JP5258521B2 - 給電システム - Google Patents

Description

本発明は給電システムに関し、特に非接触で電力を供給するシステムにおける障害物対策に関する。

従来より、電磁誘導を利用した非接触方式の給電システムが知られている。例えば、特許文献１には非接触による電力伝達装置が開示されている。図１３に、この従来技術の構成を示す。商用電源から電源供給を受ける第１コイル６を有する本体１と、第１コイル６と電磁誘導結合する第２コイル７を有する端末２との間で非接触で電力供給を行う電力伝達装置において、所定以上の温度を検出した場合に、端末２への電力供給を自動的に停止するための温度過昇防止装置１０を本体１に設けている。

特開２００１−２５８１８２号公報

上記従来技術では、温度上昇により電力供給を停止しているが、例えば非接触で電力供給中に物や人が近づいた場合にはこれを検出することができない。すなわち、非接触の給電システムを用い、給電ステーション等の施設に送電側、車両などの移動体側に受電側を設けて非接触で移動体に給電する場合、車両の乗員等が給電システムに近づくことも想定され、このような場合には速やかに給電を停止することが望まれる。

本発明の目的は、人や物などの障害物が存在する場合に、速やかにこれを検出して給電状態を制御できるシステムを提供することにある。

本発明は、送電手段と、前記送電手段からの電力を非接触で受ける受電手段と、前記送電手段と前記受電手段間の伝送効率を検出する効率検出手段と、検出した前記伝送効率が規定値以上であるか否かを判定する判定手段と、前記伝送効率が前記規定値未満である場合に、前記送電手段による送電を一時的に中止し、規定時間後に微小電力による送電を再開する制御手段とを有し、前記判定手段は、前記微小電力による送電を再開した後の前記伝送効率が前記規定値以上であるか否かを判定し、前記判定手段は、前記伝送効率が前記規定値以上である場合に、前記送電手段による正規の電力での送電を再開し、前記伝送効率が前記規定値未満である場合に、前記送電手段による送電を一時的に中止し、前記規定時間後に前記微小電力による送電を再開することを特徴とする。

本発明において、さらに、前記送電手段及び前記受電手段の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、検出された共振周波数が規定の周波数からずれている場合に、前記送電手段及び前記受電手段の共振周波数を調整する周波数調整手段とを有してもよい。

また、本発明において、前記伝送効率の周波数特性を検出する周波数特性検出手段と、
前記周波数特性に応じて、前記送電手段及び前記受電手段のコイル位置を調整する位置調整手段を有してもよい。

本発明によれば、人や物などの障害物が存在する場合に、速やかにこれを検出して給電状態を制御できる。

以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。

図１に、本実施形態における給電システムの構成ブロック図を示す。商用電源等の電源部１０からの電力は送電部１２に供給される。

送電部１２は、送電コイルや送電側共鳴コイルで構成される。

受電部１４は、受電コイルや受電側共鳴コイルで構成され、送電側と電磁界の共鳴により結合する。送電部１２と受電部１４間で非接触で電力の送受を行う。受電部１４は、送電部１２から受けた電力を電力蓄積部１６に供給する。

電力蓄積部１６は、受電部１４からの電力を整流して二次電池に供給し、二次電池を充電する。

伝送効率検出部１８は、送電部１２と受電部１４間の電力伝送効率を検出する。伝送効率検出部１８は、検出した効率を判定部２０に供給する。

判定部２０は、伝送効率検出部１８からの効率を所定の基準値と大小比較する。判定部２０は、効率が所定の基準値以上であれば給電をそのまま維持すべきと判定し、効率が所定の基準値未満であれば障害物などにより正常な給電が妨げられたものと判定し、給電を中止すべきと判定する。判定部２０は、大小比較に応じた判定結果を送電中止／再開部２２に供給する。

送電中止／再開部（送電電力制御部）２２は、判定部２０からの判定結果に応じて電源部１０の動作を制御する。すなわち、給電をそのまま維持すべきとの判定結果であれば電源部１０の動作をそのまま維持し、給電を中止すべきとの判定結果であれば電源部１０の動作を停止して送電部１２への電力供給を停止する。また、送電中止／再開部２２は、送電を中止した場合において送電中止から規定時間が経過したときに、電源部１０に対してある周波数範囲で微小電力を送電するように指令する。電源部１０は、この指令に応じてある周波数範囲の微小電力を送電部１２に供給する。受電部１４ではこの微小電力を受電し、伝送効率検出部１８はこのときの伝送効率を検出する。微小電力とするのは、人や物などの障害物が依然として存在するか否かを検出するためであり、仮に人や物が依然として存在している場合にもその影響を軽微なものに抑えるためである。判定部２０は、微小電力で給電したときの効率を所定の基準値と大小比較する。効率が基準値以上であれば障害物はもはや存在していないと判定して給電を再開すべきと判定する。また、効率が基準値未満であれば依然として障害物が存在していると判定して給電中止を継続すべきと判定する。送電中止／再開部２２は、判定部２０からの判定結果が給電を再開すべきとの結果であれば、電源部１０に対して通常の電力による送電を開始するように指令する。また、判定部２０からの判定結果が給電中止を継続すべきとの結果であれば、電源部１０に対して微小電力による送電を中止するように指令する。

