JP7388655B2

JP7388655B2 - 移動体の非接触給電装置

Info

Publication number: JP7388655B2
Application number: JP2020072006A
Authority: JP
Inventors: 亮細川; 大介手塚; 弘行高科
Original assignee: Aioi Systems Co Ltd
Current assignee: Aioi Systems Co Ltd
Priority date: 2020-04-14
Filing date: 2020-04-14
Publication date: 2023-11-29
Anticipated expiration: 2040-04-14
Also published as: JP2021170854A

Description

本発明は、固定部に設置した給電コイルから移動体に設けた受電コイルに非接触で給電することができる非接触給電装置に関し、特に二つの受電コイルから常に駆動に必要な電圧を駆動部に対して安定的に供給することが可能で、バッテリを必要としない移動体の非接触給電装置に関する。

移動体の走行路に沿って設置された複数の一次側給電トランス（給電コイル）と、移動体に設けられた二次側給電トランス（受電コイル）とを備え、固定側の給電コイルから移動側の受電コイルに非接触で給電する非接触給電装置が知られている（例えば特許文献１、２参照）。
特許文献１には、複数の一次コイル（給電コイル）１２を道路１０に備え、複数の二次コイル（受電コイル）１６を車両１４に備え、二つの一次コイル１２が二つの二次コイル１６に対してそれぞれ正対することで、一次コイル１２から二次コイル１６に電力を供給する移動体給電装置が開示されている。そして、二つの一次コイル１２の間隔よりも二つの二次コイル１６の間隔を大きくすることで、一次コイルと、一次コイルにより送電される二次コイルとが対向してから、次に、一次コイルと二次コイルとが対向するまでの時間を短くして、電力が送電されない時間を短縮するようにしている。

しかし、この特許文献１に記載の移動体給電装置では、電力が送電されない時間を短縮することはできるものの、一方の一次コイル１２と二次コイル１６の正対から次の一次コイル１２と二次コイルとが正対するまで移動する間に受電状態が低下することからバッテリは必須になり、装置重量が大きくなるという問題がある。
そこで特許文献２に記載の非接触給電装置では、受電コイルおよび給電コイルの
長さおよび離間距離に関する二つの不等式が成り立つように構成するとともに、移動体の移動に伴って所定の第１の位置関係から第４位置関係までが順番に発生するようにすることで、常に二つの受電コイルから安定的に駆動に必要な電力を得るようにしてバッテリを不要としている。

特開２０１１－１６７０３１号公報国際公開ＷＯ２０１７／０４６９４６号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の非接触給電装置では、受電コイルの間隔を給電コイルの間隔よりも大きくしているが、給電コイル間の間隔が小さいと隣接する給電コイル間で干渉が生じて電圧・電流波形に乱れが生じることから、給電コイルの間隔を干渉が生じない距離に保つか、二つの受電コイルの位置を検出して給電コイルのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるように構成する必要がある。

しかし、給電コイルの間隔を大きくすると、受電コイルの間隔も給電コイルの間隔以上に確保しなければならないことから装置が大型化するという問題がある。また、二つの受電コイルの位置を検出して給電コイルのＯＮ／ＯＦＦを切り替えるように構成すると、装置が複雑化して価格が高くなるという問題があるうえ、複数の移動体を移動させる際に、移動体の間隔に制限が必要となり、複数の移動体を密に配置して移動させることが困難になるという問題がある。

さらに、受電コイルの間隔が大きくなると、移動経路がカーブを含む場合に、当該カーブで受電状態が低下して必要な駆動電圧を得ることが困難になることから、移動経路にカーブを含まないか、極めて大きな曲率のカーブしか含ませることができず、移動経路を設計する際の制限が大きいという問題がある

