JP6632398B2 - 無線給電システム - Google Patents

Description

本発明は、送電装置と受電装置の間の電力伝送を非接触（無線）で行う無線給電システムに関し、特に、受電装置が移動体に搭載され、受電装置が送電装置に対して移動可能な無線給電システムに関する。

非接触で電力を伝送（以下、無線給電という）する方法として、電磁誘導による電磁誘導方式、電界または磁界共鳴を介した共鳴給電方式、電波によるマイクロ波送電方式、あるいは可視光領域の電磁波（光）によるレーザ送電方式が知られている。この中で既に実用化されているのは、電磁誘導方式である。この方式は簡易的な設計で高効率の無線給電が可能であるが、送電距離が短いという課題もある。そこで、共振を利用して電力を数ｍ先まで伝送する共鳴給電方式が提案され、この技術を利用した製品開発が、電機メーカー、自動車メーカーを中心に進められている。

共鳴給電方式では、送電装置内の送電コイルと、受電装置の受電コイルの電磁気的な結合により電力伝送が行われる。両コイル間の結合係数ｋ値が小さい一方で、Ｑ値を高めることにより無線給電を行うが、電磁誘導方式と比較すると伝送距離は長くできるものの、電力伝送効率が低くなってしまう。

伝送距離が長くできることはメリットであることに違いないが、一方でリスクも発生する。例えば、送電装置と受電装置間に人・もの（本来の受電対象と異なるもの）が入る懸念が増す。すなわち、実用運用上において、人体や精密電子機器類などに対する電磁暴露を注意する必要性が増し、更には金属異物が間に挟まれた場合の対策が重要となる。

例えば特許文献１に開示された無線給電システムにおいては、ユーザーと給電装置の位置を検知・報知し、給電装置の稼働状態を制御する。この方法によれば、ユーザー（人）が存在する場合には給電パワーを小さくするなどして、ユーザーが受ける電磁暴露量を低減する。

特開２０１４−６０８２２

特許文献１では、ユーザーと給電装置の位置関係によって給電量を制御する。しかし、ユーザーと給電装置の位置関係を検知して報知する装置が別途必要になるなど装置規模が大きくなり、その結果、コストも高くなる。また、ユーザーが使用する環境に合わせた個別の設定が必要になることが推察され、更には上記検知・報知装置が誤動作（ずれ、判断ミス）するとシステム全体が停止する懸念も有る。

本発明は、無線給電システムの本質的な機能以外を極力排しながら従来技術の課題を解決できる、低価格でロバストな無線給電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の無線給電システムは、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送し、前記送電装置はステーションに搭載され、前記受電装置は前記ステーションに対して移動可能な移動体に搭載され、前記ステーションは送電側スイッチを備え、前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置する場合に、前記移動体が前記送電側スイッチに作用して前記送電側スイッチがオンとなるように設定され、前記送電側スイッチがオンの場合に、前記ステーションと前記移動体の間に所定の大きさ以上の異物が存在しないことを検出し、前記ステーションから前記移動体に電力を伝送することを特徴とする。

また、上記課題を解決するために、本発明の無線給電システムは、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送し、前記送電装置はステーションに搭載され、前記受電装置は前記ステーションに対して移動可能な移動体に搭載され、前記移動体は受電側スイッチを備え、前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置する場合に、前記ステーションが前記受電側スイッチに作用して前記受電側スイッチがオンとなるように設定され、前記受電側スイッチがオンの場合に、前記ステーションと前記移動体の間に所定の大きさ以上の異物が存在しないことを検出し、前記ステーションから前記移動体に電力を伝送することを特徴とする。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の無線給電システムは、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送し、前記送電装置はステーションに搭載され、前記受電装置は前記ステーションに対して移動可能な移動体に搭載され、前記ステーションは送電側スイッチを備え、前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置する場合に、前記移動体が前記送電側スイッチに作用して前記送電側スイッチがオンとなるように設定され、前記移動体は受電側スイッチを備え、前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置する場合に、前記ステーションが前記受電側スイッチに作用して前記受電側スイッチがオンとなるように設定され、前記送電側スイッチがオンで、かつ、前記受電側スイッチがオンの場合に、前記ステーションと前記移動体の間に所定の大きさ以上の異物が存在しないことを検出し、前記ステーションから前記移動体に電力を伝送することを特徴とする。

送電装置がステーションに搭載され、受電装置がステーションに対して移動可能な移動体に搭載される本発明の無線給電システムは、送電側若しくは受電側の一方、あるいは送受電側の双方にスイッチが設けられることを特徴とする。スイッチは、ステーションから移動体への電力の伝送が可能な範囲に移動体が位置する場合に、スイッチがオンとなるように設定した。本発明の無線給電システムは、スイッチがオン場合に電力を伝送する。

