JP6167395B2 - 給電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電磁力を用いて外部の受電部に対して非接触で給電する給電装置に関する。
従来、給電コイルと受電コイルとを非接触状態で対向させて給電を行う非接触給電システムが知られている。非接触給電システムでは、給電中に地震等により給電側に振動が加わった際に、給電コイルの位置が変化する。
例えば、電気自動車等の車輌に搭載される蓄電装置に対して給電する非接触給電システムでは、給電装置を地上に設置している。この場合には、地震または大型車輌の通過等に伴って、給電装置に振動が発生し、給電コイルの位置が変化する。また、車輌等の移動体に携帯機器等への給電のための非接触給電システムを搭載した場合には、移動体の移動に伴って、給電装置に振動が発生し、給電コイルの位置が変化する。
給電中に給電コイルの位置が変化した場合には、給電コイルと受電コイルとの結合が変化し、過剰出力または漏洩磁束の増加を招く。
従来、給電中に地震等の不測の事態が生じた際に、車輌に搭載された充電部を停止する非接触給電システムが知られている（例えば、特許文献１の図１０）。特許文献１の非接触給電システムでは、不測の事態が生じた際に、ＥＣＵにより蓄電装置に対する給電を停止する制御を行う。そして、受電側は、給電の再開が不可能な場合には、給電側に対して給電を停止することを通信により通知する。これにより、特許文献１では、給電コイルと受電コイルとの間の結合の変化に伴う、過剰出力または漏洩磁束の増加を抑制することができる。
国際公開第２０１０／１３７１４５号
しかしながら、特許文献１においては、受電側で給電を停止する制御を行うので、不測の事態が発生してから、給電の再開が不可能であるために給電を停止するまで相当の時間を要し、この期間における、給電コイルからの過剰出力または漏洩磁束の増加を抑制することができないという問題がある。
本発明の目的は、不測の事態が生じた際に給電側で給電を制御することにより、過剰出力または漏洩磁束の増加を最小限にすることができる給電装置を提供することである。
本発明に係る給電装置は、外部の受電部に対して非接触で給電する給電装置であって、前記受電部の受電コイルに対して電磁力を用いて電力を給電する給電コイルと、前記給電コイルから給電している際において、振動が加わった際に検出される前記給電コイルの変位量に基づいて給電の電力量を制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記変位量が第１閾値以上の場合に、前記変位量が前記第１閾値未満の場合に比べて、前記給電の電力量を０より大きい所定の電力量へ低減し、前記変位量が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上の場合に、前記給電の電力量を「０」にする。
本発明によれば、不測の事態が生じた際に給電側で給電の電力量を制御することにより、過剰出力または漏洩磁束の増加を最小限にすることができる。
本発明の実施の形態における給電システムの構成を示すブロック図 本発明の実施の形態に係る給電装置の動作を示すフロー図 本発明の実施の形態における加速度センサの配置を示す図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態）
＜給電システムの構成＞
本発明の実施の形態における給電システム１０の構成について、図１を用いて説明する。
給電システム１０は、給電装置１００と、受電装置１５０と、給電対象物１６０とから主に構成されている。
給電装置１００は、受電装置１５０に対して給電する。
受電装置１５０は、給電装置１００から給電されることにより、給電対象物１６０に電力を供給する。
給電対象物１６０は、例えば負荷またはバッテリである。
給電システム１０は、車輌に搭載されているバッテリを非接触で充電する場合、携帯電話等の電機機器に内蔵されているバッテリを非接触で充電する場合、及びモータ等の負荷を駆動させるために負荷に給電する場合等に用いられる。車輌に搭載されているバッテリを非接触で充電する場合には、給電装置１００は駐車場等の地上に設置され、受電装置１５０は車輌に搭載される。
