JP6478758B2 - 充電システム、充電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電動車両に搭載されたバッテリを充電する充電システム、及び充電装置に関する。
通常床面に設定されたガイドラインを光学的あるいは磁気的に読み取って、バッテリを駆動源として自動で移動する無人搬送車(AGV(Automated Guided Vehicle)ともいう。)が、工場や物流倉庫などで広く用いられている。また、無人搬送車は、継続的に搬送できるようにするため、たとえば荷物の積み下ろしなどの停止時に無線給電を行い、バッテリに充電することが行われている。
無線給電を行う技術としては、例えば特許文献1に、無人搬送車の走行経路の床下部に高周波電源を配置し、高周波電源の送電コイルから、無人搬送車の底面に配置された受電コイルに給電を行う無線給電システムが記載されている。
特開2014−033524号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載された無線給電システムのように、高周波電源やその送電コイルを走行経路の床下部に埋め込むのは、工場等のレイアウト上に制約が生じるという問題がある。また、高周波電源やその送電コイルを、走行経路の床下部に埋め込まずに走行経路の床表面に配置することは、無人搬送車の通行の妨げになり、給電用のケーブル上を無人搬送車が通過することで、当該ケーブルが破損する虞もある。
本発明の目的は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、走行経路に沿った走行を妨げることなく、無人搬送車などの電動車両に搭載されたバッテリに充電することが可能な充電システムおよび充電装置を提供することを目的とする。
本発明の充電システムは、車輪に回転力を与えることにより、所定の走行経路を移動する電動車両と、前記電動車両に搭載されたバッテリに対して非接触で充電を行う充電装置と、を備え、前記充電装置は、前記所定の走行経路の外部に配置された送電カプラを有し、前記電動車両には、前記送電カプラと電界共振結合する受電カプラが取り付けられたことを特徴とする。
本発明によれば、走行経路の外部に配置された送電カプラと受電カプラとが電界共振結合することで、充電装置から電動車両に搭載されたバッテリに給電する。本発明によれば、上記の通り、送電カプラが走行経路の外部に配置されていることから、例えば走行経路上に充電装置や送電カプラを配置した場合に比べて、走行経路に沿った走行を妨げずに電動車両に搭載されたバッテリに充電することができる。さらに、本発明によれば、走行経路が頻繁に変更するような使用環境下においても走行中の電動車両に搭載されたバッテリを充電することが可能となり、例えば走行中に一切充電しないような場合に比べて電動車両をより長時間稼働させることができる。
本発明の好ましい態様において、前記送電カプラは、前記所定の走行経路の外部であって前記車輪の接する床面に配置され、前記受電カプラは、前記電動車両の底部又は側面部に取り付けられたことを特徴とする。
上記態様によれば、送電カプラを車輪の接する床面に配置することで、電動車両の走行経路周辺で作業する作業者等の通行を妨げずに、電動車両のバッテリを充電することができる。
本発明の好ましい態様において、前記充電装置は、前記所定の走行経路の内部に配置された中継カプラを有し、前記受電カプラは、前記中継カプラを介して前記送電カプラと電界共振結合することを特徴とする。
上記態様によれば、走行経路の内部、すなわち車輪が通過しない範囲に中継カプラを配置することにより、走行経路に沿った電動車両の走行を妨げずに、電動車両のバッテリに充電することができる。さらに、受電カプラは、中継カプラを介して送電カプラと電界共振結合することで、高い伝送効率で充電を行うことができる。
本発明の好ましい態様において、前記送電カプラは、前記所定の走行経路に対して直列に配置された第1および第2送電電極と、前記第1および第2送電電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有し、前記中継カプラは、前記所定の走行経路の内部であって、前記所定の走行経路に対して直列に配置された第1および第2中継電極と、前記第1および第2中継電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有することを特徴とする。
上記態様によれば、走行経路に沿った電動車両の走行を妨げずに、高い伝送効率で充電を行うことができる。
