WO2015174121A1

WO2015174121A1 - 非接触充電システム、並びに非接触充電可能な給電スタンドおよびバッテリ搭載車両

Info

Publication number: WO2015174121A1
Application number: PCT/JP2015/055849
Authority: WO
Inventors: 雄一平山
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2015-11-19
Anticipated expiration: 2016-11-16
Also published as: JP2015220837A

Abstract

　非接触充電システムは、駐車場内の駐車スペースに設置された給電スタンドと電気自動車とから構成されている。電気自動車は、受電コイルによって所定の単一周波数の高周波電力が受電される場合にＨｉレベルの起動信号を出力する検波装置を備えており、この検波装置からＨｉレベルの起動信号が出力されるとスリープ状態から起動状態に復帰する。

Description

非接触充電システム、並びに非接触充電可能な給電スタンドおよびバッテリ搭載車両

　この発明は、非接触充電システム、並びに非接触充電可能な給電スタンドおよびバッテリ搭載車両に関する。

　電気モータによって走行する電気自動車（ＥＶ車）や電気モータとガソリンエンジンとの併用によって走行するプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ車）の普及が始まっている。これらＥＶ車やＰＨＶ車にはバッテリが搭載されており、バッテリに蓄えられた電気エネルギーによってモータを駆動することにより車両の走行が行われる。

　現在、ＥＶ車やＰＨＶ車用の充電システムとしては、駐車場内の駐車スペースに給電スタンドを設置し、車両が駐車スペースに駐車している間に充電を行う方式が一般的である。また、給電スタンドから車両への電力供給の方法としては、給電スタンドと車両を専用の充電ケーブルで接続する接触充電システムと、給電スタンドと車両を非接触状態に保ったまま電磁誘導または共鳴の原理を利用して電力供給を行う非接触充電システムとがある。

　特許文献１には、非接触充電システムの一例が記載されている。この非接触充電システムでは、給電スタンド１１の通信部１６と車両２１の通信部２８との間で無線通信接続が確立された後、給電スタンド１１の給電コイル１３に充電用の高周波電力が供給され、この高周波電力が車両２１の受電コイル２３によって受電され、整合器２６、整流器２４、ＤＣ／ＤＣコンバータ２５を通って直流電力に変換された後、車両用バッテリ２２に充電される。

特開２０１３－２２３３０１号公報

　現在、非接触充電システムのユースケースとして、車両が駐車スペースに駐車した後、一定時間が経過してから充電処理を開始することが考えられている。この際、待機中の車両を低消費電力のスリープ状態にしておき、充電処理の開始時に給電スタンドから起動要求信号を送信して車両を起動状態に復帰させることが考えられている。

　給電スタンドから車両への起動要求信号としては、給電コイルから受電コイルに伝達される電力信号を用いるか、あるいは給電スタンドと車両との間でやり取りされる無線信号を用いることが考えられる。しかしながら、起動要求信号として給電コイルから受電コイルに伝達される電力信号を用いる場合には、車両がスリープ状態の時にも車両の電力受電に関連する部分を起動状態もしくは待ち受け状態にしておかなければならず、消費電力の観点から問題がある。また、起動要求信号として無線信号を用いる場合にも、車両がスリープ状態の時にも車両の無線通信に関連する部分を起動状態もしくは持ち受け状態にしておかなければならず、同じく消費電力の観点から問題がある。また、スリープ状態の車両を間欠起動して起動要求信号を受信することも考えられるが、給電スタンドから起動要求信号が送信されるタイミングが不明であるため、応答性の観点から問題がある。

　この発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、起動要求を低消費電力で待ち受けることができると共に、起動要求を受信した際には速やかに起動状態に復帰することができる、非接触充電システムを提供することを目的とする。

　上記の課題を解決するために、この発明に係る非接触充電システムは、給電スタンドとバッテリ搭載車両とから構成され、バッテリ搭載車両は、受電コイルの後段に接続されて当該受電コイルによって所定の電力が受電される場合に所定の起動信号を出力する検波手段を備え、検波手段から所定の起動信号が出力されるとスリープ状態から起動状態に復帰する。

　また、この発明に係る非接触充電可能な給電スタンドは、給電コイルに所定の電力を供給することによってバッテリ搭載車両をスリープ状態から起動状態に復帰させる。

　また、この発明に係る非接触充電可能なバッテリ搭載車両は、受電コイルの後段に接続されて当該受電コイルによって所定の電力が受電される場合に所定の起動信号を出力する検波手段を備え、検波手段から所定の起動信号が出力されるとスリープ状態から起動状態に復帰する。

