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JP6124136B2 - 非接触受電装置 - Google Patents

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Description

本発明は、地上側に設けられた給電装置から電磁力を利用して給電される電力を非接触で受電する非接触受電装置に関する。
近年、電気自動車（ＥＶ：Electric Vehicle）、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ：Plug-in Hybrid Electric Vehicle）等の電気で走行する自動車（以下、単に「車両」という）が普及しつつある。このような車両は、大容量の蓄電池を搭載しており、外部から給電された電気エネルギーを蓄電池に蓄え、蓄えられた電気エネルギーを用いて走行する。
外部から車両の蓄電池に給電する方法として、地上側に設けられた給電装置の一次側コイルと、車両側に設けられた受電装置の二次側コイルとの間で、電磁力を用いて非接触給電する方法が知られている。この方法を採用した非接触給電システムでは、地上にある一次側コイルから車両底面に設けられた二次側コイルへの給電を考えた場合、地面に対して水平方向の磁束が不要輻射となり得るものであり、不要輻射を低減することが必須である。不要輻射を低減する方法として、例えば、特許文献１に開示の方法が知られている。
特許文献１には、駆動周波数を交互に切り替える周波数拡散によって、一定の周波数における不要輻射の値を抑えて輻射を低減することが開示されている。
特開２０１０−１９３５９８号公報
しかしながら、上述した特許文献１に開示の方法では、不要輻射が法規によって定められた規制値を満たすには十分ではなく、不要輻射のさらなる低減が求められる。また、非接触給電に使用可能な駆動周波数帯には制限があり、その上、周波数拡散で自由に駆動周波数を変化させることはできない。さらに、非接触給電システムにおいては、駆動周波数を変化させると、給電効率、発熱など様々な項目に影響があるため、その実現は容易ではない。
本発明の目的は、駆動周波数を変化させることなく、不要輻射を低減する非接触受電装置を提供することである。
本発明の非接触受電装置は、非接触で電力を受電する非接触受電装置であって、給電コイルからの給電を受けるための受電コイルおよび共振用コンデンサを含む共振用回路と、前記共振用回路の後段に、特定の周波数における給電側コイル電流と受電側コイル電流の位相差を、水平方向の磁束を打ち消し合うように調整する位相調整回路と、を具備する構成を採る。
本発明によれば、駆動周波数を変化させることなく、不要輻射を低減することができる。
本発明の実施の形態１、２に係る充電システムの構成を示すブロック図 図１に示した給電部及び受電部の内部構成を示すブロック図 （ａ）図２に示した給電部及び受電部の等価回路を示す図、（ｂ）位相調整回路を含まない等価回路を示す図 図１に示した給電コイルと受電コイルの配置を示す図 本発明の実施の形態１に係る給電コイルと受電コイルとの間に形成される磁場形状を示す概念図 給電側コイル電流及び受電側コイル電流の位相差と、位相調整コンデンサの容量との関係を示す図 本発明の実施の形態２に係る給電コイルと受電コイルの配置を示す図 本発明の実施の形態２に係る給電コイルと受電コイルとの間に形成される磁場形状を示す概念図 給電部及び受電部の他の内部構成を示すブロック図 図９に示した給電部及び受電部の等価回路を示す図 共振用回路の他の構成を示す図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
＜充電システムの構成＞
図１は、本発明の実施の形態１に係る充電システム１０の構成について、図１を用いて説明する。
充電システム１０は、給電装置１００と、車両１５０と、給電側操作部１６０とを有している。なお、図１は、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａとが対向した給電可能な状態を示す。
給電装置１００は、給電部１０３が地表ｇから露出するように地面上に設置もしくは埋設される。給電装置１００は、例えば駐車スペースに設けられ、車両１５０の駐車中に、受電部１５４に対向することにより受電部１５４に対して給電する。ここで、給電とは、給電コイル１０３ａから受電コイル１５４ａに電力を供給することを言う。給電装置１００の構成については後述する。
