WO2014175205A1

WO2014175205A1 - 給電システム

Info

Publication number: WO2014175205A1
Application number: PCT/JP2014/061142
Authority: WO
Inventors: 柳田　曜
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2014-04-21
Publication date: 2014-10-30
Anticipated expiration: 2015-10-22
Also published as: JP2014217078A

Abstract

　本発明の目的は、磁気共鳴により非接触給電を行う給電システムにおいて、安価に位置ズレによる伝送効率の低減を防止することである。給電側、受電側駆動機構（２４）、（３４）が、給電側、受電側共鳴コイル（２２Ａ）、（３１Ａ）を駆動する。給電側マイコン（２５）が、給電側、受電側駆動機構（２４）、（３４）を制御して給電側、受電側共鳴コイル（２２Ａ）、（３１Ａ）のコイル軸の傾きを連続的に変動させ、その間の給電側共鳴コイル（２２Ａ）での反射電力を測定する。給電側マイコン（２５）は、測定した反射電力が最も小さい傾きに給電側、受電側共鳴コイル（２２Ａ）、（３１Ａ）のコイル軸を傾ける。

Description

給電システム

　本発明は、給電システムに係り、特に、磁界共鳴により非接触給電を行う一対の共鳴コイルを備えた給電システムに関するものである。

　近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が注目されている。このワイヤレス給電技術の一つとして例えば共鳴式のものがある。

　この共鳴式の給電システムでは、互いに磁界共鳴する一対の共鳴コイルの一方を給電設備の地面に設置し、他方を車両に搭載して、給電設備の地面に設置された共鳴コイルから車両に搭載された共鳴コイルに非接触で電力を供給している。

　上述した給電システムでは、高効率で電力給電を行うために、一対の共鳴コイルが正対していることが望ましい。しかしながら、上述したように一対の共鳴コイルの一方は車両に搭載されているため、一対の共鳴コイルを正対位置に配置することが難しい、という問題があった。このため、従来では、一対の共鳴コイルが正対位置からズレた状態で、給電が行われ、伝送効率の低下を招いていた。

　そこで、一対の共鳴コイルの相対位置を検出する光センサなどを設け、検出した相対位置に応じて一対の共鳴コイルのコイル軸の傾きを調整するものが記載されている（特許文献１）。しかしながら、光センサは、泥などが付着すると検出ができなくなるため、車両に搭載するのには向いていない。

　また、特許文献１には、共鳴コイルの近傍に磁界強度センサを設けて、磁界強度を検出し、磁界強度が大きくなるように、共鳴コイルの傾きを調整することも開示されている。しかしながら、安価な磁界強度センサでは、磁界共鳴のような大きな磁界を検出することができない、という問題があった。また、光センサを用いた場合も、磁界強度センサを用いた場合も、別途センサを設ける必要があり、コスト的に問題がある。

特開２０１２－１９１６９９号公報

　そこで、本発明は、安価に位置ズレによる伝送効率の低減を防止できる給電システムを提供することを課題とする。

　上述した課題を解決するための請求項１記載の発明は、磁界共鳴により非接触給電を行う一対の共鳴コイルを備えた給電システムにおいて、コイル軸の傾きが変動するように、前記一対の共鳴コイルの少なくとも一方を駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御して前記共鳴コイルのコイル軸の傾きを連続的に変動させる第１制御手段と、前記第１制御手段により前記共鳴コイルのコイル軸を連続的に変動させている間の前記一対の共鳴コイルの少なくとも一方での反射電力又は出力電力を測定する測定手段と、前記駆動手段を制御して前記測定手段により測定した反射電力が最も小さい又は出力電力が最も大きい傾きに前記共鳴コイルのコイル軸を傾ける第２制御手段と、を備えたことを特徴とする給電システムに存する。

　請求項２記載の発明は、前記駆動手段が、前記共鳴コイルを支持する一対のラックと、前記一対のラックに噛み合う歯車と、から構成され、前記歯車は、回転により前記一対のラックの一方が長手方向一方側に向かい、他方が長手方向他方側に向かうように設けられていることを特徴とする請求項１に記載の給電システムに存する。

　以上説明したように請求項１記載の発明によれば、第２制御手段が、駆動手段を制御して測定手段により測定した反射電力が最も小さい又は出力電力が最も大きい傾きに共鳴コイルのコイル軸を傾ける。これにより、別途センサを設ける必要がなく、安価に位置ズレによる伝送効率の低減を防止できる。

