WO2014054358A1

WO2014054358A1 - 非接触給電システム

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Publication number: WO2014054358A1
Application number: PCT/JP2013/073027
Authority: WO
Inventors: 祐司前川
Original assignee: 株式会社Ihi
Priority date: 2012-10-01
Filing date: 2013-08-28
Publication date: 2014-04-10
Also published as: US20170264102A1; CN104737415B; US20150200550A1; CN104737415A; EP2905872B1; EP2905872A4; US10476314B2; JP6111583B2; US9711971B2; EP2905872A1; JP2014073040A

Abstract

地上に設けられた給電コイル（４）と、給電コイル（４）の上方に位置する受電コイル（１１）とを備え、給電コイル（４）から受電コイル（１１）に非接触給電によって電力供給を行う非接触給電システムであって、給電コイル（４）を覆うように設けられ、膨張することによって給電コイル（４）と受電コイル（１１）との間の空間を占拠する柔軟性カバー（５）を備え、柔軟性カバー（５）は、膨張時に、自らの上に存在する異物を排除し得る特定形状を経て給電コイル（４）と受電コイル（１１）との間の空間を占拠する。

Description

非接触給電システム

　　本発明は、非接触給電システムに関する。
　本願は、２０１２年１０月１日に日本国に出願された特願２０１２－２１９２７６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

　特許文献１には、電動車の二次コイル（受電コイル）に非接触給電する一次コイル（給電コイル）を備え、電動車の停止位置がずれても給電効率を損なうことなく給電できる非接触給電装置が開示されている。この非接触給電装置は、前方の下部に開口が設けられ、この開口から水平方向に進退自在に駆動されると共に一次コイルが内蔵された平板状の一次コイル保持体を備え、電動車の二次コイルの下方に一次コイル保持体を水平移動することにより二次コイルと一次コイルとを対向させて非接触給電を行う。また、この非接触給電装置において、この開口の上縁部は、一次コイル保持体の上面に対して摺動可能に接触し、一次コイル保持体上（一次コイルの上方）に異物が乗ってしまった場合でも、その異物を除去できる。

日本国特開２０１０－７００４８号公報

　上記従来技術では、一次コイルが内蔵される一次コイル保持体が水平可動することによって一次コイル保持体上（一次コイルの上方）に存在する異物を除去できるが、必ずしも一次コイルが水平可動可能な場所に設置されているとは限らない。例えば、上記従来技術では、一次コイルが地面に埋設されている場合には、一次コイルを水平移動する空間がないので、一次コイルの上方に存在する異物を除去できない。

　本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、一次コイル（給電コイル）を移動できない場合であっても、給電コイルの上方に存在する異物を除去することを目的とする。

　本発明の非接触給電システムに係る第１の態様は、地上に設けられた給電コイルと、前記給電コイルの上方に位置する受電コイルとを備え、前記給電コイルから前記受電コイルに非接触給電によって電力供給を行う非接触給電システムであって、前記給電コイルを覆うように設けられ、膨張することによって前記給電コイルと前記受電コイルとの間の空間を占拠する柔軟性カバーを備え、前記柔軟性カバーは、膨張時に、自らの上に存在する異物を排除し得る特定形状を経て前記給電コイルと前記受電コイルとの間の空間を占拠する。

　本発明の非接触給電システムに係る第２の態様は、上記第１の態様において、前記柔軟性カバーは、内部空間が複数の領域に分割され、給電時には、一部の領域からはじまって、前記給電コイルの上面に対して垂直方向から見て放射方向に隣接する領域に時間をずらしながらガスを順次供給するガス供給手段を備える。

　本発明の非接触給電システムに係る第３の態様は、上記第２の態様において、前記柔軟性カバーは、前記給電コイルの上面に対して垂直方向から見て同心円状に複数の領域に分割され、前記ガス供給手段は、前記柔軟性カバーにおける中心円の領域からはじまって、隣接する領域に時間をずらしながらガスを順次供給する。

