。これにより、傾斜角の差異に起因して、電力の伝送効率が低下し又は漏洩磁界の強度が増加することを抑制できる。

また、前記移動体が前記給電エリア内に存在する場合、前記送電面は前記受電面と平行することが好ましい。これにより、送電部・受電部間における相対的な位置ずれを調整した結果、最も高い伝送効率が得られる。

また、前記受電部は、前記移動体の前記前後方向の端部に配置されており、前記受電面は、前記移動体の側面視にて前記前後方向の外側に向かって上方に傾斜することが好ましい。前後方向の外側に向かうにつれて受電面を端部下面側から離すようにしたので、例えば、傾斜角が大きい路面との干渉を防止できる。

前記移動体は少なくとも１つの高圧部品を更に有し、前記受電部及び前記高圧部品は、前記前後方向に沿って近接又は密接する位置に並設され、前記受電面は、前記高圧部品における前記受電部側の一面の法線方向に対して傾斜することが好ましい。上記のように受電面を傾斜させることで、前後方向から衝撃荷重が印加された場合に、受電面を回転させるモーメントが発生し易くなり、高圧部品に衝突する際の接触面積が大きくなる傾向がある。これにより、受電部が高圧部品に与える発生応力を低減可能であり、高圧部品の破損を防止できる。

本発明に係る非接触給電システムによれば、送電部の送電面及び受電部の受電面のうち少なくとも一方は、給電エリア内の地面に対して、移動体の前後方向に傾斜するようにしたので、給電エリア内に存在する移動体を前後方向に移動させることで、当該前後方向及び地面の高さ方向に対する送電部・受電部の相対位置を同時に変更可能である。これにより、極めて簡便な構成でありながら、送電部・受電部間における相対的な位置ずれを効果的に調整できる。

本実施形態に係る非接触給電システムの概略構成を示す斜視図である。図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った概略断面図である。図３Ａ〜図３Ｃは、一次コイルと二次コイルの位置関係を示す概略図である。図４Ａ及び図４Ｂは、送電面及び受電面における傾斜角の設定例を示す概略図である。図５Ａは、各中心軸を一致させた場合における、一次コイルと二次コイルの位置関係を示す概略図である。図５Ｂは、角度差に対する伝送効率の変化特性を示すグラフである。図６Ａ〜図６Ｄは、この非接触給電システムが奏する別の作用効果に関する概略説明図である。第１変形例に係る非接触給電システムの概略断面図である。図８Ａ〜図８Ｃは、モータ・変速装置に印加される衝撃荷重の分布を示す概略説明図である。図９Ａ及び図９Ｂは、第２変形例に係る車両の概略構成図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、送電部・受電部間における三次元位置のずれ量と、電力の伝送効率の関係を説明するための概略図である。

以下、本発明に係る非接触給電システムについて好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。

［本実施形態］
＜非接触給電システム１０の構成＞
図１は、本実施形態に係る非接触給電システム１０の概略構成を示す斜視図である。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線に沿った概略断面図である。

図１に示すように、非接触給電システム１０は、給電エリア１２に設けられた給電装置１４と、移動体の一形態である電動車両（以下、単に「車両１６」という）とから構成される。給電エリア１２は、左右の仕切り線１８、１９によって区画され、１台の車両１６が駐車可能な程度の広さを有する。給電エリア１２内の所定位置（地面２０）には、磁界を用いて電力を伝送する送電部２２が固定配置されている。本図例では、送電部２２の一部が埋設されると共に、送電部２２の送電面２４の一部が露呈されている。

車両１６の前部２６と後部２８の間に、給電装置１４から電力を受ける受電部３０及び二次電池等で構成されたバッテリ３２（蓄電部）が搭載されている。受電部３０は車両１６に固定配置され、且つ、受電部３０の受電面３４は地面２０側を指向している。これにより、車両１６を給電エリア１２内に移動させることで、送電面２４及び受電面３４は対向配置される。

図２に示すように、給電装置１４は、送電部２２（図１）の他、ＡＣ（Alternating Current）コンセント４０、電源部４２、制御装置４４、開閉器４６、及び駆動回路４８を更に備える。

給電装置１４は、ＡＣコンセント４０を介して商用電源からの交流電力を取り込み、当該交流電力を電源部４２又は開閉器４６に供給する。電源部４２は、入力された交流電力から、内部回路（制御装置４４を含む）を駆動するための直流電源（電圧）を生成する。制御装置４４は、例えば、車両１６からの要求信号を受け付けた後に開閉器４６を閉状態にすることで、駆動回路４８に交流電力を供給させる。駆動回路４８は、交流電力に基づいて所定周期のパルス信号を発生する。