　この発明に係る非接触充電システムによれば、起動要求を低消費電力で待ち受けることができると共に、起動要求を受信した際には速やかに起動状態に復帰することができる。

この発明の実施の形態に係る非接触充電システムの構成を示す図である。この発明の実施の形態に係る非接触充電システムにおける給電スタンドの構成を示す図である。この発明の実施の形態に係る非接触充電システムにおける電気自動車の構成を示す図である。（ａ）は検波装置に入力される起動用の高周波電力を示す図であり、（ｂ）は検波装置内の検波回路の出力電圧を示す図であり、（ｃ）は検波装置から出力される信号を示す図である。（ａ）は所定のデータパターンを有する起動用の高周波電力を示す図であり、（ｂ）はその際に検波装置から出力される信号を示す図であり、（ｃ）は予め記憶されているデータパターンを示す図である。

　以下、この発明の実施の形態について添付図面に基づいて説明する。
実施の形態．
　この発明の実施の形態に係る非接触充電システム１００の構成を図１に示す。
　非接触充電システム１００は、駐車場内の駐車スペースＳに設置された給電スタンド１０と電気自動車２０とから構成されており、駐車スペースＳの地面には給電コイル１４が設置されている。電気自動車２０が駐車スペースＳに駐車している状態では、給電コイル１４のほぼ真上に電気自動車２０の受電コイル２３が位置するようになり、この状態において給電スタンド１０から給電コイル１４に高周波電力が供給されると、この高周波電力が電磁誘導または共鳴の原理によって電気自動車２０の受電コイル２３に伝達され、図示しない車載バッテリへの充電が行われる。

　以下、この実施の形態に係る非接触充電システム１００における給電スタンド１０と電気自動車２０の構成について説明した後、非接触充電システム１００の充電開始時の処理について説明する。

（給電スタンド１０の構成）
　給電スタンド１０の構成について図２を参照して説明する。給電スタンド１０は、無線通信装置１１と、制御装置１２と、給電装置１３と、給電コイル１４と、アンテナ１５とを備えている。

　無線通信装置１１は、制御装置１２から入力されるディジタル信号を電波信号に変換してアンテナ１５から送信すると共に、アンテナ１５によって受信される電波信号をディジタル信号に変換して制御装置１２に出力することによって、給電スタンド１０と電気自動車２０との間で無線通信を行うことを可能にする。

　制御装置１２は、マイクロコンピュータによって構成されており、無線通信装置１１と次に述べる給電装置１３を制御することによって、給電スタンド１０の給電処理を制御する。

　給電装置１３は、図示しない系統電源から供給される交流電力をより周波数の高い高周波電力に変換する。

　給電コイル１４には、給電装置１３から高周波電力が供給される。

（電気自動車２０の構成）
　電気自動車２０の構成について図３を参照して説明する。電気自動車２０は、無線通信装置２１と、制御装置２２と、受電コイル２３と、その後段に接続される電力変換装置２４と、バッテリ２５と、受電コイル２３の後段に電力変換装置２４と並列に接続される検波装置２６と、アンテナ２７とを備えている。

　無線通信装置２１は、マイクロコンピュータによって構成される制御部２１１と、専用ＩＣによって構成される信号処理部２１２と、バンドパスフィルタ２１３とから構成されており、電気自動車２０と給電スタンド１０との間で無線通信を行うことを可能にする。電波信号の送信時には、制御装置２２から制御部２１１に入力されるディジタル信号が信号処理部２１２によって電波信号に変換され、バンドパスフィルタ２１３を経由してアンテナ２７から送信される。一方、電波信号の受信時には、アンテナ２７によって受信される電波信号からバンドパスフィルタ２１３によって特定周波数の信号が抜き出され、これが信号処理部２１２によってディジタル信号に変換され、制御部２１１から制御装置２２に出力される。

　制御装置２２は、マイクロコンピュータによって構成されており、無線通信装置２１と次に述べる電力変換装置２４を制御することによって、電気自動車２０の充電処理を制御する。

　受電コイル２３は、給電スタンド１０の給電コイル１３から電磁誘導または共鳴の原理によって伝達される高周波電力を受電する。

　電力変換装置２４は、電磁リレー２４１と、整合回路２４２と、整流回路２４３と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４４とから構成されており、受電コイル２３によって受電された高周波電力を直流電力に変換する。なお、電磁リレー２４１は、制御電圧が印加されない場合はオフ状態であり、制御電圧が印加されるとオン状態になる。