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、干渉が生じない間隔で給電コイルを配置しても装置を大型化することなく低価格で、移動経路上に複数の移動体を密に配置して移動させることが可能な移動体の非接触給電装置を提供すること、また、移動経路にカーブが含まれていても、駆動に必要な最低電力を得ることが可能な移動体の非接触給電装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために本発明の非接触給電装置は、固定部に設けられ移動方向に沿って互いに離間して配置された複数の給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）と、各前記給電コイルに交流電力を供給する交流電源（４ａ）と、前記移動方向に沿って移動する移動体（３）に設けられ、対向配置される前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）から非接触で交流電力を受け取る受電コイル（２Ａ，２Ｂ）と、前記受電コイルの出力電圧から駆動に必要な電圧を生成する駆動電圧生成部（３２）と、を備えた非接触給電装置において、隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）間での干渉を小さくするために、隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）の周波数を異ならせ、前記受電コイル（２Ａ，２Ｂ）は、前記移動体（３）の前記移動方向に沿って相互に離間して２個配置されており、前記給電コイルの相互間の離間距離をＤＴとしたときに、前記受電コイルの相互間の離間距離ＤＲが、ＤＴ＞ＤＲとなるように離間距離ＤＲを設定するとともに、二つの受電コイルの出力電圧の少なくとも一方からの出力電圧によって、駆動に必要な駆動電圧以上の電圧が常に前記駆動電圧生成部（３２）で生成されるように、前記離間距離ＤＲ及び隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）の周波数を設定した構成としてある。

本発明においては、上記した離間距離ＤＲの条件に加え、前記受電コイル（２Ａ，２Ｂ）のうち、移動上流側の前記受電コイル（２Ｂ）の出力電圧が最大となるときに、移動下流側の前記受電コイル（２Ａ）が移動下流側の前記給電コイル（１Ａ）から受電を開始するように、前記離間距離ＤＲを設定してもよい。

本発明では、二つの受電コイルは隣接する給電コイルの間隔より小さい間隔で配置されているので、干渉が生じない間隔で給電コイルが配置されていても、装置を大型化する必要が無い。また、隣接する給電コイルのＯＮ／ＯＦＦを切り替える必要もないことから、装置価格を低廉なものとすることができ、かつ、複数の移動体を密に配置して移動させることが可能になる。

また、前記移動体の移動経路の一部にカーブがあり、このカーブで隣り合う前記給電コイルが屈曲して配置されている場合に、二つの前記受電コイルの出力電圧が前記駆動電圧以上となるように、前記離間距離ＤＲを設定するとよい。
このように構成することで、移動体の移動経路上にカーブが含まれていても、受電コイルの間隔を小さくすることで、出力電圧の低下を抑制でき、駆動に必要な出力電圧を得ることが容易になる。

なお、隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）間での干渉を小さくするためには、隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）の周波数を異ならせるとよい。このようにすることで、受電コイルの（２Ａ，２Ｂ）の間隔をさらに小さくして非接触給電装置をさらに小型化することが可能になる。

本発明の非接触給電装置の好適な実施形態について、図を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の非接触給電装置の構成を説明する概略図である。
非接触給電装置は、各々が電源回路４に接続された複数の給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・と、一列に配列された複数の給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・に沿って矢印Ｉ方向に移動する移動体３に設けられた２個の受電コイル２Ａ，２Ｂとを有している。
給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・の各々に電力を供給する電源回路４は、交流電源４ａとコンデンサ４ｂとから構成された公知のもので、同一周波数・同一位相の交流電力を、給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・から受電コイル２Ａ，２Ｂに非接触で供給する。また、隣接する給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・は、互いに干渉しない距離ＤＴだけ離間して配置される。