本発明の好ましい態様において、前記送電カプラは、前記所定の走行経路に対して並列に配置された第1および第2送電電極と、前記第1および第2送電電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有し、前記中継カプラは、前記所定の走行経路の内部であって前記所定の走行経路に対して並列に配置された第1および第2中継電極と、前記第1および第2中継電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有することを特徴とする。
上記態様によれば、走行経路に沿った電動車両の走行を妨げずに、高い伝送効率で充電を行うことができる。
本発明の好ましい態様において、前記電動車両は、前記所定の走行経路に沿って取り付けられた磁気テープを検出する磁気センサと、前記磁気センサの検出結果に応じて前記所定の走行経路に沿って走行及び停止する走行制御部とをさらに備え、前記中継カプラのインダクタは、磁気シールドケースで覆われていることを特徴とする。
上記態様によれば、電動車両の磁気センサにとって磁気ノイズ源となる中継カプラのインダクタを磁気シールドケースで覆うことで、精度よく走行経路に沿って電動車両を走行及び停止させることができる。
また、以上のような本発明は、上記搬送システムの態様に限らず、他の態様、すなわち充電システムに組み込まれる充電装置によって実現することも可能である。
本発明によれば、走行経路に沿った走行を妨げることなく、無人搬送車などの電動車両に搭載されたバッテリに充電することができる。
実施形態の充電システムの全体構成を説明するための図である。 充電装置および電動車両の具体的な構成を説明するための断面図である。 送電カプラおよび受電カプラの回路構成を示す図である。 図3に示す送電カプラおよび受電カプラの等価回路を示す図である。 他の例に係る充電装置および電動車両の具体的な構成を説明するための断面図である。 第1変形例に係る充電システムについて説明するための図である。 第1変形例に係る充電システムについて、磁気シールドケースを取り付けた例について説明するための図である。 第2変形例に係る充電システムについて説明するための図である。
本発明を実施するための形態について具体例を示して説明する。本実施形態は、電動車両に搭載されたバッテリを充電する充電システムに関する。
(1)全体構成
本実施形態の充電システム1は、図1に示すように、矢印Yに沿った磁気テープMを中心線とした走行経路Rの間を移動する電動車両200と、走行経路Rに沿って配置された2つの充電装置100−1、100−2(総称して、充電装置100という。)と、から構成される。ここで、走行経路Rとは、上述したように矢印Yに沿った磁気テープMを中心線とした経路であって、後述する電動車両200の車幅と略同一幅または幅広の経路である。充電システム1では、電動車両200が、左前方車輪211、右前方車輪212、左後方車輪213、および右後方車輪214の合計4つの車輪(車輪210ともいう。)を有し、これらの車輪210が回転することで走行経路Rの間を矢印Y方向に進む。また、充電システム1では、例えば図1に示すように電動車両200に搭載されたバッテリ220に対して、荷物置き場Pで電動車両200が停止中に充電装置100−1から非接触で充電するとともに、図1中の矢印Y方向を電動車両200が走行中に充電装置100−2から非接触で給電する。なお、電動車両200は、前輪駆動に限定されず、後輪駆動、四輪駆動であってもよい。
次に、充電装置100と電動車両200の具体的な構成について、図2を参照して説明する。図2は、図1の矢印Yの下流側から上流側に向けて見た充電システム1の図である。
充電装置100は、図2に示すように、電動車両200に対して非接触で送電する送電カプラ10と、送電カプラ10に交流電源17とを電気的に接続するケーブル110と、を備える。
電動車両200は、充電装置100の送電カプラ10から送電される電力を受電する受電カプラ20と、受電カプラ20の受電電力を整流する整流器215と、整流した電力を充電するバッテリ220と、バッテリ220の電力によって駆動し左前方車輪211及び右前方車輪212を回転駆動させるモータ230と、磁気テープMの磁力を検出する磁気センサ240と、磁気センサ240の検出結果に応じて車輪210のステアリング角度を制御する制御部250と、を備える。なお、必要に応じ、受電カプラ20と整流器の間には整合器、整流器とバッテリ220の間にはDCDCコンバータを設けてもよい。また、充電システム1は、磁気テープMに代えて例えば白いテープや蛍光テープ、あるいは黒いテープを走行経路Rの中心線としてもよい。これらのテープを用いた場合、電動車両200は、磁気センサ240に代えて、カメラなどで中心線の位置検出を行えばよい。以下では、便宜上、磁気テープMを走行経路Rの中心線に沿って配置されているものとして説明する。