＜給電装置の構成＞
本発明の実施の形態に係る給電装置１００の構成について、図１を用いて説明する。
給電装置１００は、電源１０１と、インバータ１０２と、給電コイル１０３と、給電側通信部１０４と、加速度センサ１０５と、角速度センサ１０６と、給電側制御部１０７とから主に構成されている。
電源１０１は、インバータ１０２に電力を供給する。
インバータ１０２は、給電側制御部１０７の制御に従って、電源１０１から供給された直流電力を交流電力に変換し、所定の電力量の交流電力を給電コイル１０３に供給する。インバータ１０２は、給電側制御部１０７の制御により、給電コイル１０３に供給する電力量を変化させる。
給電コイル１０３は、インバータ１０２から電力の供給を受けることにより受電コイル１５４に対して給電する。給電コイル１０３および受電コイル１５４は、例えば、平面状のスパイラルコイルである。給電コイル１０３は、インバータ１０２から供給された電力の電力量に応じた給電の電力量で給電する。給電コイル１０３は、給電する際に、受電コイル１５４と対向して、受電コイル１５４と磁気的に結合する。給電コイル１０３は、例えば電磁誘導方式または磁気共鳴方式により、受電コイル１５４に対して電磁力を用いて電力を給電する。
給電側通信部１０４は、給電側制御部１０７の制御に従って、受電側通信部１５３との間で、給電開始または給電停止に関する情報の受け渡しを無線通信により行う。給電側通信部１０４は、受け渡した情報に基づいて、給電可能であることを示す信号または給電不可であることを示す信号を給電側制御部１０７に出力する。
加速度センサ１０５は、給電コイル１０３の周辺に設置されている。加速度センサ１０５は、給電装置１００の加速度を検出して、検出値を給電側制御部１０７に出力する。加速度センサ１０５は、給電装置１００の加速度を検出することにより、給電コイル１０３の加速度を検出していることとなる。加速度センサ１０５は、例えば、互いに直交する３軸の方向の加速度を検出可能な３軸加速度センサである。
角速度センサ１０６は、給電コイル１０３の周辺に設置されている。角速度センサ１０６は、給電装置１００の角速度を検出して、検出値を給電側制御部１０７に出力する。角速度センサ１０６は、給電装置１００の角速度を検出することにより、給電コイル１０３の角速度を検出していることとなる。角速度センサ１０６は、例えば、互いに直交する３軸の方向の角速度を検出可能な３軸角速度センサである。
給電側制御部１０７は、給電側通信部１０４より給電可能であることを示す信号が入力された際に、電源１０１の電力を給電コイル１０３に供給するようにインバータ１０２を制御する。給電側制御部１０７は、給電側通信部１０４より給電不可であることを示す信号が入力された際に、電源１０１からの給電コイル１０３に対する電力の供給を停止するようにインバータ１０２を制御する。
給電側制御部１０７は、電源１０１から給電コイル１０３に対して電力が供給されている給電中において、加速度センサ１０５または角速度センサ１０６から入力された、給電コイル１０３の変位を示す検出値を、所定時間累積することにより給電コイル１０３の変位量を求める。給電側制御部１０７は、求めた変位量に基づいてインバータ１０２を制御することにより、給電の電力量を制御する。
具体的には、給電側制御部１０７は、変位量が閾値以上の場合には、変位量が閾値未満の場合に比べて、給電コイル１０３に供給される給電の電力量が小さくなるようにインバータ１０２を制御する。また、給電側制御部１０７は、変位量が閾値以上の場合には、給電コイル１０３に対する電力の供給を停止するようにインバータ１０２を制御する。また、給電側制御部１０７は、変位量が閾値Ａ以上かつ閾値Ｂ（閾値Ｂ＞閾値Ａ）未満の場合には、変位量が閾値Ａ未満の場合に比べて、給電コイル１０３に供給される給電の電力量が小さくなるようにインバータ１０２を制御し、変位量が閾値Ｂ以上の場合には、給電コイル１０３に対する電力の供給を停止するようにインバータ１０２を制御する。ここで、電力の供給を停止するとは、給電コイル１０３からの給電の電力量を「０」にすることを意味する。
なお、加速度センサ１０５及び角速度センサ１０６は、例えば充電システム１０を車両に搭載した場合は、カーナビゲーション装置が備える加速度センサ及び角速度センサと兼用してもよい。
