JP6982995B2 - 受電システム、非接触電力供給システム、無人搬送車及び受電方法 - Google Patents

Description

本発明は、受電システム、非接触電力供給システム、無人搬送車及び受電方法に関する。

下記特許文献１、２には、送電装置から受電装置に非接触で伝送した電力を負荷に供給する非接触電力供給システムが開示されている。これらの非接触電力供給システムにおける受電装置は、送電装置から受電した電力を蓄電するデバイスにバッテリを用いると充電に時間がかかるため、急速充電が可能なキャパシタを用いることで充電時間を短縮している。また、特許文献１、２には、キャパシタとバッテリの双方を用いて負荷に電力を供給する技術が開示されている。

特開２０１０−１８７４７１号公報 特開２０１１−２３４５５１号公報

従来の非接触電力供給システムにおいて、キャパシタとバッテリの双方に蓄電した電力を、負荷に供給するだけではなく、さらに受電装置の駆動用として受電装置にも供給することとした場合、キャパシタ及びバッテリに蓄電した電力が不足すると、受電装置を制御することができなくなる。受電装置の制御が不能になると、非接触で電力を受電することができなくなり、非接触電力供給システムとしての基本的な機能が果たせなくなる。

そこで、本発明は、負荷及び受電装置に供給する電力が不足した場合であっても、非接触で電力を受電することができる受電システム、非接触電力供給システム、無人搬送車及び受電方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による受電システムは、非接触で伝送される電力を受電する受電装置と、受電装置から出力される電力を蓄電し、当該蓄電した電力を負荷及び受電装置に供給する電気化学キャパシタと、電気化学キャパシタの充電量が所定値以下になったときに、電気化学キャパシタの替わりに受電装置に電力を供給可能な蓄電デバイスと、を備える。

電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であるか否かを判定する判定部と、判定部により電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であると判定された場合に、受電装置を駆動する電源を、電気化学キャパシタから蓄電デバイスに切り替える切替制御部と、をさらに備えることとしてもよい。

電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であるか否かを判定する判定部と、判定部により電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であると判定された場合に、表示部に所定の表示を行わせる表示制御部と、受電装置を駆動するための電源として蓄電デバイスを選択させる選択部と、をさらに備えることとしてもよい。

蓄電デバイスの充電容量は、電気化学キャパシタの充電容量よりも小さいこととしてもよい。

蓄電デバイスは、二次電池であることとしてもよい。

本発明の他の態様による非接触電力供給システムは、前述した受電システムと、受電装置に電力を非接触で伝送する送電装置と、を備える。

本発明の他の態様による無人搬送車は、前述した受電システムを搭載する。

本発明の他の態様による受電方法は、非接触で伝送される電力を受電装置により受電する工程と、受電装置により受電された電力を電気化学キャパシタに蓄電するとともに、当該電気化学キャパシタに蓄電した電力を負荷及び受電装置に供給する工程と、電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であるか否かを判定する工程と、判定において電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であると判定された場合に、電気化学キャパシタに替え、予備に設けた蓄電デバイスから、受電装置に対して電力を供給可能とする工程と、を含む。

本発明によれば、負荷及び受電装置に供給する電力が不足した場合であっても、非接触で電力を受電することができる受電システム、非接触電力供給システム、無人搬送車及び受電方法を提供することができる。

本発明に係る受電システムを含む非接触電力供給システムの概略構成を例示するブロック図である。 変形例における受電システムを含む非接触電力供給システムの概略構成を例示するブロック図である。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。

図１は、本発明に係る受電システムを含む非接触（ワイヤレス）電力供給システムの構成の一例を示すブロック図である。同図の構成要素のうち、無人搬送車（Automatic Guided Vehicle、以下「ＡＧＶ」ともいう。）７を除いた構成要素が、非接触電力供給システム１を構成する。また、非接触電力供給システム１の構成要素のうち、送電ユニット２及び送電コイルユニット３を除いた構成要素、すなわち受電コイルユニット４、受電ユニット５及びキャパシタユニット６が、受電システム１０を構成する。

ＡＧＶ７は、例えば工場の生産ラインなどにおいて、床面に敷設された磁気テープや磁気棒などによる電磁誘導を利用して自動走行する無人の搬送用車両である。本実施形態では、例示的に、受電システム１０をＡＧＶ７に搭載し、生産ラインに沿った荷物の積み下ろしスペース等に、送電ユニット２及び送電コイルユニット３（以下、まとめて「送電装置」ともいう。）を設置する場合について説明する。

非接触電力供給システム１は、磁界共鳴方式により送電装置から、受電コイルユニット４及び受電ユニット５（以下、まとめて「受電装置」ともいう。）に数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波電力を非接触で伝送し、その高周波電力を受信した受電装置がキャパシタユニット６に直流電力を供給し、その直流電力を受け取ったキャパシタ６１がＡＧＶ７に供給するための電力を蓄電するシステムである。

