JP7140242B2

JP7140242B2 - 非接触充電システム、並びに送電装置及び方法

Info

Publication number: JP7140242B2
Application number: JP2021111398A
Authority: JP
Inventors: 圭介岩脇; 伸一小倉
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-10-28
Filing date: 2021-07-05
Publication date: 2022-09-21
Anticipated expiration: 2032-03-14
Also published as: JP2021158916A; JP2020080639A

Description

本発明は、送電部と受電部との間で非接触で電力授受を行い、受電側装置に電気的に接続された、例えばバッテリ等の電気的な負荷を充電する非接触充電システム、並びに非接触送電装置及び方法の技術分野に関する。

この種の装置が搭載される充電装置として、例えば、送電側のパドルを、受電側のポートに差し込み、該ポート内の機械的なリミットスイッチをＯＮすることにより、停電からの復帰機能を実現するために、ＲＦ基板と呼ばれる通信回路の電源を常時入れておくインダクティブ充電装置が提案されている。ここでは特に、受電側のＲＦ基板は、送電側の装置との間で通信を行い、該通信の結果によって、受電側の電池ＥＣＵの起動信号を生成することが記載されている（特許文献１参照）。

特開平１０－３０４５８２号公報

特許文献１に記載の技術によれば、送電側のパドルを受電側のポートに差し込み、該ポート内の機械的なリミットスイッチをパドルで押下しなければならない。このため、特許文献１に記載の技術を、送電部と受電部とが接触しない充電装置に適用することは極めて困難であるという技術的問題点がある。

本発明は、例えば上記問題点に鑑みてなされたものであり、送電部と受電部との機械的な接触を必要とせずに、システムの復帰を実行可能な非接触充電システム、送電装置及び方法、並びに受電装置及び方法を提供することを課題とする。

本発明の非接触充電システムは、上記課題を解決するために、送電側装置から受電側装置へ非接触で電力を送電し、前記受電側装置と電気的に接続されたバッテリに充電を行う非接触充電システムであって、前記送電側装置は、前記受電側装置に接続されたバッテリを充電するための第一電力及び前記第一電力よりも小さな電力である第二電力を前記受電側装置へ送電するための送電手段と、前記受電側装置と通信する送電側通信手段と、を備え、前記受電側装置は、前記送電側装置から送電される電力を受電するための受電手段と、前記送電側装置と通信する受電側通信手段と、を備え、前記送電手段は、前記第二電力に係る周波数を変更しつつ前記第二電力を前記受電側装置へ送電し、前記受電側装置は、前記送電部から送電される前記第二電力を受電したことを条件に、前記受電側通信手段に電力を供給し、前記受電側通信手段は、前記送電部から送電される前記第二電力を受電した後であって、前記受電側通信手段に電力が供給された後に、前記送電側装置に通知を送信し、前記送電側装置は前記通知を受信することで、前記受電側装置への前記第一電力の送電を開始する。

本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施するための形態から明らかにされる。

第１実施形態に係る充電システムの概略構成を示す概略図である。第１実施形態に係る送電側装置及び受電側装置各々の構成を示すブロック図である。第１実施形態に係る復帰制御処理を示すフローチャートである。インバータの出力電力に係る周波数と、受電電圧との関係の一例を、１次コイル及び２次コイル間の距離毎に示す特性図である。第２実施形態に係る送電側装置及び受電側装置各々の構成を示すブロック図である。

以下、本発明の非接触充電システムに係る実施形態について、図面に基づいて説明する。

＜第１実施形態＞
本発明の非接触充電システムに係る第１実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。

先ず、本実施形態に係る充電システムの全体構造を、図１を参照して説明する。図１は、第１実施形態に係る充電システムの概略構成を示す概略図である。

図１において、送電側装置は、例えば駐車スペース等に設置された充電器本体１０１と、該充電器本体１０１と電気的に接続されると共に、少なくとも一部が地面に埋設された１次コイル１０２と、を備えて構成されている。他方、例えば電気自動車、プラグインハイブリッド車等である車両１に搭載された受電側装置は、車両１の駆動用のバッテリ２０１に電気的に接続された２次コイル２０２を備えて構成されている。