車両１５０は、例えば、ＥＶ（Electric Vehicle）またはＰＥＶ（Plug-in Electric Vehicle）といった蓄電池１５２の電力で走行する自動車である。なお、車両１５０の構成については後述する。
給電側操作部１６０は、車両１５０外部からの操作により、給電の開始を示す給電開始信号または給電の停止を示す給電停止信号を給電装置１００に出力する。
＜車両の構成＞
車両１５０は、車両側操作部１５１と、蓄電池１５２と、車両側制御部１５３と、受電部１５４と、車両側通信部１５５とから主に構成されている。
車両側操作部１５１は、ユーザによる各種操作を受け付け、受け付けた操作に応じた各種信号を車両側制御部１５３に出力する。
蓄電池１５２は、給電装置１００から受電部１５４を介して供給される電力を蓄える。
車両側制御部１５３は、車両側操作部１５１から入力された各種信号に基づいて、受電部１５４及び車両側通信部１５５に対して、充電に伴う各種処理または充電停止に伴う各種処理を行うように制御する。また、車両側制御部１５３は、車両側通信部１５５を介して給電装置１００の給電側制御部１０２との間で各種情報の送受信を行う。
受電部１５４は、受電コイル１５４ａを有している。受電コイル１５４ａは、例えば、ソレノイドコイルであり、給電部１０３の給電コイル１０３ａから給電される電力を受電する。受電部１５４は、車両側制御部１５３の制御に従って、受電コイル１５４ａで受電した電力を蓄電池１５２に供給する。受電部１５４は、車両１５０の底部において外部に露出した状態で設けられている。
車両側通信部１５５は、車両側制御部１５３の制御に従って、充電を許可する充電許可信号または充電を許可しない充電不許可信号を生成し、生成した充電許可信号または充電不許可信号を給電側通信部１０１に対して送信する。ここで、充電不許可信号は、例えば、給電中に位置ずれが検知された場合、または、蓄電池１５２が満充電の状態である場合等に送信される。
＜給電装置の構成＞
給電装置１００は、給電側通信部１０１と、給電側制御部１０２と、給電部１０３とから主に構成されている。
給電側通信部１０１は、車両側通信部１５５から充電許可信号または充電不許可信号を受信し、受信した充電許可信号または充電不許可信号を給電側制御部１０２に出力する。
給電側制御部１０２は、給電側操作部１６０から給電開始信号が入力されると共に、給電側通信部１０１から充電許可信号が入力された際に、給電コイル１０３ａに対して受電コイル１５４ａへの給電を行うように給電部１０３を制御する。
また、給電側制御部１０２は、給電側操作部１６０から給電停止信号が入力された場合、または給電側通信部１０１より充電不許可信号が入力された場合、給電を開始させないか、または給電を停止するように給電部１０３を制御する。
さらに、給電側制御部１０２は、給電側通信部１０１を介して車両１５０の車両側制御部１５３との間で各種情報の送受信を行う。
給電部１０３は、給電コイル１０３ａを有しており、給電コイル１０３ａは、例えば、ソレノイドコイルである。給電部１０３は、給電側制御部１０２の制御に従って、給電コイル１０３ａより受電コイル１５４ａに給電を行う。給電部１０３は、例えば、電磁誘導方式、電界共鳴方式または磁界共鳴方式により給電する。
＜給電部及び受電部の詳細な構成＞
次に、上述した給電部１０３及び受電部１５４の内部構成について説明する。図２は、図１に示した給電部１０３及び受電部１５４の内部構成を示すブロック図である。
給電部１０３は、電源部２０１、切替部２０２、電圧検知部２０３、給電側インバータ２０４、電流検知部２０５及び給電コイル１０３ａを備える。
電源部２０１は、切替部２０２を介して給電側インバータ２０４に対して所定の電圧及び電流の直流電力を供給する。
切替部２０２は、給電側制御部１０２の制御に従って、電源部２０１と給電側インバータ２０４との接続又は遮断を切り替える。
電圧検知部２０３は、電源部２０１から給電側インバータ２０４に供給される直流電力の電圧値を検知し、検知した電圧値を給電側制御部１０２に出力する。
給電側インバータ２０４は、給電側制御部１０２の制御に従って、電源部２０１から供給される直流電力を交流電力に変換して給電コイル１０３ａに供給する。なお、給電コイル１０３ａに供給する電流を給電側コイル電流という。
電流検知部２０５は、給電側インバータ２０４から給電コイル１０３ａに供給される交流電力の電流値及び電流の位相を検知し、検知した電流値及び電流の位相を給電側制御部１０２に出力する。
給電コイル１０３ａは、給電側インバータ２０４より交流電力の供給を受けることにより受電コイル１５４ａに対して給電する。
