WO2013038885A1 - 車両用電力伝送装置及び車両用電源システム - Google Patents

Abstract

伝送路を容易に形成して電力を無線で伝送することが可能な車両用電力伝送装置及び車両用電源システムを提供する。車両用電源システム１００は、電源部１０１と車両用電力伝送装置１０２とを備え、車両用電力伝送装置１０２は、１つの無線電力送電部１１０と複数の無線電力受電部１２０とを備えている。送電部１１０は、電源部１０１から供給される電力を、無線電力として共振周波数が一致する無線電力受電部１２０に伝送する。送電部１１０から無線電力を受電した無線電力受電部１２０は、これに接続された負荷１０に電力を供給する。複数の無線電力受電部１２０は、それぞれの共振周波数を選択するための受電側共振周波数選択手段１２１を備えている。

Description

車両用電力伝送装置及び車両用電源システム

　本発明は、車両用電源から車両に搭載された電気負荷に電力を非接触で供給するための車両用電力伝送装置及び車両用電源システムに関するものである。

　車両に搭載されている電気負荷(以下では、単に負荷という)に電力を供給するために、車両用電源であるバッテリから各負荷にワイヤハーネス（Ｗ／Ｈ）が配索されている。このワイヤハーネスの配線をなくして結線作業を不要とするための技術が、特許文献１に記載されている。特許文献１に記載の電力伝送装置は、ダッシュパネル部やインストルメントパネルといった従来からある車両内装部材を利用して導波路を構成している。導波路内に挿入されたアンテナからマイクロ波を発信し、このマイクロ波が導波路内を走波することで無線電力伝送が可能になっている。

特開２００３－５２１３７号公報

　しかしながら、マイクロ波は周波数が高いため、指向性が強く直線的に伝わる性質が強いことから、ある限定的な範囲内でしか電力伝送することができず、上記範囲から逸脱すれば負荷が動作しないおそれがある。また、方向がずれるとエネルギーロスが大きくなり、伝送効率が悪くなる。さらに上記の性質によれば、給電先の負荷を追加する場合には、マイクロ波を発生させるアンテナを負荷毎に用意するか、自由に方向を変更可能な機構とする必要があり、部品の複雑化、部品点数の増加によりコスト高になってしまう。

　本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、伝送路を容易に形成して電力を無線で伝送することが可能な車両用電力伝送装置及び車両用電源システムを提供することを目的とする。

　本発明の車両用電力伝送装置の第１の態様は、所定の電源から電力を入力して無線電力を発生させる無線電力送電部と、前記無線電力送電部から前記無線電力を受電して接続先の負荷に給電する無線電力受電部と、を備え、前記無線電力送電部から前記無線電力受電部への前記無線電力の伝送は、前記無線電力送電部と前記無線電力受電部とが同じ共振周波数で磁気共鳴することで行われることを特徴とする。

　本発明の車両用電力伝送装置の他の態様は、前記無線電力受電部を２以上備え、前記無線電力受電部のそれぞれが、前記共振周波数で磁気共鳴して前記無線電力送電部から前記無線電力を受電することを特徴とする。

　本発明の車両用電力伝送装置の他の態様は、前記無線電力受電部は、２以上の異なる周波数からいずれか１つを選択して該無線電力受電部の共振周波数がこれに一致するように調整する受電側共振周波数選択手段をそれぞれ備え、前記接続先の負荷に給電するときは、前記受電側共振周波数選択手段を用いて前記無線電力送電部の共振周波数と一致する周波数を該無線電力受電部の共振周波数に選択し、前記接続先の負荷に給電しないときは、前記受電側共振周波数選択手段を用いて前記無線電力送電部の共振周波数と一致しない周波数を該無線電力受電部の共振周波数に選択することを特徴とする。

　本発明の車両用電力伝送装置の他の態様は、前記無線電力送電部は、２以上の異なる周波数からいずれか１つを選択して該無線電力送電部の共振周波数がこれに一致するように調整する送電側共振周波数選択手段を備え、前記電源から入力した電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記無線電力送電部に供給する周波数変換部をさらに備え、前記送電側共振周波数選択手段は、前記無線電力送電部の共振周波数を選択すると、前記交流電力の周波数が前記選択された共振周波数に一致するように前記周波数変換部を制御することを特徴とする。