１次コイル１０２及び２次コイル２０２間では、例えば電磁誘導方式、磁界共鳴方式等の磁界結合によって、機械的な接触無しに（即ち、非接触で）、電力の授受が行われる。

次に、送電側装置及び受電側装置各々の詳細な構成について、図２を参照して説明する。図２は、第１実施形態に係る送電側装置及び受電側装置各々の構成を示すブロック図である。

図２において、充電器本体１０１は、家庭用又は商用の交流電源１０３に電気的に接続された整流回路１１３と、該整流回路１１３に電気的に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ１１４と、該ＤＣ／ＤＣコンバータ１１４に電気的に接続され、直流電力から交流電力を生成するインバータ１１５と、該インバータ１１５に係る出力電圧や周波数等を制御する制御回路１１１と、通信回路１１２とを備えて構成されている。

受電側装置は、２次コイル２０２に電気的に接続され、該２次コイル２０２に係る起電力を整流する整流回路２０３と、平滑コンデンサ２０４と、整流回路２０３やバッテリ２０１を制御する制御回路２１１と、通信回路２１２と、を備えて構成されている。制御回路２１１及び通信回路２１２は、車両１の補機（図示せず）に電力を供給する補機バッテリ（１２Ｖ）を電源としている。

制御回路２１１及び通信回路２１２と、補機バッテリとの間には、電源スイッチ２１３が設けられている。電源スイッチ２１３がＯＦＦ状態の場合、制御回路２１１及び通信回路２１２はスタンバイ状態（低消費電力状態）となる。制御回路２１１及び通信回路２１２がスタンバイ状態とされることで、電力の消費を抑制すると共に、補機バッテリの充電量の低下や、該補機バッテリの消耗（所謂、バッテリ上がり）を防止することができる。

また、平滑コンデンサ２０４と、バッテリ２０１との間には、メインリレー回路２０６が設けられている。このメインリレー回路２０６は、バッテリ２０１の充電処理が終了するとＯＦＦ状態とされる。

尚、通信回路１１２及び２１２は、例えば無線ＬＡＮやＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）等の無線通信回路である。通信回路１１２及び２１２を介して、充電器本体１０１と、車両１との間で、例えば充電制御に係る情報、バッテリ２０１に係る情報等が双方向で授受される。

ここで本願発明者の研究によれば、以下の事項が判明している。即ち、バッテリ２０１の充電処理が終了した後に、メインリレー回路２０６がＯＦＦ状態とされるため、充電処理が終了した後は、受電側装置の受電回路は、ほぼ無負荷状態となる。このため、バッテリ２０１の次回の充電開始時に、バッテリ２０１を充電するための比較的高出力の電力が、２次コイル２０２を介して供給されると、受電側装置に過度な負荷がかかるおそれがある。

本実施形態では、充電器本体１０１に対して充電要求があった場合、制御回路１１２は、受電側装置を構成する部品の電気に係る定格を超えないような微小電力を出力するように、インバータ１１５を制御する。他方、受電側装置では、起動制御回路２０５により、２次コイル２０２を介して供給された微小電力が検知されたことを条件に、該起動制御回路２０５は、電源スイッチ２１３をＯＮ状態とする。

この結果、制御回路２１１及び通信回路２１２が、スタンバイ状態から復帰すると共に、メインリレー回路２０６がＯＮ状態となる。スタンバイ状態から復帰した制御回路２１１は、該制御回路２１１が起動状態に復帰したことを示す情報を、通信回路２１２を介して、充電器本体１０１に送信する。

このように構成すれば、受電側装置が無負荷状態であるにもかかわらず、バッテリ２０１を充電するための比較的高出力の電力が、受電側装置に供給されることを防止することができる。