本発明の別の実施形態の非接触給電装置では、隣接する前記給電コイル１Ａ，１Ｂ・・・間での干渉を抑制するために、電源回路４は、隣接する給電コイル１Ａ，１Ｂ・・・に異なる周波数の電力を供給するように構成されている。
異ならせる周波数の大きさは、給電コイル１Ａ，１Ｂ・・・の大きさや電源回路４から供給される電力の大きさなどに依って決定される。そして、例えば、給電コイル１Ａの周波数を８１．０ｋＨｚと設定し、隣接する他の給電コイル１Ａの周波数を８１．５ｋＨｚと設定した場合、隣接する給電コイル１Ａ，１Ｂ・・・の並びに従って、周波数を８１．０ｋＨｚ、８１．５ｋＨｚ、８１．０ｋＨｚ・・・と設定する。
このようにすることで、隣接する前記給電コイル１Ａ，１Ｂ・・・間の距離を小さくしても干渉を生じにくくすることができ、受電コイルの２Ａ，２Ｂの間隔をさらに小さくして非接触給電装置をさらに小型化することが可能になる。

移動体３には、受電コイル２Ａ，２Ｂで受電した給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・から受電した交流電力を整流する受電回路３１と、二つの受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧から駆動に必要な電圧（駆動電圧）を生成する駆動回路３２とが設けられている。駆動回路３２は、例えば、受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧が近似している場合には、受電コイル２Ａ，２Ｂの両方の出力電圧から駆動電圧を生成したり、両出力電圧に予め設定された値を超えて高低差がある場合には、高い方の出力電圧を選択するように設定することが可能である。

二つの受電コイル２Ａ，２Ｂ間の距離ＤＲは、給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・間の距離ＤＴよりも小さくなるように設定され（ＤＴ＞ＤＲ）、かつ、以下の条件を満たすように設定される。
図２及び図３は、給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・と二つの受電コイル２Ａ，２Ｂとの位置関係を説明する概略図、図４は図２及び図３の各位置における受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧の変化を示すグラフで、（ａ）は受電コイル２Ａのもの、（ｂ）は受電コイル２Ｂのものである。

図４において、ｓは移動体３の駆動に必要な駆動電圧（単に「電圧」と記載することがある）、ｐは受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧のうち最大のもの（ピーク電圧）である。
この実施形態において受電コイル２Ａ，２Ｂは、受電コイル２Ａ，２Ｂが図２（ａ）の位置にあるとき、受電コイル２Ａ，２Ｂの両方から駆動電圧ｓより高い電圧が出力されるものとしてある。そのため、この状態のときには、受電コイル２Ａ，２Ｂのうちのいずれか一方の出力電圧を選択するれば、駆動に必要な電圧ｓを確保することができる。そして、受電コイル２Ａ又は受電コイル２Ｂのいずれか一方又は両方からの出力電圧を駆動回路３２に供給することで、駆動に必要な電圧ｓを確保することができる。

受電コイル２Ａ，２Ｂが図２（ｂ）の位置にくると、移動方向下流側の受電コイル２Ａが給電コイル１Ｂの端部に達して給電コイル１Ｂの円弧部分と受電コイル２Ａとが重なることで、その出力電圧が最大（ピーク電圧ｐ）となる。
受電コイル２Ａ，２Ｂが図２（ｃ）の位置にくると、移動方向下流側の受電コイル２Ａが給電コイル１Ｂから離れ、受電コイル２Ａの出力電圧は０に向かう。このときも上流側の受電コイル２Ｂの出力電圧は駆動電圧ｓより高い電圧を維持しているため、この状態においても受電コイル２Ｂから駆動に必要な駆動電圧ｓを得ることができる。

受電コイル２Ａ，２Ｂが図３（ｄ）の位置にくると、移動方向下流側の受電コイル２Ａが次の給電コイル１Ａからの受電を開始するとともに、上流側の受電コイル２Ｂの出力電圧がピーク電圧ｐとなる。そのため、この状態では、受電コイル２Ｂからの出力電圧によって、駆動に必要な駆動電圧ｓを得ることができる。