　本発明の非接触給電システムに係る第４の態様は、上記第２の態様において、前記柔軟性カバーは、前記給電コイル上を覆う錐形状の領域と、前記錐形状の領域の周囲の領域とに分割され、前記ガス供給手段は、前記錐形状の領域からはじまって、前記錐形状の領域が膨張してから前記周囲の領域にガスを供給する。

　本発明によれば、前記柔軟性カバーが、膨張時に、自らの上に存在する異物を排除し得る特定形状となるので、前記給電コイルを移動できない場合であっても、前記給電コイルの上方に存在する異物を除去できる。また、本発明によれば、前記柔軟性カバーが、膨張することによって前記給電コイルと前記受電コイルとの間の空間を占拠する状態となるので、前記給電コイルと前記受電コイルとの間の空間に異物が侵入することを防止できる。

本発明の第１の実施形態に係る非接触給電システムの機能構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態における柔軟性カバーの内部空間の分割された領域を示す模式図である。本発明の第１の実施形態における柔軟性カバーの内部空間の分割された領域を示す模式図である。本発明の第１の実施形態における柔軟性カバーが膨張する過程を示す模式図である。本発明の第１の実施形態における柔軟性カバーが膨張する過程を示す模式図である。本発明の第１の実施形態における柔軟性カバーが膨張する過程を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る非接触給電システムにおける柔軟性カバーの内部空間の分割された領域を示す模式図である。本発明の第２の実施形態に係る非接触給電システムにおける柔軟性カバーの内部空間の分割された領域を示す模式図である。

　以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
〔第1実施形態〕
　初めに第１の実施形態について説明する。第１の実施形態に係る非接触給電システムは、図１に示すように、地面に埋設された地上給電装置Ｓ及び地上給電装置Ｓから給電を受ける車両Ｍを備えている。このような非接触給電システムは、非接触給電方式の１つである磁界共鳴方式に基づいて地上給電装置Ｓから車両Ｍに電力を非接触給電する。

　地上給電装置Ｓは、例えば交差点または踏切における停車位置、あるいは駐車場の駐車位置等に埋設され、これら駐停車位置に駐停車した車両Ｍに対して非接触給電を行う。このような地上給電装置Ｓは、図１に示すように、電源１、整流回路２、給電回路３、給電コイル４、柔軟性カバー５、給電用ガス給排気機構６及び給電用制御部７を備えている。なお、給電用ガス給排気機構６及び給電用制御部７は、本実施形態におけるガス供給手段である。

　電源１は、出力端が整流回路２の入力端に接続されており、車両Ｍへの給電に必要となる交流電力を整流回路２に供給する交流電源である。このような電源１は、例えば２００Ｖまたは４００Ｖ等の三相交流電力、あるいは１００Ｖの単相交流電力を供給する系統電源である。
　整流回路２は、入力端が電源１に接続され、出力端が給電回路３に接続されている。このような整流回路２は、電源１から供給される交流電力を整流して直流電力に変換し、この直流電力を給電回路３に出力する。

　給電回路３は、入力端が整流回路２に接続され、出力端が給電コイル４の両端に接続されている。このような給電回路３は、給電コイル４と給電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備え、給電用制御部７から入力される制御指令に基づいて整流回路２から供給された直流電力を電源１の交流電力よりも周波数が高い交流電力（高周波電力）に変換して給電コイル４に供給する一種のインバータである。

　給電コイル４は、所定のコイル径を有するヘリカルコイルであり、コイル軸を上下方向（垂直方向）とした姿勢、かつ、地表面上に露出した状態あるいはプラスチック等の非磁性材料によってモールドされた状態で上述した駐停車位置に設置されている。このような給電コイル４は、両端が給電回路３の出力端に接続されており、上記給電回路３から高周波電力が供給されることにより磁界を発生することによって車両Ｍに対して非接触で給電を行う。