これにより、ステーションから移動体へ無線給電を確実に行うことができる。例えば、ステーションと移動体の間に異物が存在する場合には、ステーションから移動体への電力の伝送が可能な範囲に移動体が位置しない場合も考えられる。この場合、スイッチがオンにならないので、本発明の無線給電システムは、ステーションから移動体へ無線給電を行わない。

本発明の無線給電システムでは、送電側若しくは受電側の一方、あるいは送受電側の双方にスイッチを設けることで上記構成を実現できるため、従来に比べて低価格ながらもロバストな安全対策が可能となる。

本発明の無線給電システムの概要を示す図 本発明の無線給電システムの送電側を示す図 本発明の無線給電システムの送電装置と受電装置を示す図 本発明の無線給電システムに設けられるスイッチの動作を示す図

本発明の無線給電システムは、送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、送電コイルと受電コイルの間の電磁気的な作用により送電装置から受電装置へ非接触で電力の伝送を行う。

さらに、本発明の無線給電システムでは、前記送電装置は系統電源と繋げたうえでステーションに設置され、前記受電装置はロボットなどの移動体にセットされる。移動体には２次電池が搭載され、２次電池が移動体を電気的に動作させるための電力を供給する。２次電池の残容量が少なくなり充電が必要になると、移動体はステーションに移動し、ステーションから移動体への無線給電により２次電池が充電される。

ステーションから移動体に無線給電を開始するに際しては、ステーションに搭載された送電装置と移動体に搭載された受電装置が所定の距離と角度で対向するように、ステーションと移動体の位置関係をコントロールする。

しかしながら、ステーションと移動体の間に異物が存在すると、ステーションから移動体への電力の伝送が可能な範囲に移動体が到達できない場合がある。そこで本発明の無線給電システムでは、送電側若しくは受電側の一方、あるいは送受電側の双方にスイッチを設け、ステーションから移動体への電力の伝送が可能な範囲に移動体が位置する場合に、スイッチがオンとなるように設定した。本発明の無線給電システムは、スイッチがオンの場合にステーションから移動体に無線給電を行う。

スイッチは、例えば接触スイッチを用いることができる。この場合、ステーションや移動体により、接触スイッチがオンになったときのみ、無線給電を行う。接触スイッチは、リミットスイッチのような機械的制約によりオン／オフされるスイッチでも良いし、トグルスイッチのようなある規定の位置からオン／オフが働くスイッチでも良い。

また、前記に加えて、送電側と受電側に通信モジュールを配置し、通信モジュール間の通信による情報に基づいて正しくお互いが認証された場合に、電力の伝送を開始するようにしてもよい。接触スイッチの場合には、例えば粘着テープで接触スイッチを常に固定することにより、意図的に常にスイッチをオンの状態にすることも可能であり問題である。そこで、スイッチがオンの場合に加えて、通信モジュールを用いて認証を経た後に、無線給電を開始するようにする。その結果、ステーションから移動体への電力の伝送が可能な範囲に正規の移動体が位置するか否かの把握精度を向上でき、無線給電システムをよりロバストにすることができる。

１台の送電装置に対して複数台の受電装置が存在する状態でも、認証は片側通信で可能である。送電装置が複数台ある場合でも、双方向通信を行えば移動体を最も近いステーションに向かうように操作させることが可能である。

送電装置は系統電源と繋げたうえでステーションに設置されているため、送電側の通信モジュールは必要な時に電気的に起動できる。若しくは、送電側の通信モジュールは常に起動していてもよい。一方、受電側の通信モジュールは、移動体に内蔵する２次電池をその電源とすることができる。或いは、送電装置から間欠的に若しくは定常的に電力を出力するように設定しておけば、受電側の通信モジュールは、無線給電を受けていない時には起動状態にはないが、受電装置を組み込んだ移動体がステーションに近づき、受電装置が送電装置から無線である一定以上の電力を受け取れるようになると、起動するようにすることも可能である。

なお、通信モジュールに組込む通信アンテナの利得や指向性により、送電装置と受電装置の位置精度を調整することもできる。更に、万が一異物などが混入した場合に対応して、通信機能と連動可能なセンサーを無線給電システムに加えることも可能である。

上記のように、本発明の無線給電システムでは、通信モジュールにより送電装置と受電装置の認証が取られると、ステーションから移動体へ無線給電が開始される。一方、相互の認証が取られない場合は準備状態を維持し、場合よっては上位システムにその旨の通報を出力する。

以上のように、ステーションと移動体の間に異物が存在する等して、ステーションから移動体への電力の伝送が可能な範囲に移動体が位置しない場合は、送電側若しくは受電側の一方、あるいは送受電側の双方に設けられたスイッチがオンにならず、ステーションから移動体への無線給電は行われない。さらに、通信モジュールによる認証機能を追加すれば、スイッチが誤動作しても間違った対象物に対して無線給電が開始されないようにでき、無線給電システムをよりロバストにすることができる。