　請求項２記載の発明によれば、簡単な構成でコイル軸の傾きが変動するように、共鳴コイルを駆動させることができる。

本発明の給電システムの一実施形態を示す電気構成図である。図１に示す給電システムを構成する給電側、受電側コイルユニットの斜視図である。図２に示す給電側、受電側コイルユニットの駆動機構を示す側面図である。本発明の給電システムの動作を説明するための図である。図１に示す給電システムを構成するマイコンの処理手順を示すフローチャートである。

　以下、本発明の給電システムについて図１～図３を参照して説明する。図１に示すように、給電システム１は、車両の駐車スペースに配置される給電部２と、車両に搭載された受電部３と、を備えている。

　上記給電部２は、図１に示すように、電源としての高周波電源２１と、高周波電源２１からの高周波電力が供給される給電側コイルユニット２２と、共振周波数を調整するための給電側コンデンサＣ１と、整合器２３と、を備えている。

　上記高周波電源２１は、高周波電力を生成して、給電側コイルユニット２２に供給している。この高周波電源２１により生成される高周波電力は、後述する共鳴コイルとしての給電側共鳴コイル２２Ａ及び受電側共鳴コイル３１Ａの共鳴周波数と等しくなるように設けられている。

　給電側コイルユニット２２は、図２に示すように、高周波電源２１から高周波電力が供給される給電側共鳴コイル２２Ａと、給電側共鳴コイル２２Ａが搭載される基板２２Ｂと、給電側共鳴コイル２２Ａ及び基板２２Ｂを収容する給電側シールドケース２２Ｃと、を備えている。

　給電側共鳴コイル２２Ａは、平板状の基板２２Ｂ上に搭載され、導線をスパイラル状に巻いて形成されている。給電側シールドケース２２Ｃは、銅やアルミといった導電性の高い金属シールドから構成されている。この給電側シールドケース２２Ｃは、底壁２２Ｃ１と、底壁２２Ｃ１の周縁から立設する周壁２２Ｃ２と、から構成され、受電部３側が開口された箱型に設けられている。

　上記給電側コンデンサＣ１は、図１に示すように、例えば給電側共鳴コイル２２Ａと直列に接続され、給電側共鳴コイル２２Ａと共に共振回路を形成している。本実施形態では、給電側コンデンサＣ１は給電側共鳴コイル２２Ａと直列接続しているが、並列接続するようにしてもよい。

　整合器２３は、高周波電源２１と、給電側共鳴コイル２２Ａ及び給電側コンデンサＣ１から成る共振回路と、の間のインピーダンスを整合させるための回路である。整合器２３は、コイルＬ１及びＬ２と、両端に印加される電圧に応じて容量が変化するバラクタＣ３及びＣ４と、を備えている。このバラクタＣ３及びＣ４の容量を調整することにより、インピーダンスが整合するように調整できる。

　受電部３は、図１に示すように、給電側コイルユニット２２から非接触で受電する受電側コイルユニット３１と、共振周波数を調整するための受電側コンデンサＣ２と、受電側コイルユニット３１が受電した高周波電力を直流電力に変換する整流器３２と、整流器３２により変換された直流電力が供給される車載バッテリ３３と、を備えている。

　受電側コイルユニット３１は、図３に示すように、給電側共鳴コイル２２Ａと磁界共鳴する受電側共鳴コイル３１Ａと、受電側共鳴コイル３１Ａが搭載される基板３１Ｂと、受電側共鳴コイル３１Ａ及び基板３１Ｂを収容する受電側シールドケース３１Ｃと、を備えている。

　受電側共鳴コイル３１Ａは、平板状の基板３１Ｂ上に搭載され、導線をスパイラル状に巻いて形成されている。受電側シールドケース３１Ｃは、銅やアルミといった導電性の高い金属シールドから構成されている。この受電側シールドケース３１Ｃは、底壁３１Ｃ１と、底壁３１Ｃ１の周縁から立設する周壁３１Ｃ２と、から構成され、給電部２側が開口された箱型に設けられている。