＜受電装置の構成＞
本発明の実施の形態における受電装置１５０の構成について、図１を用いて説明する。
受電装置１５０は、受電側制御部１５１と、インバータ１５２と、受電側通信部１５３と、受電コイル１５４とから主に構成されている。
受電側制御部１５１は、受電側通信部１５３より給電可能であることを示す信号が入力された際に、受電コイル１５４で受電した電力を給電対象物１６０に供給するようにインバータ１５２を制御する。受電側制御部１５１は、受電側通信部１５３より給電不可であることを示す信号が入力された際に、受電コイル１５４で受電した電力の給電対象物１６０に対する供給を停止するようにインバータ１５２を制御する。
インバータ１５２は、受電側制御部１５１の制御に従って、受電コイル１５４から供給された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を給電対象物１６０に供給する。なお、インバータ１５２に代えて、交流を直流に変換するために、例えばダイオードを用いた整流器を用いても良い。
受電側通信部１５３は、受電側制御部１５１の制御に従って、給電側通信部１０４との間で、給電開始または給電停止に関する情報の受け渡しを無線通信により行う。受電側通信部１５３は、受け渡した情報に基づいて、給電可能であることを示す信号または給電不可であることを示す信号を受電側制御部１５１に出力する。
受電コイル１５４は、給電コイル１０３から給電される。
＜給電装置の動作＞
本発明の実施の形態に係る給電装置１００の動作について、図２を用いて説明する。
まず、給電装置１００は、外部より給電開始指示があったか否かを判定する（ステップＳＴ２０１）。
給電装置１００は、給電開始指示がない場合（ステップＳＴ２０１：Ｎｏ）には、ステップＳＴ２０１の処理を繰り返す。
一方、給電装置１００は、給電開始指示がある場合（ステップＳＴ２０１：Ｙｅｓ）には、給電側制御部１０７において給電可能である信号が入力されることにより給電可能であるか否かを判定する（ステップＳＴ２０２）。給電側制御部１０７は、給電可能である信号が入力された際に給電可能であると判定し、給電不可である信号が入力された際に給電不可であると判定する。
給電装置１００は、給電不可である場合（ステップＳＴ２０２：Ｎｏ）には、処理を終了する。
一方、給電装置１００は、給電可能である場合（ステップＳＴ２０２：Ｙｅｓ）には、給電条件を設定し（ステップＳＴ２０３）、給電を開始する（ステップＳＴ２０４）。
次に、給電装置１００は、給電側制御部１０７において、給電コイル１０３の変位を検出したか否かを判定する（ステップＳＴ２０５）。給電側制御部１０７は、加速度センサ１０５または角速度センサ１０６から検出値が入力された際に、変位を検出したものと判定する。ここで、変位とは、位置が変化することを言う。
給電装置１００は、給電コイル１０３の変位を検出しない場合（ステップＳＴ２０５：Ｎｏ）には、給電側制御部１０７において過電流または過電圧が発生したか否かを判定する（ステップＳＴ２０６）。
一方、給電装置１００は、給電コイル１０３の変位を検出した場合（ステップＳＴ２０５：Ｙｅｓ）には、給電側制御部１０７において、変位量が閾値Ａ以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ２０７）。
給電装置１００は、変位量が閾値Ａ未満の場合（ステップＳＴ２０７：Ｎｏ）には、ステップＳＴ２０６の処理に進む。
一方、給電装置１００は、変位量が閾値Ａ以上の場合（ステップＳＴ２０７：Ｙｅｓ）には、給電側制御部１０７において、変位量が閾値Ｂ（閾値Ｂ＞閾値Ａ）以上であるか否かを判定する（ステップＳＴ２０８）。
給電装置１００は、変位量が閾値Ｂ以上である場合（ステップＳＴ２０８：Ｙｅｓ）には、給電側制御部１０７において、給電コイル１０３からの給電を停止するように制御し（ステップＳＴ２０９）、処理を終了する。
一方、給電装置１００は、変位量が閾値Ｂ未満の場合（ステップＳＴ２０８：Ｎｏ）には、給電側制御部１０７において、変位量が閾値Ｂ以上の場合に比べて、給電コイル１０３からの給電の電力量が低減するように制御し（ステップＳＴ２１０）、その後、ステップＳＴ２０６の処理に進む。