なお、電源部２０１と給電側インバータ２０４との間に電圧検知部２０３を設けたが、給電側インバータ２０４と給電コイル１０３ａとの間に電圧検知部２０３を設けてもよい。また、給電側インバータ２０４と給電コイル１０３ａとの間に電流検知部２０５を設けたが、電源部２０１と給電側インバータ２０４との間に電流検知部２０５を設けてもよい。
受電部１５４は、共振用回路２５１、電流検知部２５２、位相調整回路２５３、整流回路２５７、電圧検知部２５８を備える。
共振用回路２５１は、受電コイル１５４ａ及び共振用コンデンサ１５４ｂを含む。受電コイル１５４ａは、給電部１０３の給電コイル１０３ａによって発生した電磁界（磁束を含む）を受けて起電力を発生し、発生した起電力を位相調整回路２５３に供給する。なお、起電力によって生じる電流を、以下、受電側コイル電流という。共振用コンデンサ１５４ｂは、受電コイル１５４ａとの間で共振し、所定の周波数（共振周波数）で効率良く電流を流すのに寄与する。
電流検知部２５２は、受電コイル１５４ａから供給される電力の電流値及び電流の位相を検知し、検知した電流値及び電流の位相を車両側制御部１５３に出力する。
位相調整回路２５３は、受電コイル１５４ａと並列に位相調整コンデンサ２５５を備え、位相調整コンデンサ２５５の両端にはリレー２５４、２５６が接続されている。ギャップ、位置ずれ、ＳＯＣ（State of Charge）などの状態によって給電特性は変化するため、位相調整の要不要が生じる。これに対応するため、リレー２５４、２５６をＯＮ又はＯＦＦする。位相調整回路２５３は、車両側制御部１５３の制御によってリレー２５４、２５６がＯＮすると位相調整コンデンサ２５５が機能し、受電コイル１５４ａから供給された受電側コイル電流の位相を調整し、位相を調整した受電側コイル電流と給電側コイル電流との位相差が１８０°になるようにする。
ここで、車両側制御部１５３は、車両側通信部１５５を介して給電装置１００の給電側制御部１０２から給電側コイル電流の位相を取得し、受電部１５４の電流検知部２５２から受電側コイル電流の位相を取得する。車両側制御部１５３は、取得した給電側コイル電流と受電側コイル電流の位相差が所定の閾値以上であれば、位相調整回路２５３のリレー２５４、２５６をＯＮにするよう制御する。
整流回路２５７は、位相調整回路２５３によって位相が調整された受電側コイル電流を整流して、蓄電池１５２に供給する。
電圧検知部２５８は、整流回路２５７から蓄電池１５２に供給される直流電力の電圧値を検知し、検知した電圧値を車両側制御部１５３に出力する。
＜充電システムの回路構成＞
図３（ａ）は、図２に示した給電部１０３及び受電部１５４の等価回路を示す図である。この図において、Ｒ１は給電部１０３内の抵抗、Ｃ１は給電部１０３の共振用コンデンサ（図２中、図示しない）、Ｌ１は給電部１０３の共振用インダクタ（給電コイル１０３ａに相当）を示している。また、Ｌ２は受電部１５４の共振用インダクタ（受電コイル１５４ａに相当）、Ｒ２は受電部１５４内の配線抵抗及び整流回路２５７の抵抗、Ｃ２は共振用コンデンサ１５４ｂ、Ｃ’２は位相調整コンデンサ２５５、Ｒｌｄ＝Ｚ０は蓄電池（負荷）を示している。なお、参考までに位相調整回路を含まない等価回路を図３（ｂ）に示す。
＜コイルの配置＞
次に、上述した給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａの配置について図４を用いて説明する。図４では、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａとの位置合わせがなされた状態を示し、コイル内を貫く鉄芯は省略している。また、ｘ軸は車両１５０の横方向（＋ｘ方向を車両１５０の右方向、−ｘ方向を車両１５０の左方向）を示し、ｙ軸は車両１５０の前後方向（＋ｙ方向を車両１５０の後方、−ｙ方向を車両１５０の前方）を示し、ｚ軸は地上に対して垂直方向（＋ｚ方向を車両１５０の上方、−ｚ方向を車両１５０の下方）を示す。
図４（ａ）はｘｙ平面を、図４（ｂ）はｘｚ平面を、図４（ｃ）はｙｚ平面をそれぞれ示す。また、図４（ｄ）は給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａの斜視図を示す。
このように、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａにそれぞれ用いたソレノイドコイルが、その中心軸を地面ｇと平行に配置される。
＜磁束の方向＞
図５は、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａとの間に形成される磁場形状を示す概念図である。ただし、給電コイル１０３ａを駆動する駆動周波数は一定とする。この図は、図４に示したｙｚ平面を示す。図５（ａ）は、給電側コイル電流の位相と受電側コイル電流の位相とが同相（位相差０）の場合の磁場形状を示し、図５（ｂ）は、給電側コイル電流の位相と受電側コイル電流の位相とが逆相（位相差１８０°）の場合の磁場形状を示している。