　上記受電側コンデンサＣ２は、図１に示すように、例えば受電側共鳴コイル３１Ａと直接に接続され、受電側共鳴コイル３１Ａと共に共振回路を形成している。本実施形態では、受電側コンデンサＣ２は受電側共鳴コイル３１Ａと直列接続しているが、並列接続するようにしてもよい。整流器３２は、ダイオードＤ１～Ｄ４をブリッジ接続した全波整流回路３２Ａと、コンデンサＣ５と、から構成されている。

　上述した給電システム１によれば、車両の受電部３が給電設備の地面に設けた給電部２に近づいて、給電側共鳴コイル２２Ａと受電側共鳴コイル３１Ａとが対向する。このとき、給電側共鳴コイル２２Ａに高周波電流が供給されると、給電側共鳴コイル２２Ａと受電側共鳴コイル３１Ａとが磁界共鳴して、受電側共鳴コイル３１Ａが高周波電力を受電する。受電側共鳴コイル３１Ａで受電された高周波電力は、整流器３２で直流電力に変換されて、車載バッテリ３３に充電される。

　上述した給電システム１において、受電部３は車両に搭載されている。このため、図４（Ａ）に示すように、給電側共鳴コイル２２Ａと受電側共鳴コイル３１Ａとのコイル軸Ｚ１、Ｚ２がズレて配置される恐れがある。図４（Ａ）のように軸ズレが生じると、電力の伝送効率が下がってしまう。本実施形態では、図４（Ａ）に示すように軸ズレが生じた場合、図４（Ｂ）に示すように、給電側共鳴コイル２２Ａ及び受電側共鳴コイル３１Ａのコイル軸Ｚ１、Ｚ２を傾けて正対位置に近づけて、軸ズレを小さくし、伝送効率の低減を防止している。

　そこで、上述した給電システム１は、コイル軸Ｚ１、Ｚ２の傾きが変動するように、給電側及び受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａを各々駆動する駆動手段としての給電側及び受電側駆動機構２４、３４（図３）と、給電側、受電側駆動機構２４、３４を各々制御する給電側、受電側マイクロコンピュータ（以下給電側、受電側マイコン）２５、３５（図１）と、整流器３２と給電側コイルユニット２２との間に設けられた測定手段としての反射電力測定部２６（図１）と、をさらに備えている。

　上記給電側、受電側駆動機構２４、３４について図３を参照して説明する。なお、給電側コイルユニット２２と受電側コイルユニット３１、給電側駆動機構２４と受電側駆動機構２４、３４、は、互いに同等の構成であり、説明を省略するために、図３では１つの図に給電側、受電側の２つの符号を付している。

　給電側、受電側駆動機構２４、３４はそれぞれ、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａが搭載された基板２２Ｂ、３１Ｂを支持する一対のラック４、５と、一対のラックに噛み合う歯車６と、歯車６を回転させるモータＭと、モータＭを駆動するモータドライバＤと、から構成されている。一対のラック４、５は、一端がシールドケース２２Ｃ、３２Ｃに設けた孔からシールドケース２２Ｃ、３２Ｃ内に挿入され、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａが搭載された基板２２Ｂ、３１Ｂに固定されている。

　歯車６は、一対のラック４、５間に位置付けられている。これにより、歯車６が回転すると、一対のラック４、５の一方が長手方向一方側に向かい、他方が長手方向他方側に向かうように設けられている。

　詳しく説明すると、図３中、歯車６が時計回りに回転すると、右側のラック５が下がり、左側のラック４が上がり、右肩下がりに給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａが傾く。これに対して、歯車６が反時計周りに回転すると、右側のラック５が上がり、左側のラック４が下がり、右肩上がりに給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａが傾く。

　モータＭは、回転軸が歯車６に固定されていて、歯車６を回転させる。モータドライバＤは、給電側、受電側マイコン２５、３５からの制御信号に応じてモータＭを駆動させる。これら給電側、受電側マイコン２５、３５は、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＣＰＵから構成される周知のマイクロコンピュータから構成され、アンテナＡＴにそれぞれ接続されており、互いに通信することができる。

　反射電力測定部２６は、例えばサーキュレータから構成され、高周波電源２１から供給される高周波電力のうち給電側共鳴コイル２２Ａで反射される反射電力を検出して、給電側マイコン２５に供給する。

　次に、上述した構成の給電システム１の動作について図５のフローチャートを参照して説明する。まず、車両が給電設備に近づいて、給電側共鳴コイル２２Ａと受電側共鳴コイル３１Ａとが対向する位置に配置されると、給電側マイコン２５は処理を開始する。

