JP2010154624A - 共鳴型非接触充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】充電の停止時にダメージを受けることを防止することができる共鳴型非接触充電装置を提供する。
【解決手段】送電側コイル１１は高周波電源１３から高周波電力の供給を受ける。受電側コイル２１は送電側コイル１１と離間して配置され、送電側コイル１１からの電力を磁場共鳴して受電する。充電器２４は受電側コイル２１から高周波電力の供給を受ける。車両側コントローラ２７は、充電停止時に充電器２４よりも高周波電源１３を先に停止させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、共鳴型非接触充電装置に関するものである。

無線で電力を送る技術として共鳴方式（特許文献１等）が挙げられる。この共鳴方式による電力伝送システムは、共鳴用一次コイルから非接触で共鳴用二次コイルに共鳴により電力を伝送するものである。詳しくは、送電側の共鳴用一次コイルに交流電界を印加すると、その周辺に振動磁場が発生し共鳴現象によって受電側の共鳴用二次コイルに電力が伝わる現象を利用している。
国際公開第２００７／００８６４６号パンフレット

ところが、共鳴型非接触充電装置において、給電側に高周波電源および共鳴用一次コイルを設けるとともに受電側に共鳴用二次コイルおよび充電器を設けた場合、高周波電送方式であるため、高周波電源よりも充電器を先に停止してしまうと反射電力により高周波電源がダメージを受けてしまう虞がある。また、高周波電源よりも充電器を先に停止させると、充電器の入力電圧（共鳴系の出力電圧）が急上昇して充電器がダメージを受けてしまう虞がある。

本発明は、このような背景の下になされたものであり、その目的は、充電の停止時にダメージを受けることを防止することができる共鳴型非接触充電装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明では、高周波電源と、前記高周波電源から高周波電力の供給を受ける共鳴用一次コイルと、前記共鳴用一次コイルと離間して非接触で配置され、前記共鳴用一次コイルからの電力を磁場共鳴して受電する共鳴用二次コイルと、前記共鳴用二次コイルから高周波電力の供給を受ける充電器と、前記充電器に接続される二次電池と、充電の停止時に前記充電器よりも前記高周波電源を先に停止する停止制御手段と、を備えたことを要旨とする。

請求項１に記載の発明によれば、停止制御手段により、充電の停止時に充電器よりも高周波電源が先に停止される。これにより、充電停止時に反射電力により高周波電源がダメージを受けることが防止できる。また、充電の停止時に充電器がダメージを受けることを防止することができる。

請求項２に記載のように、請求項１に記載の共鳴型非接触充電装置において、前記高周波電源および前記共鳴用一次コイルは地上側に設置され、前記共鳴用二次コイル、前記充電器および前記二次電池は車両に搭載されているとよい。

本発明によれば、充電の停止時にダメージを受けることを防止することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
本実施形態では、ハイブリッド車における車載バッテリの充電システム、即ち、車載バッテリを充電するための共鳴型非接触充電装置に適用している。図１に示すように、自動車１において、車体の前面部の例えばフロントバンパーの内部には受電側コイル２１が取付けられている。受電側コイル２１は銅線を螺旋状に巻回して構成されている。受電側コイル２１は軸線（螺旋の中心軸）が車両の上下方向となるように配置されている。

充電スタンドにおける床には地上側設備１０が埋設されている。地上側設備１０は送電側コイル１１を有している。送電側コイル１１は銅線を螺旋状に巻回して構成されている。送電側コイル１１は軸線（螺旋の中心軸）が地上面に対して直交するように配置されている。そして、自動車１が充電スタンドにおいて充電する際には、送電側コイル１１の軸線（螺旋の中心軸）と受電側コイル２１の軸線（螺旋の中心軸）とが一致または接近するように配置される。

図２には共鳴型非接触充電装置の全体構成を示す。地上側に配置される地上側設備１０として、送電側コイル１１とコイル１２と高周波電源（交流電源）１３と電源側コントローラ１４を備えている。車両に搭載される車載側機器２０として、受電側コイル２１とコイル２２と整流器２３と充電器２４と二次電池であるバッテリ２５と充電ＥＣＵ２６と車両側コントローラ２７とを備えている。

高周波電源１３は例えば数ＭＨｚ程度の高周波電力を出力する。高周波電源１３にはコイル１２が接続され、このコイル１２に送電側コイル１１が電磁誘導にて結合されており、高周波電源１３からコイル１２を介して電磁誘導により送電側コイル１１に電力が伝送される。このように、共鳴用一次コイルとしての送電側コイル１１は高周波電源１３からコイル１２を介して高周波電力の供給を受ける（高周波電源１３の高周波がコイル１２を介して送電側コイル１１に供給される）。送電側コイル１１にはコンデンサＣが接続されている。