　本発明の車両用電源システムの第１の態様は、電力を供給する電源部と、上記態様のいずれか１つに記載の車両用電力伝送装置と、を備えることを特徴とする。

　本発明の車両用電源システムの他の態様は、前記電源部は、１以上の周波数の交流電力を前記車両用電力伝送装置に供給することを特徴とする。

　本発明の車両用電源システムの他の態様は、前記電源部は、直流電力を供給する直流電源と、前記直流電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータとを備えることを特徴とする。

　本発明によれば、伝送路を容易に形成して電力を無線で伝送することが可能な車両用電力伝送装置及び車両用電源システムを提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの構成を示すブロック図である。 複数の受電側共振周波数選択手段を統括して制御するように構成された第１実施形態の車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第２実施形態に係る車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの構成を示すブロック図である。 本発明の第３実施形態に係る車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの構成を示すブロック図である。

　本発明の好ましい実施の形態における車両用電力伝送装置及び車両用電源システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、同一機能を有する各構成部については、図示及び説明簡略化のため、同一符号を付して示す。

　（第１実施形態）
　本発明の第１の実施形態に係る車両用電力伝送装置及び車両用電源システムを、図１を用いて説明する。図１は、本実施形態の車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの構成を示すブロック図である。車両用電源システム１００は、電源部１０１と、車両用電力伝送装置１０２とを備え、車両用電力伝送装置１０２から負荷１０に電力が供給される。

　また、本実施形態の車両用電力伝送装置１０２は、無線電力送電部１１０と、無線電力受電部１２０とを備えている。車両用電力伝送装置１０２は、無線電力送電部１１０を１つ備え、無線電力受電部１２０については、これを１つ備える構成とすることができ、あるいは２以上備えていてもよい。図１に示す車両用電力伝送装置１０２は、一例として、無線電力受電部１２０を３つ備える構成としている。３つの無線電力受電部１２０（それぞれを１２０－１～３とする）には、それぞれ負荷１０(それぞれを１０－１～３とする）が接続されている。

　なお、無線電力受電部１２０から電力を供給される負荷１０は、それぞれが単体または複数の電気機器であってよいが、各負荷への電力供給を制御している電子制御ユニット（ＥＣＵ）としてもよい。すなわち、本実施形態の車両用電源システム１００は、ＥＣＵに電力供給する電源システムとすることができ、複数あるＥＣＵへの電力供給を制御するように構成することができる。

　無線電力送電部１１０は、所定の共振周波数（ｆａとする）で共振する共振回路の構成を有しており、電源部１０１から入力した交流電力で共振周波数ｆａの無線電力を発生させる。同様に、無線電力受電部１２０－１～３も、それぞれの共振周波数（ｆｂ－１～３とする）で共振する共振回路の構成を有している。共振回路は、インダクタンスＬのコイルと静電容量Ｃのコンデンサを用いて構成することができる。

　本実施形態の車両用電力伝送装置１０２では、無線電力送電部１１０の共振周波数ｆａと無線電力受電部１２０－１～３のいずれかの共振周波数ｆｂ（ｆｂ－１～３のいずれか１つ以上）が一致するとき、共振周波数が一致する無線電力送電部１１０と無線電力受電部１２０との間で磁気共鳴が発生する。これにより、送電部１１０は、電源部１０１から供給される電力を、無線電力（電磁エネルギー）としてｆａに一致する共振周波数を有する無線電力受電部１２０に伝送する。送電部１１０から無線電力を受電した無線電力受電部１２０は、これに接続された負荷１０に電力を供給する。

　上記説明のように、本実施形態の車両用電源システム１００及び車両用電力伝送装置１０２によれば、無線電力送電部１１０は共振周波数が一致する無線電力受電部１２０に対してのみ無線電力を供給することができることから、負荷１０を選択して電力供給を行わせることが可能となる。電力供給を行わせる負荷を選択する手段として、本実施形態では無線電力受電部１２０－１～３に、それぞれの共振周波数を選択するための受電側共振周波数選択手段１２１－１～３を設けている。