(2)無接点給電について
次に、送電カプラ10と受電カプラ20との具体的な構成と、無接点給電の動作原理について、図3を参照して説明する。図3は、充電システム1から、送電カプラ10と受電カプラ20とのみを注目して示した斜視図である。
送電カプラ10は、図3に示すように、送電電極11、12、及びインダクタ13、14から構成される。なお、インダクタ13、14をそれぞれ交流電源17に接続する接続線15、16は、上述したケーブル110に相当する。また、受電カプラ20は、受電電極21、22、及びインダクタ23、24から構成され、接続線25、26を介して負荷27に接続されている。負荷27は、整流器215及びバッテリ220に相当する。
ここで、送電電極11、12は、導電性を有する部材によって構成され、所定の距離d1を隔てて平行に配置されている。同様に、受電電極21、22は、導電性を有する部材によって構成され、所定の距離d1を隔てて平行に配置されている。図3の例では、便宜上、送電電極11、12、受電電極21、2として、略同一のサイズを有する矩形形状を有する平板状の電極を例示している。また、送電カプラ10が電動車両200の受電カプラ20とできるだけ強く電界共振結合するため、送電電極11、12、受電電極21、22は、長さLで規定される長手方向が、矢印Y、すなわち図1に示した電動車両200の走行経路Rと平行となるような位置にそれぞれ配置される。
送電電極11、12の電極間の距離d1を含む合計幅Dは、これらの電極から放射される電界の波長をλとした場合に、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。同様に、受電電極21、22の電極間の距離d1を含む合計幅Dは、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。
また、送電電極11、12の長さLは、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。受電電極21、22の長さLも、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定されている。
電極長が近傍界を超えると放射される電力が著しく大きくなってしまうため、上述した合計幅Dおよび電極長Lが、λ/2πで示される近傍界よりも狭くなるように設定することにより、送電カプラ10から受電カプラ20に効率良く電力を伝送することができる。
インダクタ13、14は、例えば、導電性の線材(例えば、銅線)を巻回して構成され、図3の例では、送電電極11、12の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線15はインダクタ13の他端と交流電源17の出力端子の一端とを接続する導電性の線材(例えば、銅線)によって構成される。接続線16はインダクタ14の他端と交流電源17の出力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。
交流電源17は、所定の周波数(例えば13.56MHz)の交流電力を発生し、接続線15、16を介してインダクタ13、14に供給する。
インダクタ23、24は、例えば、導電性の線材を巻回して構成され、図3の例では、受電電極21、22の端部にそれぞれの一端が電気的に接続されている。接続線25はインダクタ23の他端と負荷27の入力端子の一端とを接続する導電性の線材(例えば、銅線)によって構成される。接続線26はインダクタ24の他端と負荷27の入力端子の他端とを接続する導電性の線材によって構成される。
バッテリ220は、交流電源17から出力され、送電カプラ10および受電カプラを介して伝送された電力が供給される。