図５（ａ）では、磁束（図中、太い矢印）が＋ｙ方向、すなわち、車両１５０の後方を向いて強め合っており、図５（ｂ）では、水平方向の磁束が互いに打ち消し合っていることが分かる。このように、給電側コイル電流の位相と受電側コイル電流の位相とを逆相とすることにより、水平方向の磁束が打ち消し合うため、不要輻射が外部に漏れることを防止することができる。
＜位相調整コンデンサの容量＞
次に、位相調整コンデンサ２５５の容量について説明する。図６は、給電側コイル電流及び受電側コイル電流の位相差と、位相調整コンデンサの容量との関係を示す図である。図６では、縦軸が位相差［°］を、横軸が位相調整コンデンサの容量［μＦ］を示している。図６より、位相調整コンデンサ容量を位相差が１８０°に最も近くなる容量に設定すればよいことが分かる。
＜実施の形態１の効果＞
このように、実施の形態１によれば、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａにソレノイドコイルを適用し、受電側コイル電流と給電側コイル電流との位相差が１８０°となるように、位相調整回路が受電側コイル電流の位相を調整することにより、給電コイル１０３ａ及び受電コイル１５４ａによって形成される水平方向の磁束が互いに打ち消し合うため、駆動周波数を変化させることなく、不要輻射が外部に漏れることを防止することができる。
（実施の形態２）
実施の形態１では、給電コイル及び受電コイルにソレノイドコイルを用いた場合について説明したが、本発明の実施の形態２では、給電コイル及び受電コイルにスパイラルコイルを用いる場合について説明する。なお、本発明の実施の形態２に係る充電システムの構成は、実施の形態１の図１及び図２に示した構成と同様であるため、異なる機能について必要に応じて図１及び図２を援用して説明する。
＜給電部及び受電部の詳細な構成＞
給電部１０３は、給電コイル１０３ａを有しており、給電コイル１０３ａは、例えば、スパイラルコイルである。給電部１０３は、給電側制御部１０２の制御に従って、給電コイル１０３ａより受電コイル１５４ａに給電を行う。
受電部１５４は、受電コイル１５４ａを有している。受電コイル１５４ａは、例えば、スパイラルコイルであり、給電部１０３の給電コイル１０３ａから給電される電力を受電する。
位相調整回路２５３は、受電コイル１５４ａと並列に位相調整コンデンサ２５５を備え、位相調整コンデンサ２５５の両端にはリレー２５４、２５６が接続されている。位相調整回路２５３は、車両側制御部１５３の制御によってリレー２５４、２５６がＯＮすることによって位相調整コンデンサ２５５が機能し、受電コイル１５４ａから供給された受電側コイル電流の位相を調整し、位相を調整した受電側コイル電流と給電側コイル電流との位相差が０になるようにする。
＜コイルの配置＞
給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａの配置について図７を用いて説明する。図７では、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａとの位置合わせがなされた状態を示している。
図７（ａ）はｘｙ平面を、図７（ｂ）はｙｚ平面を、図７（ｃ）はｘｚ平面をそれぞれ示す。また、図７（ｄ）は給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａの斜視図を示す。
このように、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａにそれぞれ平板状のスパイラルコイルを用い、スパイラルコイルはその平板面が地面ｇと平行に配置される。
＜磁束の方向＞
図８は、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａとの間に形成される磁場形状を示す概念図である。ただし、給電コイル１０３ａを駆動する駆動周波数は一定とする。この図は、図７に示したｙｚ平面またはｘｚ平面を示す。図８（ａ）は、給電側コイル電流の位相と受電側コイル電流の位相とが逆相（位相差１８０°）の場合の磁場形状を示し、図８（ｂ）は、給電側コイル電流の位相と受電側コイル電流の位相とが同相（位相差０）の場合の磁場形状を示している。