　バッテリ２５は、電力変換装置２４から出力される直流電力を蓄える。

　検波装置２６は、ＭＯＳＦＥＴによって構成されるスイッチ２６１と、受動素子によって構成されるバンドパスフィルタ２６２と、オペアンプ等によって構成される増幅回路２６３と、ダイオード、キャパシタ、抵抗器等によって構成される検波回路２６４と、電圧コンパレータＩＣによって構成される比較回路２６５とから構成されており、受電コイル２３によって所定の単一周波数の高周波電力が受電されると、無線通信装置２１の制御部２１１に対してＨｉレベルの起動信号を出力する。なお、スイッチ２６１は、例えばデプレッション型のＭＯＳＦＥＴによって構成されており、制御電圧が印加されない場合はオン状態であり、制御電圧が印加されるとオフ状態になる。

（非接触充電システム１００の充電開始時の処理）
　次に、この実施の形態に係る非接触給電システム１００の充電開始時の処理について、図３を参照して説明する。

　非接触充電システム１００の充電開始前において、電気自動車２０は給電スタンド１０が設置された駐車スペースＳに駐車しており、消費電力を抑えた状態で給電スタンド１０からの起動要求を待つ「スリープ状態」にある。

　電気自動車２０のスリープ状態においては、マイクロコンピュータによって構成される制御装置２２と無線通信装置２１の制御部２１１は、消費電力を抑えるスリープモードで動作している。このスリープモードにおいては、制御装置２２から電力変換装置２４の電磁リレー２４１に出力される制御電圧はゼロであり、電磁リレー２４１はオフ状態である。また、無線通信装置２１の制御部２１１から検波装置２６のスイッチ２６１に出力される制御電圧もゼロであり、スイッチ２６１はオン状態である。さらに、無線通信装置２１の制御部２１１は、信号処理部２１２への電力供給も停止している。

　このような状態から充電処理を開始する際には、給電スタンド１０の制御装置１２は、電気自動車２０をスリープ状態から起動状態に復帰させるために、給電装置１３を制御することによって給電コイル１４に所定の単一周波数の高周波電力（起動要求信号）を供給する。なお、ここで供給される高周波電力は電気自動車２０をスリープ状態から起動状態に復帰させるための起動用の小電力であり、この後に電気自動車２０のバッテリ２５への充電を行う際に供給される充電用の大電力とは異なる。

　給電コイル１４に単一周波数の高周波電力が供給されると、この高周波電力が電磁誘導または共鳴の原理によって電気自動車２０の受電コイル２３によって受電される。この際、上述したように電力変換装置２４の電磁リレー２４１はオフ状態であり、検波装置２６のスイッチ２６１はオン状態であるため、受電コイル２３によって受電された電力はすべて検波装置２６に入力される。

　検波装置２６に入力された高周波電力（図４（ａ）参照）は、スイッチ２６１を通ってバンドパスフィルタ２６２に入力され、上記所定の単一周波数以外のノイズ成分が除去された後、増幅回路２６３によって電圧増幅される。増幅回路２６３によって電圧増幅された高周波電力は、検波回路２６４に入力されて包絡線検波され、検波回路２６４からはほぼ一定の直流電圧が出力される（図４（ｂ）参照）。比較回路２６５は、検波回路２６４の出力電圧と予め定められた閾値電圧とを比較し、検波回路２６４の出力電圧が閾値電圧よりも高い場合にのみ、Ｈｉレベルの信号を出力する（図４（ｃ）参照）。

　検波装置２６５からＨｉレベルの信号が出力されると、この信号が無線通信装置２１の制御部２１１の外部割り込み端子ＩＮＴに入力され、この外部割り込みによって制御部２１１がスリープモードから起動モードに復帰する。起動モードに復帰した制御部２１１は、信号処理部２１２への電力供給を再開すると共に、制御装置２２の外部割り込み端子ＩＮＴに起動要求信号を送信することによって制御装置２２を起動モードに復帰させ、また検波装置２６のスイッチ２６１に制御電圧を印加することによってスイッチ２６１をオフ状態にする。起動モードに復帰した制御装置２２は、電力変換装置２４の電磁リレー２４１に制御電圧を印加することによって、電磁リレー２４１をオン状態にする。なお、スイッチ２６１をオフ状態にするのは、次に述べる充電用の高周波電力は起動用の高周波電力に比べて大電力であるため、そのような大電力によって検波装置２６が破損するのを防止するためである。