次に、図3に示した送電カプラ10および受電カプラ20に対応する等価回路を図4に示す。この図4において、インピーダンス2は、接続線15、16および接続線25、26の特性インピーダンスを示し、Z0の値を有している。インダクタ3はインダクタ13、14に対応し、Lの素子値を有している。キャパシタ4は、送電電極11、12の間に生じる素子値Cのキャパシタから、送電電極11、12と受電電極21、22の間に生じる素子値Cmのキャパシタを減じた素子値(C−Cm)を有する。キャパシタ5は、送電電極11、12と受電電極21、22の間に生じるキャパシタを示し、Cmの素子値を有している。キャパシタ6は、受電電極21、22の間に生じる素子値Cのキャパシタから、送電電極11、12と受電電極21、22の間に生じる素子値Cmのキャパシタを減じた素子値(C−Cm)を有する。インダクタ7はインダクタ23、24に対応し、Lの素子値を有している。送電カプラ10はインダクタ3とキャパシタ4により直列共振回路を形成し、受電カプラ20はインダクタ7とキャパシタ6により直列共振回路を形成する。電界共振方式においては、送電カプラ10の共振周波数と受電カプラ20の共振周波数を略等しく設定するとともに、送電カプラ10とインピーダンス2とのインピーダンス整合及び受電カプラ20と負荷27とのインピーダンス整合をとることにより、高効率で電力の伝送を可能とする。
電動車両200の移動によって、送電カプラ10と受電カプラ20との間の相対的な位置が変化すると、当該位置の変化に応じて素子値Cmが変化し、送電カプラ10と受電カプラ20のインピーダンスが変化する。その結果、インピーダンスの不整合が生じ、電力伝送の効率が低下してしまう。これを避けるためには、電動車両200が移動しても、素子値Cmが変化しないように、電動車両200の移動方向に対し、送電カプラ10または受電カプラ20の送電電極11、12または受電電極21、22を長く形成することが考えられる。電界共鳴方式においては、送電電極11、12及び受電電極21、22を導電性の部材で形成することができ、その大きさを容易に変更することができる。そのため、電動車両200の移動に対し、高効率で送電できる距離を容易に長くすることができる。
これに対し、送電コイルと受電コイルとからなる磁界共鳴による無線給電では、コイルの長手方向の形状を変更することは難しい。そのため、電動車両200の移動に対し、高効率で送電できる距離を容易に長くすることができない。一方、上記の通り送電カプラ10と受電カプラ20とからなる電界共振結合では、送電電極11、12の形状を容易に変更することができる点で好ましい。
(送電カプラ10と受電カプラ20との配置について)
本実施形態の充電システム1では、上記の通り送電カプラ10及び受電カプラ20の共振周波数及びインピーダンスを適切に設定することにより、非接触で電力伝送できる性質を利用して、図1に示すように、送電カプラ10を走行経路Rの外部に配置する。具体的には、上述した図2に示すように、送電カプラ10を、走行経路Rの外部であって車輪210の接する床面Tに配置する。また、図2に示すように、受電カプラ20を、電動車両200の底部202であって、送電カプラ10に近い車輪211側に配置する。
上記の通り、送電カプラ10が走行経路Rの外部に配置されていることから、例えば走行経路R上に送電カプラを配置した場合に比べて、走行経路Rに沿った電動車両200の走行を妨げずに電動車両200に搭載されたバッテリ220に充電することができる。特に、送電カプラ10を車輪210の接する床面Tに配置することで、電動車両200の走行経路R周辺で作業する作業者等の通行を妨げずに、電動車両200に搭載されたバッテリ220を充電することができる。
なお、受電カプラは、送電カプラ10の近傍であれば、図2に示した配置位置に限らない。例えば、電動車両200の底部202に受電カプラ20を配置するスペースを確保できない場合には、図5に示すように、受電カプラ20を、送電カプラ10が臨まれる側、すなわち電動車両200の左側面203に配置してもよく、無接点で給電を行うことができる。
(3)第1変形例
次に、第1変形例に係る充電システム1aの構成について、図6を参照して説明する。充電システム1aにおいて、充電装置100aは、送電カプラ10に加えて、走行経路Rの内部に配置された中継カプラ30を備える。このような構成からなる充電システム1aにおいて、送電カプラ10の送電電極11、12は、図6に示すように走行経路Rの外部であって走行経路Rに対して並列に配置される。ここで、「走行経路Rに対して並列に配置される」とは、具体的には走行経路Rと平行であり、走行経路Rの幅方向(矢印Yに対して垂直方向)に電極を並べて配置することをいう。図6では、走行経路Rから近い順番に、送電電極11と送電電極12とを並べた例を示している。また、中継カプラ30は、走行経路Rの内部であって走行経路Rに対して並列に配置された中継電極31、32と、中継電極31、32間に電気的に接続されたインダクタ33、34と、を有する。図6では、磁気テープMの左側に中継電極31を配置し、磁気テープMを挟んで経路幅方向の右側に中継電極32を並べた例を示している。