図１において、電源部１０、送電部１２、送電中止／再開部２２は給電ステーション等の施設側に設けられ、受電部１４、電力蓄積部１６、伝送効率検出部１８、判定部２０は車両等の移動体に設けられる。もちろん、伝送効率検出部１８や判定部２０を施設側に設けてもよい。伝送効率検出部１８、判定部２０、送電中止／再開部２２はマイクロコンピュータで構成される。電力蓄積部１６の二次電池は、例えばニッケル水素電池やリチウムイオン電池等の車載二次電池とすることができる。また、電力蓄積部１６に二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を検出する検出部を設け、二次電池が満充電状態となったことを検出した場合に送電中止／再開部２２に対して送電中止を指令してもよい。また、車両等の移動体側の手動操作により、送電中止／再開部２２に対して送電開始／停止を指令できるように構成してもよい。

図２に、本実施形態の処理フローチャートを示す。車両が給電ステーションの所定位置に停車し、車載の受電部１４の受電コイルあるいは受電側共鳴コイルが、送電部１２の送電コイルあるいは送電側共鳴コイルに略対向する位置に到達した場合、車両乗員は給電ステーションあるいは車両側の操作ボタンを操作して充電開始を指令する（Ｓ１０１）。充電開始指令に応じ、送電中止／再開部２２は、電源部１０に対して微小電力を供給するように指令する。電源部１０は、この指令に応じて送電部１２に微小電力を供給する（Ｓ１０２）。微小電力は、送電部１２から受電部１４に電磁界共鳴により供給される。

次に、伝送効率検出部１８は、受電部１４で得た受電電力と送電部１２での送電電力から伝送効率を算出する（Ｓ１０３）。

次に、判定部２０は、伝送効率検出部１８で算出された効率と所定の基準値とを大小比較することで効率の高低を判定する（Ｓ１０４）。効率が基準値以上である場合、効率が高いと判定（Ｓ１０４でＹＥＳと判定）され、判定結果を送電中止／再開部２２に供給する。送電中止／再開部２２は、この判定結果に応じて電源部１０の送電電力を通常の値まで増大させる（Ｓ１０６）。一方、効率が基準値未満である場合、効率が低いと判定（Ｓ１０４でＮＯと判定）され、判定結果を送電中止／再開部２２に供給する。送電中止／再開部２２は、この判定結果に応じて規定時間だけ給電を中止するように電源部１０に指令する（Ｓ１０５）。電源部１０は、この指令に応じて規定時間だけ送電部１２への電力供給を停止する。そして、規定時間経過後は、送電中止／再開部２２からの指令に応じて電源部１０は再び微小電力での送電を開始する（Ｓ１０２）。

Ｓ１０６で電源１０の電力を通常値まで増大させた後、伝送効率検出部１８で効率を算出する（Ｓ１０７）。

そして、判定部２０は、算出された効率を所定の基準値と大小比較し、給電を停止するか否かを判定する。すなわち、効率が基準値未満であれば給電を停止すべきと判定し、送電停止／再開部２２は規定時間だけ給電を停止する（Ｓ１０５）。一方、効率が基準値以上である場合には、給電をそのまま維持する。

電力蓄積部１６は、受電部１４からの電力を整流して車載二次電池を充電する。また、電力蓄積部１６は、車載二次電池の充電状態（ＳＯＣ）を判定する（Ｓ１０９）。車載二次電池が未だ満充電状態でない場合には（Ｓ１０９でＮＯ）、継続して充電を行うとともに効率を算出し、車載二次電池が満充電状態となった場合には送電中止／再開部２２に送電停止を指令する（Ｓ１１０）。

このように、本実施形態では、まず微小電力で送電してその効率を検出し、効率が高く障害物が存在しないと判定された場合には電力を通常値まで増大させて送電することで効率的に車載二次電池を充電する一方、微小電力で送電したときの効率が低く障害物が存在すると判定された場合には送電を停止し、規定時間後に再び微小電力で送電を開始して障害物の有無を検出する。これにより、障害物を検出した場合には迅速に送電を停止することができるとともに、障害物が存在しなくなった場合にも迅速に送電を再開し、効率的に車載二次電池を充電できる。