　上記一連の処理により、電気自動車２０は低消費電力のスリープ状態から充電処理が可能な起動状態に速やかに復帰する。電気自動車２０が起動状態に復帰すると、給電スタンド１０の無線通信装置１１と電気自動車２０の無線通信装置２１との間で無線通信接続が確立された後、給電スタンド１０から電気自動車２０への充電処理が開始される。

　給電スタンド１０から電気自動車２０への充電処理においては、両者の間で各種制御信号が無線通信によってやり取りされながら、給電スタンド１０の給電装置１３から給電コイル１４に充電用の高周波電力が供給され、この高周波電力が電磁誘導または共鳴の原理によって電気自動車２０の受電コイル２３によって受電される。この際、電力変換装置２４の電磁リレー２４１はオン状態であり、検波装置２６のスイッチ２６１はオフ状態であるため、受電コイル２３によって受電された充電用の高周波電力はすべて電力変換装置２４に入力される。

　電力変換装置２４に入力された高周波電力は、電磁リレー２４１を通って整合回路２４２に入力され、整合回路２４２によってインピーダンスの整合が行われた後、整流回路２４３によって直流電力に変換される。この直流電力がＤＣ／ＤＣコンバータ２４４によって昇圧もしくは降圧され、バッテリ２５に充電される。

　以上説明したように、この実施の形態に係る非接触充電システム１００において、電気自動車２０は、受電コイル２３によって所定の単一周波数の高周波電力が受電される場合にＨｉレベルの起動信号を出力する検波装置２６を備えており、この検波装置２６からＨｉレベルの起動信号が出力されるとスリープ状態から起動状態に速やかに復帰する。電気自動車２０のスリープ状態においては、制御装置２２と無線通信装置２１の制御部２１１がスリープモードで動作しているのみであり、この際の消費電力は数ｍＷ程度である。また、無線通信装置２１の信号処理部２１２や電力変換装置２４の電磁リレー２４１のような大電力を消費する部分はオフ状態である。これにより、電気自動車２０は、給電スタンド１０からの起動要求を低消費電力で待ち受けることができ、また給電スタンド１０からの起動要求を受信した際には速やかに起動状態に復帰することができる。

その他の実施の形態．
　上記の実施の形態において、給電スタンド１０は、起動要求信号として例えば図５（ａ）に示されるような所定のデータパターンを有する高周波電力を供給してもよい。その際、検波装置２６からは例えば図５（ｂ）に示されるような所定のデータパータを有する起動信号が出力される。無線通信装置２１の制御部２１１は、外部割り込み端子ＩＮＴに最初のパルスが入力された時点で起動状態に一旦復帰し、引き続いて入力されるパルスのパターンと予め記憶されているデータパターン（図５（ｃ）参照）とを照合し、両者が一致する場合には起動状態を継続し、両者が一致しない場合には再びスリープ状態に移行するようにしてもよい。

Claims

　給電スタンドとバッテリ搭載車両とから構成される非接触充電システムであって、
　前記バッテリ搭載車両は、
　受電コイルの後段に接続されて該受電コイルによって所定の電力が受電される場合に所定の起動信号を出力する検波手段を備え、
　前記検波手段から前記所定の起動信号が出力されるとスリープ状態から起動状態に復帰する、非接触充電システム。
　前記検波手段の入力部には切り替え手段が設けられ、
　前記切り替え手段は、前記バッテリ搭載車両がスリープ状態の際にはオン状態であり、起動状態の際にはオフ状態である、請求項１に記載の非接触充電システム。
　前記バッテリ搭載車両は、前記受電コイルの後段に接続されて該受電コイルによって受電される高周波電力を直流電力に変換する電力変換手段をさらに備え、
　前記検波手段は、前記受電コイルの後段に前記電力変換手段とは並列に接続される、請求項１または２に記載の非接触充電システム。
　前記所定の起動信号は、所定のデータパターンを有する信号である、請求項１～３のいずれか一項に記載の非接触充電システム。
　非接触充電可能な給電スタンドであって、
　給電コイルに所定の電力を供給することによってバッテリ搭載車両をスリープ状態から起動状態に復帰させる、非接触充電可能な給電スタンド。
　非接触充電可能なバッテリ搭載車両であって、
　受電コイルの後段に接続されて該受電コイルによって所定の電力が受電される場合に所定の起動信号を出力する検波手段を備え、
　前記検波手段から前記所定の起動信号が出力されるとスリープ状態から起動状態に復帰する、非接触充電可能なバッテリ搭載車両。