送電ユニット２は、高周波電源２１及び制御部２２を備える。高周波電源２１は、所定の周波数（数ｋＨｚ〜数百ＭＨｚの高周波）の高周波電力を発生する。高周波電源２１は、高周波信号（電圧信号）を発生する高周波信号発生回路と、高周波信号発生回路で発生した高周波信号を増幅するパワーアンプと、このパワーアンプに直流の電源電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、パワーアンプから出力される高周波信号の高周波成分を除去するローパスフィルタと、パワーアンプから出力される高周波電力の電力量を制御する電力制御部と、を含む。

パワーアンプは、例えば、Ｄ級アンプやＥ級アンプで構成することができ、高周波信号発生回路から入力される高周波信号によってスイッチング素子をオン・オフ駆動することにより、高周波信号と同一の周期を有し、ＤＣ−ＤＣコンバータから入力される直流電圧に依存した振幅の高周波信号を生成する。この高周波信号はローパスフィルタで高周波成分が除去されることにより正弦波の高周波信号に整形されて出力される。

電力制御部は、制御部２２から入力される出力制御信号に基づいてＤＣ−ＤＣコンバータから出力される直流電圧の振幅を制御し、これによりパワーアンプから出力される高周波信号の増幅量（すなわち、高周波電力の電力量）を制御する。

制御部２２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵなどを備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などで構成される。制御部２２は、高周波電源２１に対してＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を制御する出力制御信号を出力し、高周波電源２１から出力される高周波電力を制御する。

送電コイルユニット３は、送電部３１を備える。送電部３１は、送電ユニット２の高周波電源２１から出力される高周波電力を受電コイルユニット４の受電部４１に無線で伝送する。送電部３１は、例えば、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ（以下、「送電用コイル」ともいう。）とそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとの直列共振回路で構成される。

送電部３１における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、高周波電源２１から出力される高周波電力の周波数（以下、「電源周波数」ともいう。）［ＭＨｚ］に調整されている。

受電コイルユニット４は、受電部４１を備える。受電部４１は、送電コイルユニット３の送電部３１との間で磁界結合をして送電部３１から高周波電力を受電する。受電部４１は、送電部３１と同一の構成を有し、複数ターンのソレノイドコイルからなるインダクタ（以下、「受電用コイル」ともいう。）とそのインダクタに直列に接続されたキャパシタとの直列共振回路で構成される。

受電部４１における直列共振回路の直列共振周波数（＝１／［２π・√（Ｌ・Ｃ）］）（Ｌ：インダクタの自己インダクタンス、Ｃ：キャパシタのキャパシタンス）は、電源周波数［ＭＨｚ］に調整されている。

受電ユニット５は、整流回路５１、制御部５２、予備電源５３及び電源用回路５４を備える。整流回路５１は、受電コイルユニット４の受電部４１から出力される高周波信号を整流し、キャパシタユニット６に直流電力を供給する。整流回路５１は、例えば、４個の整流素子をブリッジ接続したブリッジ回路で構成される。４個の整流素子として、ショットキーバリアーダイオードを用いる。

制御部５２は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵなどを備えるマイクロコンピュータやＦＰＧＡ（field-programmable gate array）などで構成される。制御部５２は、受電コイルユニット４、受電ユニット５及びキャパシタユニット６を含む受電システム１０の各構成要素に制御信号を出力し、受電システム１０全体を制御する。制御部５２は、例えば、以下の機能を有する。

制御部５２は、後述するキャパシタ６１の充電量が所定値以下であるか否かを判定する判定部としての機能を有する。所定値として、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力電圧範囲の下限値を設定することができる。

制御部５２は、キャパシタ６１の充電量が所定値以下であると判定した場合に、表示部であるＬＥＤ（light emitting diode）５６を点灯（所定の表示）させる表示制御部としての機能を有する。この機能を有することで、キャパシタ６１の充電量が所定値以下になったことを、ＬＥＤ５６を点灯させることで作業員等に知らせることができる。これにより、例えば、ＬＥＤ５６の点灯を確認した作業員が、後述するように受電ユニット５のスイッチ（選択部）５５をＯＮにすることにより、受電ユニット５の駆動電源をキャパシタ６１から予備電源５３に切り替えることが可能となる。

なお、表示部は、ＬＥＤに限定されず、例えば、ＬＣＤ（liquid crystal display）等であってもよい。ＬＣＤを用いる場合、制御部５２は、充電量が所定値以下になったことを表すメッセージ（所定の表示）をＬＣＤに表示させることとしてもよい。