なお、無線給電が一度開始されれば、その後、ステーションと移動体とが多少離れても給電状態を保つようにしてもよい。その後の無線給電の終了は、無線によって伝送される電力が所定値以下になった場合としてもよいし、ステーションと移動体が所定の距離離れたことを検知する別途のスイッチを設け、このスイッチがオンになった場合としてもよい。

次に、送電装置と受電装置との間の距離が規定以上、或いは規定内からわずかに離れていたり、位置ずれが規定以上、或いはわずかに発生していた場合を考える。この場合、無線給電の伝送効率が落ちて、送電装置や受電装置に発熱が発生し易い状況となる。一方、送電装置と受電装置との間に異物が入っており、特に異物が金属であり発熱する場合も考えられる。従来では、送電装置や受電装置に発熱が発生した場合でも、それが両装置間の距離や位置ずれによるものなのか、異物によるものなのかを判別できなかった。

しかし本発明の無線給電システムでは、前記したように、送電装置と受電装置の間に許容以上の大きさの異物が挟まれるような場合は異常状態とし、上記スイッチがオンにならず電力の伝送ができない。

また、本発明の無線給電システムでは、ステーションから移動体に無線給電を開始するに際しては、ステーションに搭載された送電装置と移動体に搭載された受電装置が所定の距離と角度で対向するように、ステーションと移動体の位置関係をコントロールする。すなわち、スイッチが一旦動作するまで移動体がステーションに対して、姿勢・位置を整えるように調整を繰り返す為、結果的に距離や位置ずれが発生しづらい状況を作る。

即ち、本発明の無線給電システムでは、無線給電を開始した後に送電装置や受電装置に発生した発熱は、許容範囲内の異物起因であることが推測できる。その結果、移動体或いはステーションの上位システムで発熱に関する異常を検出し易くなる。
＜実施例＞
以下、本発明のより詳細な実施の形態について、具体的な例を示して、図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の無線給電システムの概要を示す図である。送電装置３００がステーション１００に搭載され、受電装置４００が移動体２００に搭載されている。ステーション１００は、例えばＡＣコンセント或いは配電盤を介して系統電源に繋がれており、電力を送電装置３００に供給する。移動体２００は内蔵された２次電池によって駆動される。移動体２００は例えばロボットであり、人間の仕事の補助、或いは人間の代わりに仕事を行う。２次電池の蓄電電気量が移動体２００の動作により減少した場合、２次電池は再度充電される必要がある。移動体２００は、２次電池の蓄電電気量を監視しており、蓄電電気量が所定値以下に減少すると、移動体２００はステーションに向かうようにプログラムされている。送電装置３００から受電装置４００へ無線給電された電力は、移動体２００に内蔵された２次電池に充電される。

図２は本発明の無線給電システムの送電側を示す図である。スイッチ１０１は接触スイッチになっており、移動体２００がステーション１００に近づき、ステーション１００と移動体２００の間の距離が所定の距離以下になった時に、移動体２００がスイッチ１０１に作用してオンとなり、送電装置３００から受電装置４００へ無線給電を開始するようにした。一方で、送電装置３００と受電装置４００が対向する面に何等か異物が付着していた場合、異物の厚み分だけ移動体２００とステーション１００が接近しないことにより、スイッチ１０１がオンとならないように設定した。即ち、送電装置３００と受電装置４００の間に異物が挟まれるような場合は異常状態とし、電力の伝送ができないようにした。但し、異物が取り除かれると、移動体２００とステーション１００が十分接近できるようになるため、スイッチ１０１がオン状態になり、送電装置３００から受電装置４００へ正常に無線給電が開始されるようになる。

図４は本発明の無線給電システムに設けられるスイッチの動作を示す図であり、スイッチがオンになった状態から、移動体がステーションから離れるに従ってスイッチがオフの状態になる過程を示している。なお、スイッチは送電側のステーション１００に設けた。本実施例ではスイッチとして接触スイッチを用い、接触スイッチは実線で示すように動作する。一方、本実施例では詳細に説明しない磁界スイッチを用いた場合は破線で示すように動作する。接触スイッチは、ステーションと移動体の間の距離が図４でいう約０ｍｍの場合に押切となり、オフからオンの状態となるように設定した。

スイッチ１０１が接触スイッチの場合は、ステーションと移動体の間の距離が次第に離れ、４５ｍｍを超えるとオンからオフの状態へと遷移し始める。一方、スイッチ１０１が磁界スイッチの場合は、ステーションと移動体の間の距離が次第に離れ、５ｍｍを超えるとオンからオフの状態へと遷移し始める。