給電装置１４側の送電部２２は、概略三角柱状の基台５０と、該基台５０に載置され、金属を含む導電体からなる導線を巻回した一次コイル５２とを有する。一次コイル５２には、駆動回路４８からのパルス信号により交流電流が流れる。そして、この交流電流に起因する電磁誘導作用によって、車両１６側の二次コイル５４に電力が供給される。

一方、車両１６側の受電部３０は、金属を含む導電体からなる導線を巻回した二次コイル５４と、バッテリ３２を充電するための充電回路５６とを有する。充電回路５６は、二次コイル５４から出力された交流電力を直流に変換可能なＡＣ−ＤＣ（Direct Current）コンバータである。

なお、非接触の給電方式として、電磁誘導型に限られず、静電誘導型、磁界共鳴型、電界共鳴型を含む種々の方式を適用できる。また、送電部２２及び受電部３０の構成についても、給電方式の種類に応じて適宜変更してもよい。

＜送電部２２・受電部３０間での相対位置の調整＞
続いて、送電部２２・受電部３０間での相対位置の調整方法について、図３Ａ〜図３Ｂを参照しながら説明する。ここでは、Ｘ軸方向（車幅方向）における位置調整が既に完了したことを前提とする。

図３Ａ〜図３Ｃは、一次コイル５２と二次コイル５４の位置関係を示す概略図である。各図において、一次コイル５２の中心軸をＣ１とし、二次コイル５４の中心軸をＣ２とする。

図３Ａ例では、中心軸Ｃ２は、中心軸Ｃ１に対して右方に存在する。そこで、車両１６を矢印Ｆ方向に移動することで、一次コイル５２及び二次コイル５４の相対位置が調整される。ここで、矢印Ｆ方向は、車両１６の前進方向（Ｙ軸正方向）に一致する。このように、給電エリア１２内に存在する車両１６を矢印Ｆ方向に移動させることで、当該前後方向（Ｙ軸正方向）及び地面２０の高さ方向（Ｚ軸方向）に対する送電部２２・受電部３０の相対位置を同時に変更できる。

図３Ｂ例では、中心軸Ｃ２は、中心軸Ｃ１に対して左方に存在する。そこで、車両１６を矢印Ｂ方向に移動することで、一次コイル５２及び二次コイル５４の相対位置が調整される。ここで、矢印Ｂ方向は、車両１６の後退方向（Ｙ軸負方向）に一致する。このように、給電エリア１２内に存在する車両１６を矢印Ｂ方向に移動させることで、当該前後方向（Ｙ軸負方向）及び地面２０の高さ方向（Ｚ軸方向）に対する送電部２２・受電部３０の相対位置を同時に変更できる。

図３Ｃ例では、中心軸Ｃ２は中心軸Ｃ１に一致するので、一次コイル５２及び二次コイル５４の位置調整が完了する。この状態下において電力の伝送効率が概ね極大になる。特に、送電面２４は受電面３４に平行している場合（θ１＝θ２）、送電部２２・受電部３０間における相対的な位置ずれを調整した結果、最も高い伝送効率が得られる。

なお、図４Ａの例では、受電面３４の傾斜角θ２は、θ２＝０［ｄｅｇ］である。図４Ｂの例では、送電面２４の傾斜角θ１は、θ１＝０［ｄｅｇ］である。これらのように、送電面２４及び受電面３４のいずれか一方が傾斜していても、図３Ａ及び図３Ｂの場合と同様の作用効果を奏する。

このように、送電部２２の送電面２４及び受電部３０の受電面３４のうち少なくとも一方は、給電エリア１２内の地面２０に対して、車両１６の前後方向に傾斜するようにしたので、給電エリア１２内に存在する車両１６を前後方向（矢印Ｆ方向又は矢印Ｂ方向）に移動させることで、当該前後方向及び地面２０の高さ方向に対する送電部２２・受電部３０間の相対位置を同時に変更可能である。これにより、極めて簡便な構成でありながら、送電部２２・受電部３０間における相対的な位置ずれを効果的に調整できる。

＜傾斜角θ１、θ２の設定方法＞
続いて、傾斜角θ１、θ２の設定方法について、図５Ａ及び図５Ｂを参照しながら説明する。図５Ａは、各中心軸Ｃ１、Ｃ２を一致させた場合における、一次コイル５２と二次コイル５４の位置関係を示す概略図である。送電面２４（一次コイル５２）の傾斜角をθ１、受電面３４（二次コイル５４）の傾斜角をθ２とする。

図５Ｂは、角度差に対する伝送効率の変化特性を示すグラフである。グラフの横軸は角度差（単位：ｄｅｇ）であり、グラフの縦軸は伝送効率（単位：％）である。なお、角度差は、傾斜角θ１、θ２の差分（θ１−θ２）に相当する。