予備電源５３は、スイッチ５５がＯＮにされた場合に、キャパシタ６１の替わりに受電ユニット５に電力を供給する蓄電デバイスである。予備電源５３の充電容量は、キャパシタ６１の充電容量よりも小さくすることが好ましい。これにより、予備電源５３を小型化かつ軽量化することができるため、メンテナンスや交換が容易となり、コストを抑えることも可能となる。また、予備電源５３は、二次電池であることが好ましいが、電気化学キャパシタであってもよい。二次電池を採用することで、安定した電圧を供給することが可能となる。

二次電池として、例えば、ニッケル水素電池、鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム硫黄電池等を用いることができる。一方、電気化学キャパシタとして、例えば、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタに代表されるハイブリッドキャパシタ、レドックスキャパシタ等を用いることができる。

電源用回路５４は、スイッチ５５がＯＦＦであるときには、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２から出力される電力を、予備電源５３に充電すること、及び同電力を受電ユニット５内の各構成要素に供給するための各種処理を実行する。電源用回路５４は、スイッチ５５がＯＮであるときには、予備電源５３に蓄電された電力を受電ユニット５内の各構成要素に供給するための各種処理を実行する。

キャパシタユニット６は、キャパシタ６１、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２及びリレー６３を備える。

キャパシタ６１は、電気化学キャパシタであり、具体的には、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタに代表されるハイブリッドキャパシタ、レドックスキャパシタ等を用いることができる。キャパシタ６１は、複数のキャパシタを直列及び並列に組み合わせて構成されていてもよいし、単一のキャパシタであってもよく、ＡＧＶ７に供給する電力に応じて適宜構成することができる。

キャパシタ６１は、受電ユニット５から印加される直流電圧により充電され、電荷を蓄える。キャパシタ６１は、蓄えた電荷に基づいて直流電力を放電し、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２を介してＡＧＶ７に電力を供給する。また、キャパシタ６１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２を介して受電装置である受電ユニット５及び受電コイルユニット４に電力を供給する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ６２は、キャパシタ６１から入力された直流電圧を調整（昇降圧）し、ＡＧＶ７に調整後の直流電圧を供給する。

リレー６３は、キャパシタ６１の充電量が所定値を超えるとＯＮ状態となり、キャパシタ６１の充電量が所定値以下になるとＯＦＦ状態となる。つまり、リレー６３は、キャパシタ６１の充電量が所定値以下である場合に、キャパシタ６１から出力される電力の出力経路を遮断する遮断部としての機能を有する。所定値は、前述したように、例えば、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２の入力電圧範囲の下限値に設定することができる。

上述したように、実施形態における受電システム１０を含む非接触電力供給システム１によれば、非接触で伝送される電力を受電装置（受電コイルユニット４及び受電ユニット５）で受電し、この受電装置から出力される電力をキャパシタ６１に蓄電し、このキャパシタ６１に蓄電した電力をＡＧＶ７及び受電装置に供給することができる一方、キャパシタ６１の充電量が所定値以下になった場合には、予備電源５３に蓄電した電力を受電装置に供給することができる。

具体的には、受電装置の制御部５２が、キャパシタ６１の充電量が所定値以下であるか否かを判定し、キャパシタ６１の充電量が所定値以下であると判定した場合に、ＬＥＤ５６を点灯させることができる。さらに、ＬＥＤ５６の点灯後に、スイッチ５５をＯＮにすることで受電装置を駆動するための電源を、キャパシタ６１から予備電源５３に切り替えることができる。

これにより、キャパシタ６１の充電量が不足した場合には、受電装置を駆動するための電源をキャパシタ６１から予備電源５３に切り替え、予備電源５３から供給される電力により受電装置を駆動させることができ、受電装置からキャパシタ６１に電力を充電させることができる。

それゆえ、実施形態における非接触電力供給システム１によれば、ＡＧＶ７及び受電装置に供給する電力が不足した場合であっても、非接触で電力を受電することができ、非接触電力供給システムとしての基本的な機能を維持することが可能となる。

また、実施形態における非接触電力供給システム１によれば、キャパシタ６１の充電量が所定値以下であるか否かを判定することができ、この判定においてキャパシタ６１の充電量が所定値以下であると判定された場合に、ＬＥＤ５６を点灯させることができるため、受電ユニット５のスイッチ５５をＯＮにするように、作業員に促すことが可能となる。そして、その作業員がスイッチ５５をＯＮにすることで、受電ユニット５の駆動電源をキャパシタ６１から予備電源５３に切り替えることができる。

[変形例]
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。

例えば、前述した実施形態では、受電ユニット５の駆動電源をキャパシタ６１から予備電源５３に切り替える際に、作業員等がＬＥＤ５６の点灯を確認してから、受電ユニット５のスイッチ５５をＯＮにしているが、受電ユニット５の駆動電源を切り替える手段は、これに限定されない。例えば、受電ユニット５の制御部５２が駆動電源の切り替えを制御することとしてもよい。これにより、図１に示すスイッチ５５及びＬＥＤ５６を省略することが可能となる。ただし、ＬＥＤ５６については省略せずに、キャパシタ６１の充電状況を確認するために用いることとしてもよい。