また、充電システム1bにおいて、受電カプラ20は、中継カプラ30を介して、送電カプラ10と電界共振結合するため、次のような構成を有する。つまり、受電カプラ20の受電電極21、22は、図6の破線に示すように走行経路Rに対して並列に配置される。具体的に、図6では、受電電極21、22が中継電極31、32とそれぞれ対向するように、磁気テープMの左側に受電電極21を配置し、磁気テープMを挟んで経路幅方向の右側に受電電極22を並べた例を示している。また、上述した通り受電電極21、22は整流器215を介してバッテリ220に接続されているが、図6では、便宜上、整流器215を省略している。
第1変形例に係る充電システム1aでは、電動車両200が充電装置100に近接すると、受電カプラ20が中継カプラ30に対向することで強い結合状態を実現することで、中継カプラ30を介して送電カプラ10から受電カプラ20により効率良く電力伝送を行うことができる。つまり、走行経路に沿った電動車両の走行を妨げずに、高い伝送効率で充電を行うことができる。
また、第1変形例に係る充電システム1aでは、中継カプラ30を構成するインダクタ33、34が、磁気テープMの近傍に位置する。このため、中継カプラ30のインダクタ33、34から発生する磁界は、電動車両200の磁気センサ240にとって磁気ノイズ源となる。そこで、第1変形例に係る充電システム1aでは、図7に示すように、中継カプラ30のインダクタ33、34をそれぞれ磁気シールドケース34a、34bで覆うことが好ましい。また、受電カプラ20のインダクタ23、24もそれぞれ磁気シールドケース23a、24aで覆うことが好ましい。このようにして電動車両200の磁気センサ240にとって磁気ノイズ源となる中継カプラ30及び受電カプラ20のインダクタ33、34、23、24を磁気シールドケース33a、34a、23a、24aで覆うことで、電動車両200の制御部250が、精度よく走行経路に沿って車輪210の向きを制御して、走行及び停止させることができる。
(4)第2変形例
次に第2変形例に係る充電システム1bの構成について、図8を参照して説明する。充電システム1cにおいて、充電装置100bは、送電カプラ10に加えて、走行経路Rの内部に配置された中継カプラ40を備える。このような構成からなる充電システム1bにおいて、送電カプラ10の送電電極11、12は、図8に示すように走行経路Rの外部であって、走行経路Rに対して直列に配置される。ここで、「走行経路Rに対して直列に配置される」とは、具体的には走行経路Rと平行であり、走行経路Rの進行方向(矢印Yで示す方向)に電極を並べて配置することをいう。図8では、矢印Yの下流側から上流側の順に、送電電極11と送電電極12とを並べて配置した例を示している。
また、中継カプラ30は、走行経路Rの内部であって走行経路Rに対して直列に配置された中継電極41、42と、中継電極41、42間に電気的に接続されたインダクタ43、44と、を有する。図6では、磁気テープMよりも右側、つまり送電カプラ10に近い側に、矢印Yの下流側から上流側の順に中継電極41と中継電極42とを並べて配置した例を示している。上記の通り送電カプラ10に近い側に中継電極41、42を配置して、磁気テープMを挟むことなく送電カプラ10と中継カプラ30との間で電界共振結合することが、後述するように磁気センサ240のノイズ源を低減する観点から好ましい。なお、上述した通り受電電極21、22は整流器215を介してバッテリ220に接続されているが、図8についても、便宜上、整流器215を省略している。
また、充電システム1bにおいて、受電カプラ20は、中継カプラ30を介して、送電カプラ10と電界共振結合するため、次のような構成を有する。つまり、受電カプラ20の受電電極21、22は、図8の破線に示すように、走行経路Rに対して直列に配置される。具体的に、図8では、受電電極21、22が中継電極41、42とそれぞれ対向するように、磁気テープMよりも右側、つまり送電カプラ10に近い側に、矢印Yの下流側から上流側の順に受電電極21と中継電極22とを並べて配置した例を示している。
第2変形例に係る充電システム1bでは、電動車両200が充電装置100に近接すると、受電カプラ20が中継カプラ30に対向することで強い結合状態を実現することで、中継カプラ30を介して送電カプラ10から受電カプラ20により効率良く電力伝送を行うことができる。つまり、走行経路に沿った電動車両の走行を妨げずに、高い伝送効率で充電を行うことができる。