また、給電装置１００は、ステップＳＴ２０６において、過電流または過電圧が発生した場合（ステップＳＴ２０６：Ｙｅｓ）には、給電コイル１０３からの給電を停止するように制御し（ステップＳＴ２０９）、処理を終了する。
一方、給電装置１００は、ステップＳＴ２０６において、過電流または過電圧が発生しない場合（ステップＳＴ２０６：Ｎｏ）には、外部より給電停止指示があったか否かを判定する（ステップＳＴ２１１）。
給電装置１００は、給電停止指示があった場合（ステップＳＴ２１１：Ｙｅｓ）には、給電コイル１０３からの給電を停止するように制御し（ステップＳＴ２０９）、処理を終了する。
一方、給電装置１００は、給電停止指示がない場合（ステップＳＴ２１１：Ｎｏ）には、ステップＳＴ２０５の処理に戻る。
なお、図２において、変位量が閾値Ｂ以上である場合に給電を停止して処理を終了したが、給電停止後に変位量が閾値Ｂ未満になった際に、給電を再開するようにしてもよい。
＜加速度センサの配置＞
本発明の実施の形態における加速度センサ１０５の配置について、図３を用いて説明する。
図３は、給電コイル１０３と受電コイル１５４との対向方向（図１の矢印Ｓ１方向）から見た加速度センサ１０５の配置を示している。
例えば、１つの加速度センサ１０５により給電コイル１０３の変位を検出する場合には、加速度センサ１０５を中心に回転した際に、加速度「０」であるにも関わらず、受電コイル１５４に対する給電コイル１０３の位置がずれて、給電コイル１０３と受電コイル１５４との結合状態が変化する。
上記の課題を解決するためには、３つの加速度センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを図３に示すように配置する。即ち、加速度センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、三角形Ｅ１の頂点に位置するように各々配置される。これにより、給電装置１００は、給電コイル１０３のあらゆる方向の変位を検出することができる。
なお、給電装置１００は、３つの加速度センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃを図３に示すように配置する代わりに、３軸の方向の加速度を検出可能な１つの加速度センサ１０５ａ、および、３軸の方向の角速度を検出可能な１つの角速度センサ１０６を用いて、給電コイル１０３のあらゆる方向の変位を検出することができる。
また、３つの加速度センサ１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、三角形Ｅ１の頂点に各々配置したが、複数の加速度センサを１つの直線上に配置しないようにすれば、三角形以外の多角形の各頂点に配置するようにしてもよい。ここで、加速度センサを多角形の頂点に配置する理由は、複数の加速度センサを１つの直線上に配置した場合には、この直線を回転軸として回転するような変位を生じた際に、変位を検出することができなくなるためである。
また、加速度センサ１０５を図３のように配置する場合には、角速度センサ１０６は無くてもよい。
また、給電コイル１０３の３軸方向の変位、および回転を検出できれば、加速度センサ１０５及び角速度センサ１０６は、任意の個数及び配置にすることができる。
また、特定の一方向または多方向への変位を制限する機械的な制限手段を別途設けることにより、変位を制限する手段を設けた方向への変位を検知しなくてもよい場合、または変位による給電への影響が十分小さい場合には、加速度センサ１０５および角速度センサ１０６の軸数を３軸よりも少ない軸数に低減してもよいし、加速度センサ１０５および角速度センサ１０６のいずれかを省略しても良い。
＜給電コイルの変位量と比較する閾値＞
本発明の実施の形態における給電コイル１０３の変位量と比較する閾値について説明する。
給電コイル１０３の変位を制限する機械的な制限手段を設けた場合、または給電コイル１０３と受電コイル１５４との間の相対的な変位を制限する、機械的な制限手段を別途設けた場合には、制限手段を設けた方向に対する給電コイル１０３の変位量と比較する閾値を、他の方向に対する給電コイル１０３の変位量と比較する閾値よりも、大きくすることができる。