　無線電力受電部１２０は、例えば共振回路のインダクタンスＬと静電容量Ｃを変更することで異なる共振周波数で共振させることができる。そこで、インダクタンスＬと静電容量Ｃを変えて異なる周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎとする）で共振できるように無線電力受電部１２０を構成しておき、受電側共振周波数選択手段１２１（１２１－１～３）を用いて周波数ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎからいずれか１つを選択して共振周波数にすることができるようにしておく。受電側共振周波数選択手段１２１は、選択された周波数に対応して、無線電力受電部１２０の共振周波数が選択された周波数に一致するように、例えば共振回路のインダクタンスＬや静電容量Ｃを変更する。

　複数の無線電力受電部１２０は、それぞれが受電側共振周波数選択手段１２１を有していることから、それぞれで共振周波数を変更することが可能となる。受電を必要とする負荷１０を接続した無線電力受電部１２０は、受電側共振周波数選択手段１２１を用いて無線電力送電部１１０の共振周波数ｆａに一致する周波数を共振周波数に選択し、受電を必要としない負荷１０を接続した無線電力受電部１２０は、受電側共振周波数選択手段１２１を用いて無線電力送電部１１０の共振周波数ｆａに一致しない周波数を共振周波数に選択する。これにより、無線電力送電部１１０は、共振周波数ｆａに一致する共振周波数が設定された無線電力受電部１２０だけに無線電力を供給することになり、受電を必要とする負荷１０に対してのみ給電することが可能となる。

　なお上記では、無線電力受電部１２０－１～３が、それぞれ同じ周波数の組（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎ）を持ち、これから受電側共振周波数選択手段１２１（それぞれ１２１－１～３）を用いて共振周波数を選択できるものとして説明したが、無線電力受電部１２０毎に異なる周波数を共振周波数に選択できるようにしておいてもよいのは言うまでもない。

　本実施形態の車両用電源システム１００及び車両用電力伝送装置１０２によれば、電源部１０１に１つの無線電力送電部１１０を接続し、１以上の負荷１０に１以上の無線電力受電部１２０を接続することで、磁気共鳴により無線電力送電部１１０から各無線電力受電部１２０に電力を無線で伝送させることが可能となる。これにより、Ｗ／Ｈの配索量を低減してその組み付け作業量を削減するとともに、Ｗ／Ｈの削減により車両の軽量化を図ることが可能となる。

　また、給電対象の負荷を追加する場合には、電源部１０１及び無線電力送電部１１０に変更を加えることなく、無線電力受電部１２０を追加してこれに追加の負荷を接続するだけで、追加の負荷に電力を供給することが可能となる。

　さらに、無線電力受電部１２０に受電側共振周波数選択手段１２１を設けて複数の周波数の中から共振周波数を選択可能にすることで、無線電力送電部１１０と同じ共振周波数が選択された無線電力受電部１２０のみに給電させることが可能となる。その結果、複数の負荷のうち給電を必要とする負荷だけに給電を行い、それ以外の負荷には給電しないようにすることができ、不要な給電を停止して電源の利用を効率化させることができる。

　図１に示す第１実施形態の車両用電源システム１００及び車両用電力伝送装置１０２では、複数の無線電力受電部１２０のそれぞれの共振周波数を、それぞれに設けられた受電側共振周波数選択手段１２１を用いてそれぞれで設定する構成となっている。これに対し、各受電側共振周波数選択手段１２１を統括して制御することで、複数ある受電側共振周波数選択手段１２１のそれぞれの共振周波数を一括して選択できるようにすることも可能である。複数の受電側共振周波数選択手段１２１を統括して制御するように構成された車両用電源システム１００'の構成図を図２に示す。

　図２に示す両用電源システム１００'では統括制御部１０３が追加されており、統括制御部１０３が各受電側共振周波数選択手段１２１を統括して制御するようにしている。このような構成とすることにより、統括制御部１０３は車両の状況に応じて負荷への電源供給を適切に制御することが可能となる。例えば、走行中に不具合が発生した場合には、車両の安全停止に必要な負荷への電源供給を優先させ、それ以外の負荷への電源供給を停止させるように各受電側共振周波数選択手段１２１を制御することが可能となる。