また、第2変形例に係る充電システム1cでは、図8に示すように、中継カプラ30及び受電カプラ20のインダクタ33、34、23、24が、各電極よりも磁気テープMから離れた位置となるように配置することができる。そしてこのような配置とすることが磁気センサ240のノイズ源を低減する観点から好ましい。つまり、中継カプラ30及び受電カプラ20のインダクタ33、34、23、24が、それぞれ電極31、32、21、22よりも磁気テープMから離れた位置となるように配置することで、電動車両200の制御部250が、精度よく走行経路に沿って電動車両を走行及び停止させることができる。
1、1a、1b 充電システム
10 送電カプラ
100 充電装置
20 受電カプラ
200 電動車両
210、211、212、213、214 車輪
220 バッテリ
R 走行経路
M 磁気テープ

Claims (8)

  1. 定の走行経路を移動する電動車両と、
    前記電動車両に搭載されたバッテリに対して非接触で充電を行う充電装置と、を備え、
    前記充電装置は、前記所定の走行経路の外部に配置された送電カプラを有し、
    前記電動車両には、前記送電カプラと電界共振結合する受電カプラが取り付けられ
    前記送電カプラは、送電電極を含み、
    前記受電カプラは、受電電極を含み、
    前記送電カプラは、前記所定の走行経路の外部における床面に沿うように配置され、
    前記受電カプラは、前記電動車両に取り付けられ、
    前記送電電極および前記受電電極は、前記送電電極および前記受電電極のそれぞれの長手方向が前記所定の走行経路と平行になるように、配置されている
    ことを特徴とする充電システム。
  2. 記受電カプラは、前記電動車両の底部又は側面部に取り付けられたことを特徴とする請求項1記載の充電システム。
  3. 前記受電カプラは、前記電動車両の底部に取り付けられたことを特徴とする請求項1または2記載の充電システム。
  4. 前記充電装置は、前記所定の走行経路の内部に配置された中継カプラを有し、
    前記受電カプラは、前記中継カプラを介して前記送電カプラと電界共振結合することを特徴とする請求項1記載の充電システム。
  5. 前記送電カプラは、前記送電電極としての前記所定の走行経路に対して直列に配置された第1および第2送電電極と、前記第1および第2送電電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有し、
    前記中継カプラは、前記所定の走行経路の内部であって、前記所定の走行経路に対して直列に配置された第1および第2中継電極と、前記第1および第2中継電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有することを特徴とする請求項記載の充電システム。
  6. 前記送電カプラは、前記送電電極としての前記所定の走行経路に対して並列に配置された第1および第2送電電極と、前記第1および第2送電電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有し、
    前記中継カプラは、前記所定の走行経路の内部であって前記所定の走行経路に対して並列に配置された第1および第2中継電極と、前記第1および第2中継電極間に電気的に接続されたインダクタと、を有することを特徴とする請求項記載の充電システム。
  7. 前記電動車両は、前記所定の走行経路に沿って取り付けられた磁気テープを検出する磁気センサと、前記磁気センサの検出結果に応じて前記所定の走行経路に沿って走行及び停止する走行制御部とをさらに備え、
    前記中継カプラのインダクタは、磁気シールドケースで覆われていることを特徴とする請求項記載の充電システム。
  8. 所定の走行経路を移動する電動車両に搭載されたバッテリに対して非接触で充電を行う充電装置において、
    前記電動車両に取り付けられた受電カプラと電界共振結合する送電カプラを備え、
    前記送電カプラは、送電電極を含み、
    前記受電カプラは、受電電極を含み、
    前記送電カプラは、前記所定の走行経路の外部における床面に沿うように配置され、
    前記送電電極および前記受電電極は、前記送電電極および前記受電電極のそれぞれの長手方向が前記所定の走行経路と平行になるように、配置されていることを特徴とする充電装置。
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