本発明の無線給電システムは、スイッチがオンの場合に無線給電を行う。したがって、スイッチ１０１として接触スイッチを用いた場合は、ステーション１００と移動体２００の間の距離が４５ｍｍより大きくなった時に無線給電が終了する。一方、スイッチ１０１として磁界スイッチを用いた場合は、ステーション１００と移動体２００の間の距離が５ｍｍより大きくなった時に無線給電が終了する。言い換えると、接触スイッチを用いた場合は、スイッチが押切られてオンになった状態から移動体２００がステーション１００離れても、移動体２００とステーション１００の間の距離が４５ｍｍ以内であれば無線給電を継続できる。

なお、本実施例ではスイッチ１０１は送電側に設けたが、受電側に設けた場合、送電側と受電側の双方に設けた場合でも、図４に示したスイッチの動作は同じである。

図３は本発明の無線給電システムの送電装置と受電装置を示す図である。送電装置３００はインバーター等で構成される送電回路３０１、電力を空間に放射するための送電コイル３０２及び送電側の制御を司る送電側通信モジュール３０３から成る、受電装置４００は整流と電圧レベル調整等を行う受電回路４０１、空間から電力を回収するための受電コイル４０２及び受電側の制御を司る受電側通信モジュール４０３から成る。

送電側通信モジュール３０３と受電側通信モジュール４０３は無線ＬＡＮ、ＺｉｇＢｅｅ（登録商標）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、特小無線モジュール等から成り、送電側通信モジュール３０３と受電側通信モジュール４０３が認証を取って正しい送電対象であるかを確認する。

送電装置３００から受電装置４００へ無線給電が開始された後には、送電装置３００及び受電装置４００は各々の温度をモニターし、異常な温度となった場合には、送電側通信モジュール３０３若しくは受電側通信モジュール４０３は無線給電を停止するような制御信号を発信する。

本発明の無線給電システムにおける各異物に対する動作結果を表１にまとめた。１ｍｍより厚い異物に対しては、接触スイッチ１０１がオンにならないため無線給電は開始しなかった。また、アルミ箔などの薄板の金属異物では接触スイッチ１０１が働き、無線給電を一旦は開始した。その後、無線給電システムの温度異常と電圧異常が検出されたが、許容範囲内の異物起因であることが推測でき、無線給電システムを安全に停止できた。

本発明の無線給電システムによれば、低コストで簡便なシステムが求められる介護補助機器などに有効な充電システムを提供することができる。また、簡易な構成で無線給電を行う際に懸念となる異物に対する安全対策を実現できる。

１００ ステーション
１０１ スイッチ
２００ 移動体
３００ 送電装置
３０１ 送電コイル
３０２ 送電回路
３０３ 送電側通信モジュール
４００ 受電装置
４０１ 受電コイル
４０２ 受電回路
４０３ 受電側通信モジュール

Claims (2)

1. 送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
   受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
   前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ非接触 で電力を伝送し、
   前記送電装置はステーションに搭載され、
   前記受電装置は前記ステーションに対して移動可能な移動体に搭載され、
   前記ステーションは送電側押切スイッチを備え、
   前記ステーション及び前記移動体は、相互を認証する認証通信モジュールを各々備え、
   前記移動体が前記ステーションに対して位置調整を繰り返し、
   前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置するか否か 認証し、
   前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置する場合に、
   前記移動体が前記送電側押切スイッチに作用して前記送電側押切スイッチがオンとなるように設定され、
   前記送電側押切スイッチがオンの場合に、
   前記ステーションと前記移動体の間に所定の大きさ以上の異物が存在しないことを検出し、前記 ステーションから前記移動体に電力を伝送することを特徴とする無線給電システム。
   
2. 送電コイル及び共振容量により構成された送電共振器を有する送電装置と、
   受電コイル及び共振容量により構成された受電共振器を有する受電装置とを備え、
   前記送電コイルと前記受電コイルの間の作用を介して前記送電装置から前記受電装置へ非接触で電力を伝送し、
   前記送電装置はステーションに搭載され、
   前記受電装置は前記ステーションに対して移動可能な移動体に搭載され、
   前記移動体は受電側押切スイッチを備え、
   前記ステーション及び前記移動体は、相互を認証する認証通信モジュールを各々備え、
   前記移動体が前記ステーションに対して位置調整を繰り返し、
   前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置するか否か認証し、
   前記ステーションから前記移動体への電力の伝送が可能な範囲に前記移動体が位置する場合に、
   前記ステーションが前記受電側押切スイッチに作用して前記受電側押切スイッチがオンとなるように設定され、
   前記受電側押切スイッチがオンの場合に、
   前記ステーションと前記移動体の間に所定の大きさ以上の異物が存在しないことを検出し、前記ステーションから前記移動体に電力を伝送することを特徴とする無線給電システム。

Images