高周波電源１３には電源側コントローラ１４が接続されている。電源側コントローラ１４から高周波電源１３に電源オン／オフ信号が送られ、この信号により高周波電源１３がオン／オフされる。電源側コントローラ１４は充電開始／停止信号を入力する。この充電開始／停止信号は地上側において人による充電開始／停止のスイッチ操作に伴う信号である。

共鳴用二次コイルとしての受電側コイル２１は送電側コイル１１と離間して非接触で配置され、送電側コイル１１からの電力を磁場共鳴して受電する。受電側コイル２１にはコイル２２が電磁誘導にて結合され、このコイル２２に整流器２３が接続されており、受電側コイル２１から電磁誘導によりコイル２２に電力が伝送され、コイル２２から整流器２３に送られる。受電側コイル２１において給電した電力が整流器２３により整流される。受電側コイル２１にはコンデンサＣが接続されている。

整流器２３には充電器２４が接続されている。充電器２４は受電側コイル２１から高周波電力の供給を受けて整流後の電力が充電器２４において昇圧等される。充電器２４はスイッチング素子を備えており、スイッチング素子をオン／オフ制御することにより出力電圧、出力電流が調整される。充電器２４にはバッテリ２５が接続され、バッテリ２５が充電器２４により充電される。

充電器２４には充電ＥＣＵ２６が接続されている。バッテリ２５の充電時には充電ＥＣＵ２６により充電器２４での出力電流・出力電圧をモニタしつつ充電器２４のスイッチング素子が制御される。また、充電ＥＣＵ２６から充電器２４に充電オン／オフ信号が送られ、この信号により充電器２４がオン／オフされる。また、充電ＥＣＵ２６はバッテリ電圧Ｖｂを検知している。充電ＥＣＵ２６には車両側コントローラ２７が接続されている。充電ＥＣＵ２６から車両側コントローラ２７に充電完了信号が送られる。車両側コントローラ２７にはイグニッション信号および充電開始／停止信号が送られる。イグニッション信号は、車両のイグニッションスイッチの操作信号である。また、充電開始／停止信号は乗員による充電開始／停止のスイッチ操作に伴う信号である。

地上側設備１０の電源側コントローラ１４と、車載側機器２０の車両側コントローラ２７とは無線にて通信できるようになっている。
次に、このように構成した共鳴型非接触充電装置の作用を、図３のタイムチャートを用いて説明する。

図３において、上から、バッテリ電圧Ｖｂ、充電完了信号、電源オン／オフ信号、充電オン／オフ信号を示す。
地上側の人または乗員が充電開始スイッチをオン操作する（図３のｔ１のタイミング）。すると、充電開始信号が電源側コントローラ１４または車両側コントローラ２７に送られる。電源側コントローラ１４と車両側コントローラ２７とは無線通信にて充電開始スイッチのオン操作情報を共有している。そして、電源側コントローラ１４から高周波電源１３への電源オン／オフ信号がＨレベルにされる（電源オン指令が出力にされる）。また、車両側コントローラ２７は充電ＥＣＵ２６に充電開始指令を出し、これにより、充電ＥＣＵ２６から充電器２４への充電オン／オフ信号がＨレベルにされる（充電オン指令が出力される）。

充電の開始によりバッテリ電圧Ｖｂが上昇していき、予め設定した閾値に達すると（図３のｔ２のタイミング）、充電ＥＣＵ２６は経時動作を開始する。そして、充電ＥＣＵ２６は閾値を超えてから所定の充電時間Ｔｃが経過すると（図３のｔ３のタイミング）、充電が完了したとして車両側コントローラ２７に充電完了信号を出力する。

車両側コントローラ２７は充電完了信号を入力すると、無線通信により電源側コントローラ１４に充電が完了したことを通知する。すると、電源側コントローラ１４は直ちに高周波電源１３への電源オン／オフ信号をＬレベルにする（電源オフ指令が出力される）。これにより高周波電源１３がオフする。

一方、充電ＥＣＵ２６は所定の充電時間Ｔｃが経過してから（図３のｔ３のタイミングから）予め定めたディレー時間Ｔｄが経過すると（図３のｔ４のタイミング）、充電器２４への充電オン／オフ信号をＬレベルにする（充電オフ指令が出力される）。これにより充電器２４がオフする。