　柔軟性カバー５は、ゴム等の伸縮自在な弾性材を膜状に成形した一種の風船であり、給電コイル４を内包する状態で地面に設置されている。また、柔軟性カバー５は、密閉されており、給電用ガス給排気機構６からガス（例えば空気）が供給されると、給電コイル４の周囲に膨張する（図３Ｃ参照）。このような柔軟性カバー５は、内部空間が複数の領域に分割されている。すなわち、この柔軟性カバー５の内部空間は、図２Ａ、図２Ｂに示すように、給電コイル４の上面４ａに対して垂直方向から見て同心円状に４つの領域５ａ～５ｄに分割されている。なお、図２Ａは、柔軟性カバー５の膨張途中の状態（図３Ｂと同じ）における側面の断面図であり、図２Ｂは、平面における断面図である。また、本実施形態では、柔軟性カバー５の内部空間が４つの領域５ａ～５ｄに分割されているが、分割数は４つに限らず、複数であればよい。

　給電用ガス給排気機構６は、給電用制御部７から入力される制御指令に基づいて柔軟性カバー５内にガスを供給すると共に柔軟性カバー５からガスを排気する一種のポンプである。このような給電用ガス給排気機構６は、４本の給排気管を有し、各給排気管が柔軟性カバー５における各領域５ａ～５ｄに接続されている。

　給電用制御部７は、マイクロプロセッサやメモリ等を備え、所定の給電用制御プログラムに基づいて機能するソフトウエア型制御装置であり、給電回路３及び給電用ガス給排気機構６を制御する。このような給電用制御部７の詳細処理については後述する動作説明の中で説明する。

　車両Ｍは、運転者によって運転されて道路上を走行する自動車であり、例えば電力を動力源として走行する電気自動車やハイブリッド自動車である。このような車両Ｍは、図１に示すように、受電コイル１１、受電回路１２、充電回路１３、バッテリ１４及び受電用制御部１５を備えている。なお、図１では省略しているが、車両Ｍは、走行モータ、操作ハンドル及びブレーキ等の走行に必要な構成要素を当然に備える。

　受電コイル１１は、地上給電装置Ｓの給電コイル４と略同一のコイル径を有するヘリカルコイルであり、給電コイル４と対向可能なようにコイル軸が上下方向（垂直方向）となる姿勢で車両Ｍの底部に設けられている。このような受電コイル１１は、両端が受電回路１２の入力端に接続されており、給電コイル４の磁界が作用すると電磁誘導によって起電力を発生し、この起電力を受電回路１２に出力する。

　受電回路１２は、入力端が受電コイル１１の両端に接続され、出力端が充電回路１３の入力端に接続されている。このような受電回路１２は、受電コイル１１と受電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備え、受電コイル１１から供給された交流電力を直流電力に変換して充電回路１３に供給する一種の整流回路である。なお、受電回路１２の共振用コンデンサの静電容量は、給電側共振回路の共振周波数と受電側共振回路の共振周波数とが同一周波数になるように設定されている。

　充電回路１３は、入力端が受電回路１２の出力端に接続され、出力端がバッテリ１４の入力端に接続されており、受電回路１２から供給される電力（直流電力）をバッテリ１４に充電する。バッテリ１４は、車両Ｍに搭載された再充電が可能な電池（例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池）であり、図示しない走行モータ等に駆動電力を供給する。受電用制御部１５は、マイクロプロセッサやメモリ等を備え、所定の受電用制御プログラムに基づいて機能するソフトウエア型制御装置であり、充電回路１３を制御する。

　次に、このように構成された第１の実施形態に係る非接触給電システムの動作について説明する。
　最初に、非給電時における車両Ｍ及び地上給電装置Ｓの動作について説明する。車両Ｍの受電用制御部１５は、非給電時（例えばユーザによる車両Ｍの通常運転時）に、充電回路１３を停止させる。一方、地上給電装置Ｓの給電用制御部７は、非給電時、つまり給電対象である車両Ｍが駐停車位置に停車していない時に、給電回路３を停止すると共に、柔軟性カバー５が完全に収縮するように給電用ガス給排気機構６に柔軟性カバー５内のガスを排気させる。