本図から理解されるように、角度差が所定範囲内であるとき伝送効率は略一定であるが、角度差が所定範囲外であるとき伝送効率が急激に低下する。このように、前後方向における傾斜角θ１、θ２の差分が所定範囲内に収まるように、送電面２４及び受電面３４がそれぞれ傾斜するように設定することで、傾斜角θ１、θ２の差異に起因して電力の伝送効率が低下するのを抑制できる。反対に言えば、電力の伝送効率が低下しない範囲（例えば、低下の割合が１％未満）を「許容範囲」として予め設定することで、車両１６の個体差・種類にかかわらず高い伝送効率を維持できる。

なお、図５Ｂ例では、伝送効率に基づいて角度差の許容範囲を定めているが、この物理量に限られず、伝送効率に相関する物理量を種々適用してもよい。例えば、漏洩磁界の変化特性を考慮する場合は、漏洩磁界の強度（すなわち、漏洩磁束）が増加しない範囲を「許容範囲」として設定してもよい。

＜別の作用効果＞
特に送電面２４を傾斜することで、上記した伝送効率以外の別の作用効果が生じる。以下、図６Ａ〜図６Ｄを参照しながら説明する。

図６Ａに示すように、略球状の異物５８が送電面２４に向けて落下したとする。この異物５８は、電力の伝送効率を低下させる共に、交流磁界を受けることで発熱するおそれがある。

ところが、地面２０に対して送電面２４が傾斜しているので、異物５８は、その着地後に自重により、送電面２４に沿って下方に移動する（図６Ｂ及び図６Ｃ）。その結果、異物５８は、送電面２４から離れた地面２０上で停止する。このように構成することで、送電面２４上の異物５８が除去され易くなり、伝送効率の低下等の不都合を未然に防止可能である。また、異物５８を検知するためのセンサを設ける必要がないため、非接触給電システム１０の導入コストを抑制できる。

［変形例］
続いて、本実施形態に係る第１及び第２変形例について、図７〜図９Ｂを参照しながら説明する。なお、本実施形態と同一の構成については、同じ参照符号を付してその説明を省略する。

＜第１変形例＞
図７は、第１変形例に係る非接触給電システム１０Ａの概略断面図である。非接触給電システム１０Ａは、図２と同様に基本的には、給電装置１４Ａ及び車両１６Ａから構成される。給電装置１４Ａは、２つの送電部２２、２２と、送電部２２、２２をそれぞれ駆動する駆動回路６０を備える点で、給電装置１４（図２）と異なる。２つの送電部２２、２２の傾斜角はいずれもθ１である。

車両１６Ａは、図２に示す受電部３０に代替して受電部６２を備える。受電部６２は、２つの二次コイル５４、５４と、二次コイル５４、５４に接続された充電回路６４とから構成される。前部２６側の二次コイル５４の背後には、車両１６Ａの前輪を駆動するためのモータ・変速装置６６が配置されている。

また、車両１６Ａは、少なくとも１つの高圧部品を備えている。ここでは、高圧部品として、バッテリ３２、モータ・変速装置６６が図示されている。受電部６２（特に、二次コイル５４、５４）及び高圧部品は、車両１６Ａの前後方向（Ｙ軸方向）に沿って近接又は密接する位置に並設されている。そして、受電面３４は、高圧部品における受電部６２側の一面の法線方向に対して傾斜する。

受電部６２及び高圧部品をこの位置関係下に配置する理由について、図８Ａ〜図８Ｃを参照しながら説明する。各図は、モータ・変速装置６６に印加される衝撃荷重の分布を示す概略説明図である。

図８Ａは、比較例における概略説明図であり、受電面３４は、モータ・変速装置６６における二次コイル７０側の一面（最近接面７４）の法線方向と平行する。例えば、受電部６２に衝撃荷重が印加された場合、二次コイル７０の一端部７２は、モータ・変速装置６６の最近接面７４に衝突する。このとき、接触部位７６の面積が小さいので、発生応力が特定の部位に集中する傾向がある。

図８Ｂは、本変形例における概略説明図であり、受電面３４は、モータ・変速装置６６における最近接面７４の法線方向に傾斜する。例えば、受電部６２に衝撃荷重が印加された場合、二次コイル５４の一端部７２は、モータ・変速装置６６の最近接面７４に衝突する。このとき、最近接面７４に対する受電面３４の斜入角度が非０であるため、最近接面７４の法線方向以外にも衝撃荷重が分散される。これにより、一端部７２側には矢印Ｍ１方向に反作用力が働くと共に、他端部７８側には矢印Ｍ２方向にモーメントが発生する。その結果、二次コイル５４は、時計回りの方向に回転しながら更なる衝撃荷重が印加される。

その後、図８Ｃに示すように、受電面３４の対向面８０が最近接面７４に接触することで、再度の衝突がなされる。このとき、接触部位８２の面積が大きいので、発生応力が面全体に分散する傾向がある。