そして、受電コイル２Ａ，２Ｂが図３（ｅ）の位置にくると、移動方向下流側の受電コイル２Ａの出力電圧が駆動電圧ｓを越えて大きくなりつつ、上流側の受電コイル２Ｂの出力電圧が低下し０に向かう。そのため、この状態では、受電コイル２Ａからの出力電圧によって、駆動に必要な駆動電圧ｓを得ることができる。
受電コイル２Ａ，２Ｂが図３（ｆ）の位置にくると、移動方向下流側の受電コイル２Ａの出力電圧がピーク電圧ｐとなり、上流側の受電コイル２Ｂの出力電圧がほぼ０に向かう。

以後、この繰り返しにより、駆動に必要な電圧ｓが受電コイル２Ａ，２Ｂのいずれか一方又は両方から出力される。
このように本発明では、二つの受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧が移動体３の移動によって変動しても、常にいずれか一方の受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧が駆動電圧ｓを越えるように、給電コイル１Ａ，１Ｂに対する二つの受電コイル２Ａ，２Ｂの位置関係（距離ＤＴに対する距離ＤＲの関係）を設定しているので、バッテリが無くても常に駆動に必要な電圧ｓを二つの受電コイル２Ａ，２Ｂから確保することができる。

［別の条件］
図５は、移動体３の移動経路の一部にカーブがあり、隣接する給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・が所定の交叉角で傾斜している場合の給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・に対する受電コイル２Ａ，２Ｂの位置関係を示す概略図で、（ａ）は交叉角αが大きい（α＞β）場合、（ｂ）は交叉角βが小さい（β＜α）場合である。また、（ａ）（ｂ）において（ｉ）は本発明の非接触給電装置の場合、（ii）は従来の非接触給電装置の場合である。
なお（ａ）（ｂ）の各々において、（ｉ）における給電コイル１Ａ，１Ｂに対する受電コイル２Ａ，２Ｂの位置関係と、(ii)における給電コイル１Ａ，１Ｂに対する受電コイル２Ａ′，２Ｂ′の位置関係とは同じとしてある。

図示するように、本発明の非接触給電装置の移動方向下流側の受電コイル２Ａと移動方向下流側の給電コイル１Ａとの距離をＨ１、従来の非接触給電装置の移動方向下流側の受電コイル２Ａ′と給電コイル１Ａとの間の距離をＨ２としている。
（ａ）のとき（交叉角αのとき）、距離Ｈ１とＨ１２を比較すると、ＤＴ＞ＤＲの関係にある本発明の受電コイル２Ａの距離Ｈ１の方が小さくなる（Ｈ１＜Ｈ２）。この距離Ｈ１，Ｈ２の差は交叉角が小さくなるほど顕著になり、交叉角がβ（＜α）になると、本発明の非接触給電装置及び従来の非接触給電装置のいずれにおいても距離Ｈ１，Ｈ２は大きくなるが、本発明の方がその増大の割合が小さい。

このことから、ＤＴ≦ＤＲの関係にある従来の非接触給電装置の受電コイル２Ａ′，２Ｂ′よりも、ＤＴ＞ＤＲの関係にある本発明の非接触給電装置の受電コイル２Ａ，２Ｂの方がカーブにおける受電効率が高いことがわかる。そのため本発明の非接触給電装置では、移動体がカーブを通過する工程においても二つの受電コイル２Ａ，２Ｂから駆動電圧ｓ以上の出力電圧を得られるように、距離ＤＲを適切に選択する。このようにすることで、従来の非接触給電装置では給電が困難であった交叉角のカーブであっても、受電コイル２Ａ，２Ｂから十分な駆動電圧ｓを得られるという利点がある。

［実施例］
図６は、本発明の具体的な実施例における給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・及び受電コイル２Ａ，２Ｂの位置と、二つの受電コイル２Ａ，２Ｂの電圧との関係を示すグラフである。左右のグラフのうち左は受電コイル２Ａ，２Ｂの距離ＤＲが５ｍｍのもの、右は同１５ｍｍのものである。