　その後、ユーザは、車両Ｍを運転して、地上給電装置Ｓの設置場所まで車両Ｍを移動させて停車させる。車両Ｍの受電用制御部１５は、不図示の音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から地上給電装置Ｓの設置位置を把握する。受電用制御部１５は、上記のように音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から地上給電装置Ｓの上方まで移動したことを検知すると、充電回路１３に充電動作を開始させる。

　一方、地上給電装置Ｓの給電用制御部７は、車両Ｍと同じく不図示の音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から車両Ｍの位置を把握する。給電用制御部７は、音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から地上給電装置Ｓの上方に車両Ｍが移動してきたことを検知すると、柔軟性カバー５が完全に膨張するように給電用ガス給排気機構６にガスを供給させる。

　ここで、給電用制御部７は、領域５ａからはじまって、給電コイル４の上面４ａに対して垂直方向から見て放射方向に隣接する領域５ｂ、５ｃ、５ｄという順に時間をずらしながら給電用ガス給排気機構６にガスを供給させる。つまり、給電用制御部７は、柔軟性カバー５における中心円の領域５ａからはじまって、隣接する領域５ｂ、５ｃ、５ｄという順に時間をずらしながら給電用ガス給排気機構６にガスを供給させる。

　このように柔軟性カバー５は、領域５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄという順に時間がずれてガスが供給されるので、膨張する過程において、自らの上に存在するごみ等の異物を排除し得る特定形状となる。つまり、柔軟性カバー５は、ガスの供給前、図３Ａに示すように、ガスが完全に排気されているので潰れたドーム形状になっているが、ガスの供給が開始されると、領域５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄという順に時間がずれてガスが供給されることによって、領域５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄという順に盛り上がって、図３Ｂに示すように、一点の頂点５ｅから縁部５ｆに掛けて急峻な傾斜を有する形状となる。このため、異物は、図３Ｂに示すように柔軟性カバー５における傾斜を下って、柔軟性カバー５表面から排除される。

　その後、柔軟性カバー５は、各領域５ａ～５ｄにガスが十分に供給されて膨張することで給電コイル４と受電コイル１１との間の空間を占拠する。つまり、柔軟性カバー５は、図３Ｃに示すように、膨張することによって車両Ｍの底面から露出する受電コイル１１の下面及び側面に当接するように受電コイル１１を覆う。これによって、本実施形態は、給電コイル４と受電コイル１１との間の空間に異物が侵入することを防止できる。

　そして、給電用制御部７は、給電用ガス給排気機構６に一定量のガスを供給させてカバーの膨張が完了すると、給電回路３に給電動作を開始させる。一方、車両Ｍの受電用制御部１５は、バッテリ１４の充電状態を監視しながら充電回路１３を制御することにより、バッテリ１４を適切に充電する。受電用制御部１５は、バッテリ１４が満充電状態となったことを検知すると、図示しない表示器等によってバッテリ１４が満充電状態になったことを通知する。そして、ユーザは、図示しない表示器等により満充電状態となったことを認識すると、車両Ｍを運転して、地上給電装置Ｓの設置場所から移動する。

　一方、地上給電装置Ｓの給電用制御部７は、不図示の音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から車両Ｍが移動したことを検知すると、給電回路３の制御を停止すると共に、給電用ガス給排気機構６を制御して柔軟性カバー５を完全に収縮させる。

　このような第１の実施形態に係る非接触給電システムよれば、柔軟性カバー５が、膨張時に、自らの上に存在する異物を排除し得る急峻な傾斜を有する形状となるので、給電コイル４を可動できない場合であっても、給電コイル４の上方に存在する異物を除去できる。また、第１の実施形態に係る非接触給電システムによれば、柔軟性カバー５が、膨張することによって給電コイル４と受電コイル１１との間の空間を占拠するので、給電コイル４と受電コイル１１との間の空間に異物が侵入することを防止できる。
　また、柔軟性カバー５がゴム等の非導電性かつ非磁性の材料から形成されているので、給電コイル４が発生し受電コイル１１に作用する磁界は柔軟性カバー５の影響を受けることが無く、非接触給電の効率は低下しない。