機械的な制限手段としては、例えば、給電装置１００が変位した際に給電装置１００と当接して、給電装置１００のそれ以上の変位を阻止する部材、または、給電コイル１０３と受電コイル１５４との間の相対的な変位を制限する部材等である。
これにより、給電コイル１０３が制限手段を設けた方向に変位した場合、または制限手段を設けたことにより給電コイル１０３と受電コイル１５４との相対的な変位が小さい場合、かつ給電を継続しても問題ない状況である場合において、給電の電力量が低減すること、または給電が停止することを防ぐことができる。
＜本実施の形態の効果＞
本実施の形態によれば、不測の事態が生じた際に給電側で給電を制御することにより、過剰出力または漏洩磁束の増加を最小限にすることができる。
また、本実施の形態によれば、加速度センサを多角形の頂点に各々配置することにより、給電コイル１０３のあらゆる方向の変位を検出することができる。
また、本実施の形態によれば、３軸のジャイロスコープを角速度センサ１０６として用いることにより、給電コイル１０３の変位を検出するセンサの数を減らすことができ、製造コストを低減することができる。
また、本実施の形態によれば、給電コイル１０３の変位量が閾値Ａ以上かつ閾値Ｂ未満の場合に給電の電力量を低減するので、直ちに給電を停止する場合に比べて、給電停止の発生頻度を低減させることができる。
＜本実施の形態の変形例＞
本実施の形態において、給電コイル１０３の変位量が閾値Ａ以上かつ閾値Ｂ未満の場合に給電の電力量を低減したが、給電コイル１０３の変位量が閾値Ａ以上である場合に直ちに給電を停止してもよい。
また、本実施の形態において、加速度センサ１０５または角速度センサ１０６を用いて給電コイル１０３の変位を検出したが、給電コイル１０３の変位を検出できれば任意のセンサを用いることができる。
また、本実施の形態において、給電装置の設置位置は地上に限らず、例えば自動車、鉄道車両、航空機、船舶、または遊具などの移動体であっても良い。この場合、例えば受電側は、携帯機器など小型の電子機器であっても良い。
また、本実施の形態において、給電コイルおよび受電コイルは平面状のスパイラルコイルとしたが、電力で送受電できるコイルであればスパイラルコイル以外のコイルでよく、例えば、ソレノイドコイルであってもよい。
本発明は、電磁力を用いて外部の受電部に対して非接触で給電する給電装置等に好適である。
１０ 給電システム
１００ 給電装置
１０１ 電源
１０２ インバータ
１０３ 給電コイル
１０４ 給電側通信部
１０５ 加速度センサ
１０６ 角速度センサ
１０７ 給電側制御部
１５０ 受電装置
１５１ 受電側制御部
１５２ インバータ
１５３ 受電側通信部
１５４ 受電コイル
１６０ 給電対象物

Claims (4)

  1. 外部の受電部に対して非接触で給電する給電装置であって、
    前記受電部の受電コイルに対して電磁力を用いて電力を給電する給電コイルと、
    前記給電コイルから給電している際において、振動が加わった際に検出される前記給電コイルの変位量に基づいて給電の電力量を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、
    前記変位量が第１閾値以上の場合に、前記変位量が前記第１閾値未満の場合に比べて、前記給電の電力量を０より大きい所定の電力量へ低減し、
    前記変位量が前記第１閾値よりも大きい第２閾値以上の場合に、前記給電の電力量を「０」にする、
    給電装置。
  2. 前記給電コイルの変位を検出する検出部をさらに有し、
    前記制御部は、
    前記検出部により検出した前記変位の所定時間における累積より前記変位量を求める、
    請求項１記載の給電装置。
  3. 前記検出部は、
    前記給電コイルの加速度を前記変位として検出する、
    請求項２記載の給電装置。
  4. 前記検出部は、
    前記給電コイルの角速度を前記変位として検出する、
    請求項２記載の給電装置。
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