この変形例において、制御部５２は、キャパシタ６１の充電量が所定値以下であるか否かを判定する判定部としての機能、及びキャパシタ６１の充電量が所定値以下である場合に、受電ユニット５を駆動するための電源を、キャパシタ６１から予備電源５３に切り替える切替制御部としての機能を、さらに有することとする。

これにより、受電装置の制御部５２が、キャパシタ６１の充電量が所定値以下であると判定した場合に、受電装置を駆動する電源を、キャパシタ６１から予備電源５３に切り替えることが可能となる。したがって、キャパシタ６１の充電量が不足した場合に、予備電源５３から供給される電力により受電装置を駆動させることができ、受電装置からキャパシタ６１に電力を充電させることが可能となる。

また、前述した実施形態における電源用回路５４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ６２から出力される電力を、予備電源５３に充電しているが、予備電源５３の充電に用いる電力は、これに限定されない。例えば、図２に示すように、キャパシタ６１から放電される電力を用いて、予備電源５３を充電することとしてもよいし、受電ユニット５のコネクタ（例えばＵＳＢポート等）５７を介して接続される外部電源等の電力を用いて、予備電源５３を充電することとしてもよい。

１…非接触電力供給システム、２…送電ユニット、３…送電コイルユニット、４…受電コイルユニット、５…受電ユニット、６…キャパシタユニット、７…無人搬送車、１０…受電システム、２１…高周波電源、２２…制御部、３１…送電部、４１…受電部、５１…整流回路、５２…制御部、５３…予備電源、５４…電源用回路、５５…スイッチ、５６…ＬＥＤ、６１…キャパシタ、６２…ＤＣ−ＤＣコンバータ、６３…リレー

Claims (10)

1. 非接触で伝送される電力を受電する受電装置と、
   前記受電装置から出力される電力を蓄電し、当該蓄電した電力を負荷である無人搬送車及び前記受電装置に供給する電気化学キャパシタと、を備え、
   前記受電装置は、前記電気化学キャパシタから供給される電力を蓄電する蓄電デバイスを備え、
   前記蓄電デバイスは、前記電気化学キャパシタの充電量が所定値以下になったときに、前記電気化学キャパシタの替わりに前記受電装置の内部に電力を供給し、
   前記電気化学キャパシタは、当該電気化学キャパシタの充電量が所定値以下になったときに、前記蓄電デバイスにより供給される電力により駆動する前記受電装置から出力される電力を蓄電する、
   受電システム。
2. 前記電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部により前記電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であると判定された場合に、前記受電装置を駆動する電源を、前記電気化学キャパシタから前記蓄電デバイスに切り替える切替制御部と、
   をさらに備える請求項１記載の受電システム。
3. 前記電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であるか否かを判定する判定部と、
   前記判定部により前記電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であると判定された場合に、表示部に所定の表示を行わせる表示制御部と、
   前記受電装置を駆動するための電源として前記蓄電デバイスを選択させる選択部と、
   をさらに備える請求項１記載の受電システム。
4. 前記蓄電デバイスの充電容量は、前記電気化学キャパシタの充電容量よりも小さい、
   請求項１から３のいずれか一項に記載の受電システム。
5. 前記蓄電デバイスは、二次電池である、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の受電システム。
6. 前記蓄電デバイスは、前記電気化学キャパシタから出力される電力により充電される、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の受電システム。
7. 前記蓄電デバイスは、外部から接続される外部電源の電力により充電される、
   請求項１から５のいずれか一項に記載の受電システム。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の受電システムと、
   前記受電装置に電力を非接触で伝送する送電装置と、
   を備える非接触電力供給システム。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の受電システムを搭載する無人搬送車。
10. 非接触で伝送される電力を受電装置により受電する工程と、
    前記受電装置により受電された電力を電気化学キャパシタに蓄電するとともに、当該電気化学キャパシタに蓄電した電力を負荷である無人搬送車及び前記受電装置に供給する工程と、
    前記電気化学キャパシタから供給される電力を前記受電装置に備えられた蓄電デバイスに蓄電させる工程と、
    前記電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であるか否かを判定する工程と、
    前記判定において前記電気化学キャパシタの充電量が所定値以下であると判定された場合に、前記電気化学キャパシタに替えて、前記蓄電デバイスから、前記受電装置の内部に電力を供給する工程と、
    前記蓄電デバイスにより供給される電力により駆動する前記受電装置から出力される電力を前記電気化学キャパシタに蓄電させる工程と、
    を含む受電方法。

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