〔第２実施形態〕
　次に、第２の実施形態に係る非接触給電システムについて説明する。
　第２の実施形態に係る非接触給電システムは、第１実施形態の柔軟性カバー５に代えて柔軟性カバー２５を備え、また第１実施形態の給電用ガス給排気機構６に代えてガス給排気機構２６を備える。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

　第２実施形態における柔軟性カバー２５は、図４Ａ、図４Ｂに示すように、膨張時、内部空間が給電コイル４上を覆う円錐形状の領域２５ａと、領域２５ａの周囲の領域２５ｂとに分割されている。なお、本実施形態では、領域２５ａが円錐形状であるが、これは給電コイル４の上面４ａの形状（円形）に合わせたためであり、例えば、給電コイル４の上面４ａが四角形であれば、給電コイル４の上面４ａの形状に合わせて四角錐形状にしてもよい。一方、給電用ガス給排気機構２６は、２本の給排気管を有し、各給排気管が柔軟性カバー２５における各領域２５ａ、２５ｂに接続されている。

　次に、このように構成された第２の実施形態係る非接触給電システムの動作について説明する。なお、第１実施形態と同様の動作については説明を省略する。
　地上給電装置Ｓの給電用制御部７は、不図示の音波センサあるいは光センサ等の位置センサの出力から地上給電装置Ｓの上方に車両Ｍが移動してきたことを検知すると、柔軟性カバー２５が完全に膨張するように給電用ガス給排気機構２６にガスを供給させる。

　ここで、給電用制御部７は、円錐形状の領域２５ａからはじまって、給電コイル４の上面４ａに対して垂直方向から見て放射方向に隣接する領域２５ｂに時間をずらしながら順次給電用ガス給排気機構２６にガスを供給させる。つまり、給電用制御部７は、円錐形状の領域２５ａからはじまって、円錐形状の領域２５ａが完全に膨張してから周囲の領域２５ｂにガスを供給するように給電用ガス給排気機構２６を制御する。

　これによって、柔軟性カバー２５は、膨張する過程において、自らの上に存在する異物を排除し得る特定形状となる。つまり、柔軟性カバー２５は、ガスの供給が開始されると、円錐形状の領域２５ａのみが膨張することで、一点の頂点２５ｃから縁部２５ｄにかけて急峻な傾斜を有する形状となる。このため、異物は、柔軟性カバー２５における急峻な傾斜を下って、柔軟性カバー２５表面から排除される。

　そして、柔軟性カバー２５は、円錐形状の領域２５ａの膨張後、領域２５ｂにガスが供給されて膨張することによって給電コイル４と受電コイル１１との間の空間を占拠する。
つまり、柔軟性カバー２５は、図４Ａに示すように、膨張することによって車両Ｍの底面から露出する受電コイル１１の下面及び側面に当接するように受電コイル１１を覆う。これによって、本実施形態は、給電コイル４と受電コイル１１との間の空間に異物が侵入することを防止できる。

　このような第２の実施形態に係る非接触給電システムによれば、柔軟性カバー２５が、膨張時に、自らの上に存在する異物を排除し得る急峻な傾斜を有する形状となるので、給電コイル４を移動できない場合であっても、給電コイル４の上方に存在する異物を除去できる。また、本実施形態によれば、柔軟性カバー２５が、膨張することによって給電コイル４と受電コイル１１との間の空間を占拠するので、給電コイル４と受電コイル１１との間の空間に異物が侵入することを防止できる。
また、柔軟性カバー５がゴム等の非導電性かつ非磁性の材料から形成されているので、給電コイル４が発生し受電コイル１１に作用する磁界は柔軟性カバー５の影響を受けることが無く、非接触給電の効率は低下しない。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記第１，２実施形態では、柔軟性カバー５、２５の内部空間が複数の領域（領域５ａ～５ｄあるいは領域２５ａ、２５ｂ）に分割されて、給電用ガス給排気機構６、２６によって時間をずらしながら各領域にガスを供給することによって、異物の除去を実現したが本発明はこれに限定されない。