図３に、他の実施形態の構成ブロック図を示す。図１の構成に加え、送電コイル周波数調整部２４、受電コイル周波数調整部２６、共振周波数検出部２８、共振周波数検出部３０をさらに有する。

送電コイル周波数調整部２４及び受電コイル周波数調整部２６は、それぞれ送電部１２の送電コイル、受電部１４の受電コイルの周波数を調整する。

共振周波数検出部２８，３０は、それぞれ送電部１２，受電部１４の共振周波数を検出する。検出した共振周波数は判定部２０に供給される。

判定部２０は、上記の実施形態で説明した判定処理を実行するとともに、検出した共振周波数に応じて送電部１２の送電コイル及び受電部１４の受電コイルの共振周波数を調整すべく送電コイル周波数調整部２４及び受電コイル周波数調整部２６に指令する。

図４に、本実施形態の処理フローチャートを示す。まず、一次側、すなわち給電ステーションの送電側において一次側コイル（送電コイルあるいは送電側共鳴コイル）の共振周波数を検査する（Ｓ２０１）。この検査は、電源部１０から微小電力を送電部１２に供給し、そのときの反射量あるいは一次側コイルの電流、電圧の周波数特性を共振周波数検出部２８で検出することで一次側コイルの共振周波数が所望の値であるか否かを判定する。そして、一次側コイルの共振周波数がずれている場合には、送電コイル周波数調整部２４で一次側コイルの長さを変える、あるいは一次側コイルに付加されている可変のインダクタンスＬ、キャパシタンスＣを調整して共振周波数の基準値からのずれを規定値以内に設定する（Ｓ２０２）。Ｓ２０１およびＳ２０２の処理は、車両が給電ステーションの所定位置に停車していない「空き時間」あるいは非充電期間において定期的に繰り返し実行される。

車両側についても同様であり、非充電期間において二次側コイル（受電コイルあるいは受電側共鳴コイル）において微小電力を二次側コイルに供給し、そのときの反射量あるいは一次側コイルの電流、電圧の周波数特性を共振周波数検出部３０で検出することで二次側コイルの共振周波数が所望の値であるか否かを判定し、基準値からのずれが規定値より大きい場合に受電コイル周波数調整部２６で二次側コイルの長さを変える、あるいは二次側コイルの付加されている可変のＬ、Ｃを調整して共振周波数の基準値からのずれを規定値以内に設定する（Ｓ２０３、Ｓ２０４）。なお、このときには電源部１０の電力を使用することはできないので、車載二次電池からの電力を用いる。すなわち、電力蓄電部１６は車載二次電池からの直流電力を交流電力に変換して二次側コイルに供給する。

以上のようにして一次側コイル及び二次側コイルの共振周波数を調整した後、図２と同様な給電処理を実行する（Ｓ２０５〜Ｓ２１４）。

本実施形態によれば、共振周波数を調整した上で給電を行うので、効率が低下した場合においてもこの効率低下の原因が共振周波数のずれ等の内的要因ではなく、人や物などの障害物による外的要因であることが明確となり、障害物の有無に応じた給電の迅速な中止及び再開が可能となる。

図５に、一次側コイルの共振周波数を調整するための構成例を示す。二次側についても同様の構成を採用することができる。コイル長を変化させることで共振周波数を調整する場合である。一次側コイル３０は支持台３２に設けられ、この支持台３２をコイルの長さ方向に沿ってボールネジ３４及びモータ３６で移動させることでコイル長を変化させる。もちろん、他の構成を用いても良い。

本実施形態では、送電部１２と受電部１４との間に障害物が存在すると伝送効率が低下することを利用して障害物の有無を検出しているが、これは障害物が送電部１２と受電部１４との間あるいはその近傍に存在する場合に、伝送効率の周波数応答特性が変化することに基づくものである。

図６に、送電部１２の送電側共鳴コイル３８と受電部１４の受電側共鳴コイル４０の間に鉄板４２を挿入した場合を示し、図７に、この場合の効率の周波数特性を示す。また、図８に、共鳴コイル３８，４０の近傍に鉄板４２が存在する場合を示し、図９及び図１０に、この場合の効率の周波数特性を示す。図１０は、図９におけるＡ部分の拡大図である。