このように受電面３４を傾斜させることで、前後方向から衝撃荷重が印加された場合に、受電面３４（二次コイル５４）を回転させるモーメントが発生し易くなり、高圧部品に衝突する際の接触面積が大きくなる傾向がある。これにより、受電部６２が高圧部品に与える発生応力を低減可能であり、高圧部品の破損を防止できる。

また、図８Ｂ及び図８Ｃに示した、衝撃荷重を面で印加させる挙動が常に再現されるように、両者の離間距離、傾斜角を含む各種パラメータを予め決定しておくことが好ましい。また、受電部６２に対する高圧部品の位置関係（前方又は後方）、高圧部品の数について適宜変更してもよい。

＜第２変形例＞
図９Ａは、第２変形例に係る車両１６Ｂの概略構成図である。この車両１６Ｂの前部２６には二次コイル５４が配置されると共に、後部２８には二次コイル９０が配置されている。二次コイル５４の受電面３４及び二次コイル９０の受電面９２はそれぞれ、車両１６Ｂの側面視にて前後方向の外側に向かって上方に傾斜している。以下、二次コイル５４、９０をこの位置に配置する理由について、図９Ｂを参照しながら説明する。

図９Ｂに示すように、平坦な路面９４の前方には、上り勾配である路面９５が存在する。車両１６Ｂが路面９４を走行する際に、ピッチング等の発生により、前部２６にて路面９５と接触する場合がある。そこで、前方向の外側に向かうにつれて受電面３４を前部２６の下面側から離すようにしたので、接触部位９６での路面９５との干渉を防止できる。

また、平坦な路面９４の後方には、下り勾配である路面９７が存在する。車両１６Ｂが路面９４を走行する際に、ピッチング等の発生により、後部２８にて路面９７と接触する場合がある。そこで、後方向の外側に向かうにつれて受電面９２を後部２８の下面側から離すようにしたので、接触部位９８での路面９７との干渉を防止できる。

［補足］
なお、この発明は、上述した実施形態及び変形例に限定されるものではなく、この発明の主旨を逸脱しない範囲で自由に変更できることは勿論である。

この実施形態及び変形例では、１組又は２組の送電部２２・受電部３０を設けているが３組以上であってもよく、これらの傾斜角θ１、θ２は同一であっても異なっていてもよい。

本実施形態では、平坦な水平面上に給電エリア１２が設けられているが、この場合に限られず、傾斜面上に設けられる場合であっても本発明を適用できる。

本実施形態では、移動体として電動車両を例に説明したが、電力を駆動源にする車両、例えば、ハイブリッド車両（ＨＥＶ）、プラグインハイブリッド車両（ＰＨＥＶ）にも適用できる。

１０、１０Ａ…非接触給電システム１２…給電エリア
１４、１４Ａ…給電装置１６、１６Ａ、１６Ｂ…車両
２０…地面２２…送電部
２４…送電面２６…前部
２８…後部３０、６２…受電部
３２…バッテリ３４、９２…受電面
５２…一次コイル５４、９０…二次コイル
６６…モータ・変速装置

Claims

磁界を用いて電力を伝送する送電部を有する給電装置と、前記送電部を介して前記給電装置から前記電力を受ける受電部を有する移動体とを備えるシステムであって、
前記送電部は給電エリア内の所定位置に、前記受電部は前記移動体の中央部にそれぞれ固定配置され、
前記移動体を前記給電エリア内に移動させることで、前記送電部の送電面及び前記受電部の受電面は対向配置され、
前記送電面及び前記受電面のうち少なくとも一方は、前記給電エリア内の地面に対して前記移動体の前後方向に傾斜し、
前記移動体は、少なくとも１つの高圧部品を有する四輪車であり、
前記受電部及び前記高圧部品は、前記前後方向に沿って近接又は密接する位置に並設され、
前記受電面は、前記高圧部品における前記受電部側の一面の法線方向に対して傾斜する
ことを特徴とする非接触給電システム。
請求項１記載のシステムであって、
前記移動体が前記給電エリア内に存在する場合、前記前後方向における傾斜角の差分が所定範囲内に収まるように、前記送電面及び前記受電面がそれぞれ傾斜することを特徴とする非接触給電システム。
請求項２記載のシステムであって、
前記所定範囲は、前記電力の伝送効率が低下しない範囲又は漏洩磁界の強度が増加しない範囲であることを特徴とする非接触給電システム。
請求項３記載のシステムであって、
前記移動体が前記給電エリア内に存在する場合、前記送電面は前記受電面と平行することを特徴とする非接触給電システム。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のシステムであって、
前記高圧部品は、モータ、変速装置、又は蓄電部のうちのいずれかであることを特徴とする非接触給電システム。