図８（ａ）では、磁束（図中、太い矢印）が水平方向を向いており、図８（ｂ）では、水平方向の磁束が互いに打ち消し合い、垂直方の磁束（図中、太い矢印）が＋ｚ方向、すなわち、車両１５０の方向を向いていることが分かる。このように、給電側コイル電流の位相と受電側コイル電流の位相とを同相とすることにより、水平方向の磁束が打ち消し合うため、不要輻射が外部に漏れることを防止することができる。
＜実施の形態２の効果＞
このように、実施の形態２によれば、給電コイル１０３ａと受電コイル１５４ａにスパイラルコイルを適用し、受電側コイル電流と給電側コイル電流との位相差が０°となるように、位相調整回路が受電側コイル電流の位相を調整することにより、給電コイル１０３ａ及び受電コイル１５４ａによって形成される水平方向の磁束が打ち消し合うため、駆動周波数を変化させることなく、不要輻射が外部に漏れることを防止することができる。
以上、実施の形態について説明した。
なお、上記各実施の形態では、位相調整回路に位相調整コンデンサを用いる場合を例に説明した。しかし、本発明はこれに限らない。例えば、図９に示すように、位相調整回路２５３に位相調整インダクタ２６１を用いてもよい。この場合、位相調整回路２５３は、リレー２６２がＯＮし、リレー２６３がＯＦＦすることによって位相調整インダクタ２６１が機能する。逆に、位相調整インダクタ２６１の機能をＯＦＦする場合は、リレー２６２をＯＦＦし、リレー２６３をＯＮする。なお、図１０に、図９に示した給電部１０３及び受電部１５４の等価回路を示す。
また、上記各実施の形態では、共振用回路として、受電コイルとコンデンサを並列に接続した場合を例に説明した。しかし、本発明はこれに限らない。例えば、図１１（ａ）に示すように、受電コイル１５４ａの一端にコンデンサを直列に接続してもよいし、図１１（ｂ）に示すように、受電コイル１５４ａの両端にコンデンサを直列に接続してもよい。
また、上記各実施の形態では、位相調整コンデンサの容量を一定とする場合を例に説明した。しかし、本発明はこれに限らず、位相調整コンデンサを可変容量コンデンサとしてもよい。この場合、駆動周波数に応じて容量を調整することにより、水平方向の磁束を打ち消し合うように形成することができる。
本発明にかかる非接触受電装置は、例えば、ＰＨＥＶまたはＥＶ等の車両に適用できる。
１０ 充電システム
１００ 給電装置
１０１ 給電側通信部
１０２ 給電側制御部
１０３ 給電部
１０３ａ 給電コイル
１５０ 車両
１５１ 車両側操作部
１５２ 蓄電池
１５３ 車両側制御部
１５４ 受電部
１５４ａ 受電コイル
１５４ｂ 共振用コンデンサ
１５５ 車両側通信部
１６０ 給電側操作部
２０１ 電源部
２０２ 切替部
２０３、２５８ 電圧検知部
２０４ 給電側インバータ
２０５、２５２ 電流検知部
２５１ 共振用回路
２５３ 位相調整回路
２５４、２５６、２６２、２６３ リレー
２５５ 位相調整コンデンサ
２５７ 整流回路
２６１ 位相調整インダクタ

Claims (9)

  1. 非接触で電力を受電する非接触受電装置であって、
    給電コイルからの給電を受けるための受電コイルおよび共振用コンデンサを含む共振用回路と、
    前記共振用回路の後段に、特定の周波数における給電側コイル電流と受電側コイル電流の位相差を、水平方向の磁束を打ち消し合うように調整する位相調整回路と、
    を具備する非接触受電装置。
  2. 前記位相調整回路は、前記受電コイルと並列に接続されたコンデンサである、
    請求項１に記載の非接触受電装置。
  3. 前記位相調整回路は、前記受電コイルと直列に接続されたインダクタである、
    請求項１に記載の非接触受電装置。
  4. 前記位相調整回路は、当該位相調整回路の動作を切り替えるリレーを備える、
    請求項１に記載の非接触受電装置。
  5. 前記リレーは、前記特定の周波数を駆動周波数とする場合に、前記位相調整回路を動作させるように切り替えられる、
    請求項４に記載の非接触受電装置。
  6. 前記リレーは、前記給電側コイル電流と前記受電側コイル電流との位相差に基づいて、前記位相調整回路を動作させるように切り替えられる、
    請求項５に記載の非接触受電装置。
  7. 前記位相調整回路は、前記受電コイルと並列に接続された可変容量コンデンサである、
    請求項１に記載の非接触受電装置。
  8. 前記可変容量コンデンサは、駆動周波数に応じて、前記水平方向の磁束を打ち消し合うように容量を変える、
    請求項７に記載の非接触受電装置。
  9. 前記給電コイル及び前記受電コイルは、ソレノイドコイル又はスパイラルコイルである、
    請求項１に記載の非接触受電装置。
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