　（第２実施形態）
　本発明の第２の実施形態に係る車両用電力伝送装置及び車両用電源システムを、図３を用いて説明する。図３は、本実施形態の車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の車両用電源システム２００は、電源部２０１と車両用電力伝送装置２０２とを備え、車両用電力伝送装置２０２は、無線電力送電部２１０と無線電力受電部２２０とを備えている。

　第１実施形態の車両用電源システム１００では、無線電力受電部１２０がその共振周波数を複数の周波数の中から選択可能に構成されていた。これに対し、本実施形態の車両用電源システム２００では、無線電力送電部２１０がその共振周波数を複数の周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎ）の中から選択可能に構成している。なお、ここでは無線電力送電部２１０が選択可能な周波数を、第１実施形態の無線電力受電部１２０が選択可能な周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎ）と同じにしているが、必ずしも同じである必要はなく、異なる周波数の組とすることができ、周波数の個数ｎも異なっていてよい。

　無線電力送電部２１０から無線電力を共振周波数を変えて伝送できるようにするためには、無線電力送電部２１０の共振周波数を伝送先の無線電力受電部２２０の共振周波数に一致させるとともに、電源部２０１の周波数も伝送先の共振周波数に合わせる必要がある。そこで本実施形態では、車両用電力伝送装置２０２に周波数変換部２１２を設け、電源部２０１から受電した所定周波数の交流電源を周波数変換部２１２で伝送先の共振周波数に変換する構成としている。そして、伝送先の共振周波数に変換された交流電源を周波数変換部２１２から無線電力送電部２１０に供給している。なお、電源の構成はこれに限定されず、例えば電源部２０１を直流電源とし、インバータを設けて直流電源を伝送先の共振周波数の交流電源に変換し、これを無線電力送電部２１０に供給するようにしてもよい。

　無線電力送電部２１０は、複数の周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎ）の中から共振周波数を選択するために送電側共振周波数選択手段２１１を備えている。送電側共振周波数選択手段２１１は、例えば無線電力送電部２１０が有する共振回路のインダクタンスＬや静電容量Ｃを変更することで、共振周波数が選択された周波数に一致するように調整する。それと同時に、選択された周波数の交流電源が無線電力送電部２１０に供給されるように、周波数変換部２１２を制御する。

　一方、複数の無線電力受電部２２０（２２０－１～３）は、それぞれ１つの共振周波数を有している。そして、無線電力送電部２１０で選択された共振周波数を有する無線電力受電部２２０のみが無線電力送電部２１０から無線電力を受電することができる。これにより、無線電力送電部２１０で選択された共振周波数を有する無線電力受電部２２０に接続された負荷１０のみが、電源部２０１から電力が供給される。無線電力送電部２１０の共振周波数として選択可能な複数の周波数ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎには、無線電力受電部２２０の共振周波数が含まれるものとする。

　本実施形態の車両用電源システム２００及び車両用電力伝送装置２０２によれば、複数の無線電力受電部２２０がそれぞれ１つの共振周波数を有するとともに、無線電力送電部２１０が複数の周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎとする）の中から共振周波数を選択できるようにすることで、送電側で電力を供給する負荷１０を選択して供給することが可能となる。すなわち、送電側で電力供給する対象の負荷１０が選択されると、これを接続している無線電力受電部２２０の共振周波数（対象の共振周波数）を求める。そして、無線電力送電部２１０の共振周波数及び周波数変換部２１２から出力される交流電源の周波数が、対象の共振周波数に一致するように、送電側共振周波数選択手段２１１を用いて無線電力送電部２１０及び周波数変換部２１２を調整する。これにより、送電側で選択された負荷１０のみに電力供給することが可能となる。

　（第３実施形態）
　本発明の第３の実施形態に係る車両用電力伝送装置及び車両用電源システムを、図４を用いて説明する。図４は、本実施形態の車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの構成を示すブロック図である。本実施形態の車両用電源システム３００は、電源部３０１と車両用電力伝送装置３０２とを備え、車両用電力伝送装置３０２は、無線電力送電部３１０と無線電力受電部３２０とを備えている。