このようにして、充電を停止する際、一次側の高周波電源１３をオフした後に二次側の充電器２４をオフする。つまり、充電ＥＣＵ２６が充電完了と判断した場合は、先に高周波電源１３を停止し、その後に、充電器２４を停止する。この順番で充電を完了する。

共鳴型非接触充電装置は、高周波電送方式であるため高周波電源１３よりも充電器２４を先に停止してしまうと反射電力により高周波電源１３がダメージを受ける可能性がある。具体的には、高周波電源１３において反射電力が熱に変換されて高周波電源１３が過熱される。また、高周波電源１３よりも充電器２４を先に停止してしまうと、充電器２４の入力端子の電圧が上昇して充電器２４がダメージを受ける。これに対し本実施形態では一次側の高周波電源１３を、二次側の充電器２４よりも先に停止させることにより、反射電力により高周波電源１３がダメージを受けることが防止できるとともに充電器２４において入力端子の電圧が上昇することもない。

以上のように本実施形態によれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）共鳴型非接触充電装置の構成として、高周波電源１３と、共鳴用一次コイルとしての送電側コイル１１と、共鳴用二次コイルとしての受電側コイル２１と、充電器２４とに加えて、停止制御手段としての車両側コントローラ２７を設け、車両側コントローラ２７により充電の停止時に充電器２４よりも高周波電源１３を先に停止させるようにした。これにより、充電停止時に反射電力により高周波電源１３がダメージを受けることが防止できるとともに、充電の停止時に充電器２４がダメージを受けることを防止することができる。

（２）高周波電源１３および共鳴用一次コイル（１１）は地上側に設置され、共鳴用二次コイル（２１）、充電器２４およびバッテリ２５は車両に搭載されているので、実用上好ましい。

実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
・充電器２４や車両システム等の異常時も同様に、先に高周波電源１３を停止し、その後に、充電器２４を停止してもよい。具体的には、図２の車両側コントローラ２７に車両異常信号等を入力して異常時には高周波電源１３、充電器２４の順で停止させる。車両異常信号は、例えばバッテリが過熱されたときや車載用コントローラが過熱されたり故障等の異常が発生したときに送出される。

・イグニッションスイッチ、充電停止スイッチ等の操作時にも同様に、先に高周波電源１３を停止し、その後に、充電器２４を停止してもよい。
・ハイブリッド車における共鳴型非接触充電装置に適用したが、車両用に限ることはない。

・送電側コイル１１および受電側コイル２１は、それぞれ電線が螺旋状に巻回された形状に限らず、一平面状で渦巻き状に巻回された形状としてもよい。この場合、コイルの軸方向の長さが小さくなり、地上に形成する穴の深さを浅くすることができる。

・送電側コイル１１、コイル１２、受電側コイル２１、コイル２２の外形は、円形に限らず、例えば、四角形や六角形や三角形等の多角形にしたり、あるいは楕円形にしたりしてもよい。

・送電側コイル１１および受電側コイル２１に接続されたコンデンサＣを省略してもよい。しかし、コンデンサＣを接続した構成の方が、コンデンサＣを省略した場合に比べて、共鳴周波数を下げることができる。また、共鳴周波数が同じであれば、コンデンサＣを省略した場合に比べて、送電側コイル１１および受電側コイル２１の小型化が可能となる。

本実施形態における自動車の概略構成図。 共鳴型非接触充電装置の電気的構成を示す回路構成図。 作用を説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１１…送電側コイル、１３…高周波電源、１４…電源側コントローラ、２１…受電側コイル、２３…整流器、２４…充電器、２５…バッテリ、２６…充電ＥＣＵ、２７…車両側コントローラ。

Claims (2)

1. 高周波電源と、
   前記高周波電源から高周波電力の供給を受ける共鳴用一次コイルと、
   前記共鳴用一次コイルと離間して非接触で配置され、前記共鳴用一次コイルからの電力を磁場共鳴して受電する共鳴用二次コイルと、
   前記共鳴用二次コイルから高周波電力の供給を受ける充電器と、
   前記充電器に接続される二次電池と、
   充電の停止時に前記充電器よりも前記高周波電源を先に停止させる停止制御手段と、
   を備えたことを特徴とする共鳴型非接触充電装置。
2. 前記高周波電源および前記共鳴用一次コイルは地上側に設置され、前記共鳴用二次コイル、前記充電器および前記二次電池は車両に搭載されている請求項１に記載の共鳴型非接触充電装置。

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