給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・として、外側全長２００ｍｍ×外側の最大幅５０ｍｍ、内側全長２００ｍｍ×内側の最大幅３０ｍｍのものを準備し、受電コイル２Ａ，２Ｂとしては、外径４９ｍｍ、内径３４ｍｍのものを準備した。
また、給電コイル１Ａ，１Ｂ・・・の電源周波数は、互いに隣接する給電コイル１Ａ，１Ｂのうち一方（例えば給電コイル１Ａ）を８１．０ｋＨｚとし、他方（同給電コイル１Ｂ）を８１．５ｋＨｚとした。また、受電コイル２Ａ，２Ｂの電源周波数は、共振周波数より３０ｋＨｚ程度離れているものを使用した。

この実施例では、給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・の距離ＤＴを３０ｍｍに固定した。この実施例の給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・において距離ＤＴを３０ｍｍとした場合、隣接する給電コイル１Ａ，１Ｂ・・・のうち、移動方向の上流側の受電コイル２Ｂが出力する出力電圧が最大となるときに、下流側の受電コイル２Ａが下流側の給電コイル１Ａから交流電力の受け取りを開始するような条件を満たす距離ＤＲは、概ね５ｍｍ～１５ｍｍである。
この実施例の図６における各位置の受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧のピーク値は、以下のとおりである。

Ｉ：距離ＤＴ＝３０ｍｍ距離ＤＲ＝５ｍｍのもの
位置１：受電コイル２Ａ９．８Ｖ受電コイル２Ｂ９．６Ｖ
位置２：受電コイル２Ａ９．２Ｖ受電コイル２Ｂ９．２Ｖ
位置３：受電コイル２Ａ３．２Ｖ受電コイル２Ｂ１３．８Ｖ
位置４：受電コイル２Ａ３．０Ｖ受電コイル２Ｂ１４．２Ｖ
位置５：受電コイル２Ａ１２．６Ｖ受電コイル２Ｂ１４．２Ｖ
位置６：受電コイル２Ａ１６．０Ｖ受電コイル２Ｂ１４．６Ｖ
位置７：受電コイル２Ａ１５．６Ｖ受電コイル２Ｂ１０．０Ｖ
位置８：受電コイル２Ａ１５．４Ｖ受電コイル２Ｂ４．８Ｖ
位置９：受電コイル２Ａ１５．８Ｖ受電コイル２Ｂ１２．４Ｖ

II：距離ＤＴ＝３０ｍｍ距離ＤＲ＝１５ｍｍのもの
位置１：受電コイル２Ａ９．６Ｖ受電コイル２Ｂ９．２Ｖ
位置２：受電コイル２Ａ９．２Ｖ受電コイル２Ｂ９．２Ｖ
位置３：受電コイル２Ａ２．２Ｖ受電コイル２Ｂ１０．８Ｖ
位置４：受電コイル２Ａ１．６Ｖ受電コイル２Ｂ１１．０Ｖ
位置５：受電コイル２Ａ９．０Ｖ受電コイル２Ｂ９．６Ｖ
位置６：受電コイル２Ａ８．４Ｖ受電コイル２Ｂ８．６Ｖ
位置７：受電コイル２Ａ１２．４Ｖ受電コイル２Ｂ５．８Ｖ
位置８：受電コイル２Ａ１３．０Ｖ受電コイル２Ｂ２．０Ｖ
位置９：受電コイル２Ａ１２．４Ｖ受電コイル２Ｂ２．２Ｖ

このようにこの実施例では受電コイル２Ａ，２Ｂ間の距離ＤＲを５ｍｍと１５ｍｍに変化させて実験を行ったが、いずれの場合でも受電コイル２Ａ，２Ｂのいずれか一方から得られる出力電圧又は受電コイル２Ａ，２Ｂの両方又はいずれか一方からの出力電圧は、駆動に必要な電圧ｓ＝７Ｖを越えていた。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の説明により限定されるものではない。
また、上記の実施形態では、隣接する受電コイル２Ａ，２Ｂのうち、移動上流側の受電コイル２Ｂの出力電圧が「最大」となるときに、移動下流側の受電コイル２Ａが移動下流側の給電コイル１Ａから受電を開始するように、離間距離ＤＲを設定しているが、本発明の前提条件として、常にいずれか一方の受電コイル２Ａ，２Ｂから駆動電圧ｓ以上の電圧が出力されていればよいことから、用語「最大」は、ピーク電圧ｐを頂点（中心）としたその前後の一定範囲を含む意味である。