　本実施形態の車両用電源システム３００では、無線電力送電部３１０及び無線電力受電部３２０が、ともにその共振周波数を複数の周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎとする）の中から選択可能に構成されている。なお、ここでは無線電力送電部３１０が選択可能な周波数と、無線電力受電部３２０が選択可能な周波数とを、ともに同じ複数の周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎ）としているが、必ずしも同じである必要はなく、異なる周波数の組とすることができ、周波数の個数ｎも異なっていてよい。また、複数の無線電力受電部３２０でも、それぞれで選択可能の周波数が異なっていてもよい。

　無線電力送電部３１０がその共振周波数を複数の周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎとする）の中から選択可能であることにより、例えば、車両の走行状態に応じて無線電力を供給するための共振周波数を変更することができる。また、無線電力受電部３２０がその共振周波数を複数の周波数（ｆ１、ｆ２、・・・ｆｎとする）の中から選択可能であることにより、それぞれに接続された負荷１０をどの走行状態のときに起動させるかを無線電力受電部３２０を単位に選択することができる。これにより、車両の走行状態に応じて起動させるべき負荷１０を柔軟に選択することができる。

　なお、本実施の形態における記述は、本発明に係る車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの一例を示すものであり、これに限定されるものではない。本実施の形態における車両用電力伝送装置及び車両用電源システムの細部構成及び詳細な動作等に関しては、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

１０　　　負荷
１００、１００'、２００、３００　　車両用電源システム
１０１、２０１、３０１　　電源部
１０２、２０２、３０２　　車両用電力伝送装置
１０３　　統括制御部
１１０、２１０、３１０　　無線電力送電部
１２０、２２０、３２０　　無線電力受電部
１２１、３２１　　受電側共振周波数選択手段
２１１、３１１　　送電側共振周波数選択手段
２１２、３１２　　周波数変換部

Claims (7)

1. 　所定の電源から電力を入力して無線電力を発生させる無線電力送電部と、
   　前記無線電力送電部から前記無線電力を受電して接続先の負荷に給電する無線電力受電部と、を備え、
   　前記無線電力送電部から前記無線電力受電部への前記無線電力の伝送は、前記無線電力送電部と前記無線電力受電部とが同じ共振周波数で磁気共鳴することで行われることを特徴とする車両用電力伝送装置。
2. 　前記無線電力受電部を２以上備え、
   　前記無線電力受電部のそれぞれが、前記共振周波数で磁気共鳴して前記無線電力送電部から前記無線電力を受電することを特徴とする請求項１に記載の車両用電力伝送装置。
3. 　前記無線電力受電部は、
   　２以上の異なる周波数からいずれか１つを選択して該無線電力受電部の共振周波数がこれに一致するように調整する受電側共振周波数選択手段をそれぞれ備え、
   　前記接続先の負荷に給電するときは、前記受電側共振周波数選択手段を用いて前記無線電力送電部の共振周波数と一致する周波数を該無線電力受電部の共振周波数に選択し、前記接続先の負荷に給電しないときは、前記受電側共振周波数選択手段を用いて前記無線電力送電部の共振周波数と一致しない周波数を該無線電力受電部の共振周波数に選択することを特徴とする請求項１または２に記載の車両用電力伝送装置。
4. 　前記無線電力送電部は、２以上の異なる周波数からいずれか１つを選択して該無線電力送電部の共振周波数がこれに一致するように調整する送電側共振周波数選択手段を備え、
   前記電源から入力した電力を所定の周波数の交流電力に変換して前記無線電力送電部に供給する周波数変換部をさらに備え、
   　前記送電側共振周波数選択手段は、前記無線電力送電部の共振周波数を選択すると、前記交流電力の周波数が前記選択された共振周波数に一致するように前記周波数変換部を制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の車両用電力伝送装置。
5. 　電力を供給する電源部と、
   　請求項１乃至４のいずれか１項に記載の車両用電力伝送装置と、を備えることを特徴とする車両用電源システム。
6. 　前記電源部は、１以上の周波数の交流電力を前記車両用電力伝送装置に供給することを特徴とする請求項５に記載の車両用電源システム。
7. 　前記電源部は、直流電力を供給する直流電源と、前記直流電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータとを備えることを特徴とする請求項５に記載の車両用電源システム。

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