　まず、給電側マイコン２５は、ステップＳ１～Ｓ７を順次行い、充電を開始させる前に、軸ズレが小さくなるように給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａを傾ける。まず、ステップＳ１において、給電側マイコン２５は、高周波電源２１を制御して高周波電力を給電側共鳴コイル２２Ａに供給させる。このとき、給電側マイコン２５は、通常の充電時よりも小電力が出力されるように高周波電源２１を制御する。

　次に、給電側マイコン２５は、反射電力測定部２６により測定された反射電力を測定できるようにする（ステップＳ２）。さらに、給電側マイコン２５は、第１制御手段として働き、モータＭを制御して、給電側共鳴コイル２２Ａのコイル軸の傾きを予め定めた範囲内で連続的に駆動させる（ステップＳ３）。

　給電側マイコン２５は、第２制御手段として働き、給電側共鳴コイル２２Ａを連続的に駆動している間に測定した反射電力のうち最も小さい傾きを求め、モータＭを制御して求めた傾きに給電側共鳴コイル２２Ａを傾ける（ステップＳ４）。次に、給電側マイコン２５は、第１制御手段として働き、アンテナＡＴを介して受電側マイコン３５と通信し、受電側共鳴コイル３１Ａのコイル軸の傾きを予め定めた範囲内で連続的に駆動させるように命令する（ステップＳ５）。

　受電側マイコン３５は、上記命令を受信すると、モータＭを制御して、受電側共鳴コイル３１Ａのコイル軸の傾きを予め定めた範囲内で連続的に駆動させると共に、受電側共鳴コイル３１Ａのコイル軸の傾きを逐次、給電側マイコン２５に送信する。

　給電側マイコン２５は、受電側共鳴コイル３１Ａの傾きを逐次受信することにより、受電側共鳴コイル３１Ａの傾きとそのときの反射電力との関係を把握することができる。給電側マイコン２５は、第２制御手段として働き、受電側共鳴コイル３１Ａを連続的に駆動している間に測定した反射電力のうち最も小さい傾きを求め、求めた傾きに受電側共鳴コイル３１Ａを傾けるように受電側マイコン３５に命令する（ステップＳ６）。この命令を受信すると、受電側マイコン３５は、求めた傾きに受電側共鳴コイル３１Ａを傾けるようにモータＭを制御する。

　次に、給電側マイコン２５は、整合器２３のバラクタＣ３、Ｃ４を連続的に駆動させて、その間の反射電力を測定し、最小となる値にバラクタを調整する（ステップＳ７）。その後、給電側マイコン２５は、高周波電源２１から通常の高周波電力を出力するように制御して、通常の充電を開始させた後（ステップＳ８）、処理を終了する。

　上述した実施形態によれば、給電側マイコン２５が、給電側、受電側駆動機構２４、３４を制御して反射電力測定部２６により測定した反射電力が最も小さい傾きに給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａのコイル軸Ｚ１、Ｚ２を傾ける。これにより、別途センサを設ける必要がなく、安価にコイル軸の軸ズレによる伝送効率の低減を防止できる。

　また、上述した実施形態によれば、給電側、受電側駆動機構２４、３４が、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａを支持する一対のラック４、５と、一対のラック４、５に噛み合う歯車６と、から構成され、歯車６は、回転により一対のラック４、５の一方が長手方向一方側に向かい、他方が長手方向他方側に向かうように設けられている。これにより、簡単な構成でコイル軸の傾きが変動するように、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａの少なくとも一方を駆動させることができる。

　なお、上述した実施形態によれば、反射電力測定部２６を設け、反射電力により給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａの傾きを決定していたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側又は受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａの出力電力を検出する出力電力測定部を設け、この出力電力が最大になる傾きに給電側、受電側共鳴コイル３１Ａを傾けるようにしてもよい。出力電力測定部としては、例えば整流器３２と車載バッテリ３３との間に設けられ、整流器３２の出力電力を受電側共鳴コイル３１Ａの出力電力として測定するものが考えられる。もちろん、これに限ったものではなく、出力電力測定部としては、受電側共鳴コイル３１Ａと整流器３２との間や、高周波電源２１と整合器２３、整合器２３と給電側共鳴コイル２２Ａとの間に設けられていてもよいが、整流器３２の出力電力は直流なので扱い易い。