　例えば、柔軟性カバー５の内部空間を複数の領域に分割する分割方法（分割数や分割された領域の形状）については、上記第１，２実施形態以外の方法で分割してもよい。また、柔軟性カバー５の内部空間を分割せずに１つの領域からなっている場合であっても、膨張前に頂点から縁部にかけて傾斜を有する形状に、柔軟性カバーを成形しておけば、給電コイル４の上方に存在する異物を除去することができる。この際、給電用ガス給排気機構６は、一定の割合で柔軟性カバー内の内部空間にガスを供給する。また、柔軟性カバーは、一点を頂点とせずに、一対の斜面からなる屋根型形状となるようにして、給電コイル４の上方に存在する異物を除去してもよい。さらに、柔軟性カバーは、一対の斜面ではなく、１つの斜面と、垂直面からなる形状となるようにして、給電コイル４の上方に存在する異物を除去してもよい。

（２）上記実施形態において、ジャミング転移現象を利用してもよい。つまり、柔軟性カバー５、２５内にガスと共に紛体を供給することにより柔軟性カバー５、２５内を粉体で満たすと共に柔軟性カバー５、２５を膨張させて受電コイル１１を覆い、その後、柔軟性カバー５、２５内のガスのみを排気することによって柔軟性カバー５、２５内の紛体を疑似的に固形物化する。この状態において紛体は給電コイル４及び受電コイル１１を覆う状態で固形化されるので、給電コイル４と受電コイル１１との間の空間を占拠することができる。

（３）上記実施形態では、非接触給電する方法として磁界共鳴方式を採用したが、電磁誘導方式を採用してもよい。
　給電コイル４および受電コイル１１はヘリカルコイルに限られず、非接触給電が可能であれば、ソレノイドコイルやサーキュラーコイルなど他のコイル方式であってもよいし、給電コイル４と受電コイル１１の形状・大きさが異なっていてもよい。

　本発明の非接触給電システムによれば、給電コイルと受電コイルとの間の空間に異物が侵入することを防止できる。

　　Ｓ　地上給電装置
Ｍ　車両
１　電源
２　整流回路
３　給電回路
４　給電コイル
５、２５　柔軟性カバー
６、２６　給電用ガス給排気機構（ガス供給手段）
７　給電用制御部（ガス供給手段）
１１　受電コイル
１２　受電回路
１３　充電回路
１４　バッテリ
１５　受電用制御部
４ａ　上面
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ　領域
５ｃ　頂点
５ｄ　縁部
２５ｃ　頂点
２５ｄ　縁部

Claims

　地上に設けられた給電コイルと、前記給電コイルの上方に位置する受電コイルとを備え、前記給電コイルから前記受電コイルに非接触給電によって電力供給を行う非接触給電システムであって、
　前記給電コイルを覆うように設けられ、膨張することによって前記給電コイルと前記受電コイルとの間の空間を占拠する柔軟性カバーを備え、
　前記柔軟性カバーは、膨張時に、自らの上に存在する異物を排除し得る特定形状を経て前記給電コイルと前記受電コイルとの間の空間を占拠する非接触給電システム。
　前記柔軟性カバーは、内部空間が複数の領域に分割され、
　給電時には、一部の前記領域からはじまって、前記給電コイルの上面に対して垂直方向から見て放射方向に隣接する領域に時間をずらしながらガスを順次供給するガス供給手段を備える請求項１に記載の非接触給電システム。
　前記柔軟性カバーは、前記給電コイルの上面に対して垂直方向から見て同心円状に複数の領域に分割され、
　前記ガス供給手段は、前記柔軟性カバーにおける中心円の領域からはじまって、隣接する領域に時間をずらしながらガスを順次供給する請求項２に記載の非接触給電システム。
　前記柔軟性カバーは、給電コイル上を覆う錐形状の領域と、前記錐形状の領域の周囲の領域とに分割され、
　前記ガス供給手段は、前記錐形状の領域からはじまって、前記錐形状が膨張してから前記周囲の領域にガスを供給する請求項２に記載の非接触給電システム。