以上のように構成された充電システムにおいて実施される復帰制御処理について、図３のフローチャートを参照して説明する。

図３において、先ず、例えば充電器本体１０１に設けられたスイッチが押下されること等に起因する充電要求を検出した制御回路１１１は、インバータ１１５の出力電力に係る周波数が予め定められた初期値になるように、インバータ１１５を制御する（ステップＳ１０１）。

次に、制御回路１１１は、微小電力を出力するようにインバータ１１５を制御する（ステップＳ１０２）。この結果、受電側装置（即ち、車両１）には、２次コイル２０２を介して電力が供給されることとなる。

ところで、車両１の駐車位置や車両高に起因して、１次コイル１０２及び２次コイル２０２間の位置関係が変化すると、送電側装置及び受電側装置間の共振周波数も変化する。送電側装置及び受電側装置間の共振周波数が、インバータ１１５の出力電力に係る周波数と異なると、２次コイル２０２における起電力が低下する。すると、受電側装置において、電力が供給されていることが検知されない可能性がある。

そこで、制御回路１１１は、インバータ１１５の出力電力に係る周波数を変更しつつ、微小電力を出力するようにインバータ１１５を制御する。具体的には、制御回路１１１は、例えば図４に示すように、予め定められた周波数の初期値から、周波数の終了値まで、変更しつつ、微小電力を出力するようにインバータ１１５を制御する。これにより、１次コイル１０２及び２次コイル２０２間の距離が、比較的近い場合であっても、比較的遠い場合であっても、受電側装置に検知可能な電力を供給することができる。

尚、図４は、インバータの出力電力に係る周波数と、受電電圧との関係の一例を、１次コイル及び２次コイル間の距離毎に示す特性図である。

再び図３に戻り、ステップＳ１０２の処理の後、制御回路１１１は、インバータ１１５の出力電力に係る周波数が、予め定められた終了値であるか否かを判定する（ステップＳ１０３）。インバータ１１５の出力電力に係る周波数が、予め定められた終了値でないと判定された場合（ステップＳ１０３：Ｎｏ）、制御回路１１１は、インバータ１１５の出力電力に係る周波数を変更（ここでは、増加）するようにインバータ１１５を制御する（ステップＳ１０４）。

他方、インバータ１１５の出力電力に係る周波数が、予め定められた終了値であると判定された場合（ステップＳ１０３：Ｙｅｓ）、制御回路１１１は、車両１からの起動通知を受信したか否かを判定する（ステップＳ１０５）。

ここで、車両１（つまり、受電側装置）では、上述したステップＳ１０１～Ｓ１０４の処理と並行して、起動制御回路２０５が、整流回路２０３の後段の電圧を逐次検出し、該検出された電圧が、所定の閾値電圧（図４参照）を超えたことを条件に、電源スイッチ２１３をＯＮ状態とする（ステップＳ２０１）。

この結果、スタンバイ状態であった制御回路２１１が、起動状態に復帰する。そして、起動状態に復帰した制御回路２１１は、該制御回路２１１が起動状態に復帰したことを示す情報である起動通知を、通信回路２１２を介して、充電器本体１０１に送信する（ステップＳ２０２）。

充電器本体１０１（つまり、送電側装置）において、ステップＳ１０５の処理が実施されるまでに、起動通知が受信されていない場合、制御回路１１１は、車両１からの起動通知を受信していないと判定し（ステップＳ１０５：Ｎｏ）、ユーザに対して、エラー通知を行う（ステップＳ１０６）。

他方、充電器本体１０１において、ステップＳ１０５の処理が実施されるまでに、起動通知が受信された場合、制御回路１１１は、車両１からの起動通知を受信したと判定し（ステップＳ１０５：Ｙｅｓ）、所定の充電処理を開始する（ステップＳ１０７）。この際、制御回路１１１は、バッテリ２０１を充電するための比較的高出力の電力を出力するようにインバータ１１５を制御する。

本実施形態に係る「１次コイル１０２」、「２次コイル２０２」、「通信手段１１２」、「通信手段２１２」及び「メインリレー回路２０６」は、夫々、本発明に係る「送電部」、「受電部」、「送電側通信手段」、「受電側通信手段」及び「切換手段」の一例である。