　また、上述した実施形態によれば、反射電力測定部２６を給電側共鳴コイル２２Ａと整合器２３との間に設けていたが、これに限ったものではない。反射電力測定部２６としては、高周波電源２１と整合器２３との間に設けてもよい。

　また、上述した実施形態によれば、反射電力測定部２６は、給電側共鳴コイル２２Ａでの反射電力を測定していたが、本発明はこれに限ったものではない。受電側共鳴コイル３１Ａでの反射電力を測定するようにしてもよい。この場合、反射電力測定部２６は、受電側共鳴コイル３１Ａと整流器３２と間や、整流器３２と車載バッテリ３３との間に設けられている。

　また、上述した図５に示すフローチャートは一例に過ぎず、反射電力に基づいて給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａの傾きが調整できるようになっていればよい。例えば、図５に示すフローチャートでは、給電側マイコン２５が、受電側マイコン３５から受電側共鳴コイル３１Ａの傾きを受信して、反射電力が最小となる受電側共鳴コイル３１Ａの傾きを求めていたが、これに限ったものではない。受電側マイコン３５が、給電側マイコン２５から反射電力を受信して、受信した反射電力が最小となる受電側共鳴コイル３１Ａの傾きを求めるようにしてもよい。

　また、上述した実施形態によれば、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａの双方の傾きを調整していたが、本発明はこれに限ったものではない。給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａの何れか一方のみの傾きを調整するようにしてもよい。

　また、上述した実施形態によれば、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａを交互に傾けて、そのときの反射電力に基づいて傾きを決定していたが、本発明はこれに限ったものではない。例えば、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａを同時に連続的に傾けて、そのときの反射電力に基づいて傾きを決定するようにしてもよい。このとき、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａは互いに同じ傾きになるように連続的に傾けられる。

　また、上述した実施形態によれば、給電側、受電側駆動機構２４、３４は、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａが搭載された基板２２Ｂ、３１Ｂを傾けていたが、これに限ったものではない。例えば、給電側、受電側駆動機構２４、３４が、給電側、受電側シールドケース２２Ｃ、３１Ｃを傾けて、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａを傾けるようにしてもよい。

　また、上述した実施形態によれば、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａとしては、導線をスパイラル状に巻いて構成されていたが、これに限ったものではない。給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａとしては、螺旋状に巻かれていてもよい。

　また、給電側、受電側共鳴コイル２２Ａ、３１Ａのコイル軸は、互いの対向方向に沿って設けられ、互いのコイル軸が一直線状に並べられる位置を正対位置としていたが、これに限ったものではない。コイル軸としては、互いの対向方向と直交する方向に設けられてもよい。この場合、コイル軸方向の中心同士が対向方向に並べられる位置が正対位置となる。

　また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

　１　給電システム
　４　ラック
　５　ラック
　６　歯車
　２２Ａ　給電側共鳴コイル（共鳴コイル）
　２４　給電側駆動機構（駆動手段）
　３４　受電側駆動機構（駆動手段）
　３１Ａ　受電側共鳴コイル（共鳴コイル）
　２５　給電側マイコン（第１制御手段、第２制御手段）
　２６　反射電力測定部（測定手段）

Claims

　磁界共鳴により非接触給電を行う一対の共鳴コイルを備えた給電システムにおいて、
　コイル軸の傾きが変動するように、前記一対の共鳴コイルの少なくとも一方を駆動する駆動手段と、
　前記駆動手段を制御して前記共鳴コイルのコイル軸の傾きを連続的に変動させる第１制御手段と、
　前記第１制御手段により前記共鳴コイルのコイル軸を連続的に変動させている間の前記一対の共鳴コイルの少なくとも一方での反射電力又は出力電力を測定する測定手段と、
　前記駆動手段を制御して前記測定手段により測定した反射電力が最も小さい又は出力電力が最も大きい傾きに前記共鳴コイルのコイル軸を傾ける第２制御手段と、
　を備えたことを特徴とする給電システム。
　前記駆動手段が、前記共鳴コイルを支持する一対のラックと、前記一対のラックに噛み合う歯車と、から構成され、
　前記歯車は、回転により前記一対のラックの一方が長手方向一方側に向かい、他方が長手方向他方側に向かうように設けられている
　ことを特徴とする請求項１に記載の給電システム。