本発明の非接触給電装置の構成を説明する概略図である。給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・と二つの受電コイル２Ａ，２Ｂとの位置関係を説明する概略図である。給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・と二つの受電コイル２Ａ，２Ｂとの位置関係を説明する概略図である。図２及び図３の各位置における受電コイル２Ａ，２Ｂの出力電圧を示すグラフで、（ａ）は受電コイル２Ａのもの、（ｂ）は受電コイル２Ｂのものである。図５は、移動体３の移動経路の一部にカーブがあり、隣接する給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・が所定の交叉角で傾斜している場合の給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・に対する受電コイル２Ａ，２Ｂの位置関係を示す概略図で、（ａ）は交叉角αが大きい（α＞β）場合、（ｂ）は交叉角βが小さい（β＜α）の場合である。本発明の実施例にかかり、本発明の具体的な実施例における給電コイル１Ａ，１Ｂ，・・・及び受電コイル２Ａ，２Ｂの位置と、二つの受電コイル２Ａ，２Ｂの電圧との関係を示すグラフである。左右のグラフのうち左は受電コイル２Ａ，２Ｂの距離ＤＲが５ｍｍのもの、右は同１５ｍｍのものである。

１Ａ，１Ｂ給電コイル
２Ａ，２Ｂ受電コイル
３移動体
３１受電回路
３２駆動回路
４電源回路
４ａ交流電源
４ｂコンデンサ
ＤＴ給電コイル間の距離
ＤＲ受電コイル間の距離

Claims

固定部に設けられ移動方向に沿って互いに離間して配置された複数の給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）と、
各前記給電コイルに交流電力を供給する交流電源（４ａ）と、
前記移動方向に沿って移動する移動体（３）に設けられ、対向配置される前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）から非接触で交流電力を受け取る受電コイル（２Ａ，２Ｂ）と、
前記受電コイルの出力電圧から駆動に必要な電圧を生成する駆動電圧生成部（３２）と、
を備えた非接触給電装置において、
隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）間での干渉を小さくするために、隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）の周波数を異ならせ、
前記受電コイル（２Ａ，２Ｂ）は、前記移動体（３）の前記移動方向に沿って相互に離間して２個配置されており、
前記給電コイルの相互間の離間距離をＤＴとしたときに、前記受電コイルの相互間の離間距離ＤＲが、ＤＴ＞ＤＲとなるように離間距離ＤＲを設定するとともに、二つの受電コイルの出力電圧の少なくとも一方からの出力電圧によって、駆動に必要な駆動電圧以上の電圧が常に前記駆動電圧生成部（３２）で生成されるように、前記離間距離ＤＲ及び隣接する前記給電コイル（１Ａ，１Ｂ・・・）の周波数を設定したこと、
を特徴とする移動体の非接触給電装置。
前記受電コイル（２Ａ，２Ｂ）のうち、移動上流側の前記受電コイル（２Ｂ）の出力電圧が最大となるときに、移動下流側の前記受電コイル（２Ａ）が移動下流側の前記給電コイル（１Ａ）から受電を開始するように、前記離間距離ＤＲを設定したことを特徴とする請求項１に記載の移動体の非接触給電装置。
前記移動体の移動経路の一部にカーブがあり、このカーブで隣り合う前記給電コイルが屈曲して配置されている場合に、二つの前記受電コイルの出力電圧が前記駆動電圧以上となるように、前記離間距離ＤＲを設定したことを特徴とする請求項１又は２に記載の移動体の非接触給電装置。