図７及び図１０において、グラフａ、グラフｂ、グラフｃ、グラフｄ、グラフｅ、グラフｆが示されているが、これは図６、図８において鉄板４２の基準位置からの変位ｄｄ、ｄｖを変化させた場合である。ｄｄは共鳴コイル３８，４０間の基準位置からのずれであり、ｄｖは共鳴コイル３８，４０からのコイル軸方向に垂直な方向へのずれである。グラフａは鉄板が存在しない場合の基準となる効率特性であり、グラフｂはｄｄ＝０ｃｍ、グラフｃはｄｄ＝５ｃｍ、グラフｄはｄｄ＝１０ｃｍ、グラフｅはｄｖ＝５ｃｍ、グラフｆはｄｖ＝１０ｃｍの場合である。図７を参照すると、鉄板等の障害物が存在すると、効率の周波数特性が大きく変化し、障害物が存在しないときに効率がほぼ１００％得られる周波数において、障害物が存在する場合には０％程度に低下してしまうことがわかる。図１０においても、障害物が近傍に存在しないときの効率が、障害物が存在する場合に低下している。また、障害物の存在位置に応じて効率の周波数特性が変化することもわかる。したがって、単に効率の低下を検出するのではなく、効率の周波数特性を検出することで、障害物の有無だけでなく、障害物の存在位置もある程度把握することも可能である。したがって、障害物の位置を把握して車両乗員等に報知することも好適であろう。

図１１に、共鳴コイル３８，４０の中心位置が互いにずれた場合を示し、図１２に、この場合の効率の周波数特性を示す。図１２において、グラフｇ、グラフｈ、グラフｉは、図１１において中心位置からのずれｄＲがそれぞれ１０ｃｍ、３０ｃｍ、６０ｃｍの場合である。グラフａは、ずれがない場合である。コイルの中心位置が互いにずれた場合も、効率が低下するが、効率の周波数特性は図７、図９の場合といずれも異なる。このことは、周波数応答特性を検出することで、障害物が存在する場合と、コイルの中心位置が互いにずれた場合とを判別できることを意味する。したがって、例えば図３の構成においてさらに周波数特性検出部及びコイル位置調整部を備え、微小電力で周波数を変化させながら送電して効率の周波数特性を検出し、その検出結果に応じて判定部２０が効率低下の原因を判別し、コイルの中心位置のずれであると判別した場合にコイル位置調整部がコイル位置を調整するように構成してもよい。

実施形態の構成ブロック図である。 実施形態の処理フローチャートである。 他の実施形態の構成ブロック図である。 他の実施形態の処理フローチャートである。 コイル長可変装置の構成図である。 共鳴コイルと鉄板の位置関係説明図である。 図６における効率の周波数特性図である。 共鳴コイルと鉄板の他の位置関係説明図である。 図８における効率の周波数特性図である。 図９の一部拡大図である。 共鳴コイル間の位置関係説明図である。 図１１における効率の周波数特性図である。 従来装置の構成図である。

符号の説明

１０ 電源部、１２ 送電部、１４ 受電部、１６ 電力蓄積部、１８ 電送効率検出部、２０ 判定部、２２ 送電中止／再開部。

Claims (3)

1. 送電手段と、
   前記送電手段からの電力を非接触で受ける受電手段と、
   前記送電手段と前記受電手段間の伝送効率を検出する効率検出手段と、
   検出した前記伝送効率が規定値以上であるか否かを判定する判定手段と、
   前記伝送効率が前記規定値未満である場合に、前記送電手段による送電を一時的に中止し、規定時間後に微小電力による送電を再開する制御手段と、
   を有し、
   前記判定手段は、前記微小電力による送電を再開した後の前記伝送効率が前記規定値以上であるか否かを判定し、
   前記判定手段は、前記伝送効率が前記規定値以上である場合に、前記送電手段による正規の電力での送電を再開し、前記伝送効率が前記規定値未満である場合に、前記送電手段による送電を一時的に中止し、前記規定時間後に前記微小電力による送電を再開する
   ことを特徴とする給電システム。
2. 請求項１記載のシステムにおいて、さらに、
   前記送電手段及び前記受電手段の共振周波数を検出する共振周波数検出手段と、
   検出された共振周波数が規定の周波数からずれている場合に、前記送電手段及び前記受電手段の共振周波数を調整する周波数調整手段と、
   を有することを特徴とする給電システム。
3. 請求項１、２のいずれかに記載のシステムにおいて、
   前記伝送効率の周波数特性を検出する周波数特性検出手段と、
   前記周波数特性に応じて、前記送電手段及び前記受電手段のコイル位置を調整する位置調整手段と、
   を有することを特徴とする給電システム。

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