＜第２実施形態＞
次に、本発明の非接触充電システムに係る第２実施形態について、図５を参照して説明する。第２実施形態では、送電側装置及び受電側装置各々の回路構成が一部異なっている以外は、第１実施形態の構成と同様である。よって、第２実施形態について、第１実施形態と重複する説明を省略すると共に、図面上における共通箇所には同一符号を付して示し、基本的に異なる点についてのみ、図５を参照して説明する。図５は、図２と同趣旨の、第２実施形態に係る送電側装置及び受電側装置各々の構成を示すブロック図である。

図５において、充電器本体１０１は、当該充電器本体１０１の電源ボタン等である操作スイッチ１２１と、交流電源１０３及び整流回路１１３間に設けられたメインリレー回路１２２と、起動制御回路１２３と、を備えて構成されている。メインリレー回路１２２は、そのＯＮ／ＯＦＦが、操作スイッチ１２１及び起動制御回路１２３により制御される。

ここで特に、充電器本体１０１のメインリレー回路１２２は、例えば充電処理が終了した後に、ＯＦＦ状態とされる。この結果、充電器本体１０１は、低消費電力状態となる。

他方、受電側装置には、２次コイル２０２及び整流回路２０３間に、例えば補機バッテリ等に電気的に接続された、スイッチング回路２２１が設けられている。本実施形態では、受電側装置における制御回路２１１は、常に、補機バッテリに電気的に接続されている（即ち、常に起動状態である）。

車両１のユーザが、該車両１に搭載されたバッテリ２０１の充電を望む場合、ユーザは、例えば所定のボタン等を操作することにより、充電要求を受電側装置に送信する。該充電要求を受信した制御回路２１１は、充電器本体１０１を構成する部品の電気に係る定格を超えないような微小電力を出力するように、スイッチング回路２２１を制御する。

充電器本体１０１の起動制御装置１２３は、１次コイル１０２を介して供給された微小電力が検知されたことを条件に、メインリレー回路１２２をＯＮ状態とする。メインリレー回路１２２がＯＮ状態とされた充電器本体１０１の制御回路１１１は、所定の充電処理を実施する。

このように構成すれば、車両１のユーザが、該車両１から降りることなく、バッテリ２０１の充電を開始することができ、実用上非常に有利である。

本発明は、上述した実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う非接触充電システム、並びに非接触送電装置及び方法もまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１…車両、１０１…充電器本体、１０２…１次コイル、１０３…交流電源、１１１、２１１…制御装置、１１２、２１２…通信装置、１１３、２０３…整流回路、１１４…ＤＣ／ＤＣコンバータ、１１５…インバータ、１２１…操作スイッチ、１２２、２０６…メインリレー回路、１２３、２０５…起動制御回路、２０１…バッテリ、２０２…２次コイル、２０４…平滑コンデンサ、２２１…スイッチング回路

Claims

送電側装置から受電側装置へ非接触で電力を送電し、前記受電側装置と電気的に接続されたバッテリに充電を行う非接触充電システムであって、
前記送電側装置は、
前記受電側装置に接続されたバッテリを充電するための第一電力及び前記第一電力よりも小さな電力である第二電力を前記受電側装置へ送電するための送電手段と、
前記受電側装置と通信する送電側通信手段と、
を備え、
前記受電側装置は、
前記送電側装置から送電される電力を受電するための受電手段と、
前記送電側装置と通信する受電側通信手段と、
を備え、
前記送電手段は、前記第二電力に係る周波数を変更しつつ前記第二電力を前記受電側装置へ送電し、
前記受電側装置は、前記送電部から送電される前記第二電力を受電したことを条件に、前記受電側通信手段に電力を供給し、
前記受電側通信手段は、前記送電部から送電される前記第二電力を受電した後であって、前記受電側通信手段に電力が供給された後に、前記送電側装置に通知を送信し、
前記送電側装置は前記通知を受信することで、前記受電側装置への前記第一電力の送電を開始する
ことを特徴とする非接触充電システム。