JP2010098896A

JP2010098896A - 給電システム

Info

Publication number: JP2010098896A
Application number: JP2008269305A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Amano; 也寸志天野; Shinji Ichikawa; 真士市川
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2008-10-20
Filing date: 2008-10-20
Publication date: 2010-04-30
Anticipated expiration: 2028-10-20
Also published as: JP5277858B2

Abstract

【課題】施設側に設けられた給電コイルから、車両等の移動体に設けられた受電コイルに非接触で電力を供給する際に、高効率で給電する。
【解決手段】施設に設けられた給電コイル１と、車両等の移動体に設けられた受電コイル２を備える給電システムに関する。給電コイル１の位置を検出するとともに、移動体の位置を検出する。給電コイル１の位置及び移動体の位置に基づき、給電コイル１が発生する磁界ベクトルの向きを算出し、磁界ベクトルの向きに一致するように給電コイル１あるいは受電コイル２の向きを調整することで任意の位置において高効率で給電を行う。
【選択図】図２

Description

本発明は給電システム、特に施設側に設けられた給電コイルから、車両等の移動体に設けられた受電コイルに非接触で電力を供給するシステムに関する。

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、非接触給電装置及び自律移動装置用給電システムが開示されている。被接触給電装置は、自律移動装置の有する二次コイルに電磁結合する一次コイルと、二次コイル側の受電状態を取得する通信手段と、一次コイル側の給電状態を取得する給電状態取得手段と、給電状態取得手段によって得られた一次コイル側の給電状態及び通信手段によって得られた二次コイル側の受電状態から給電効率を取得する給電効率取得手段と、給電効率取得手段によって得られた給電効率を最大とするように一次コイルの位置を移動させる位置決め手段と、給電効率が所定の値以下のときに通信手段を介して二次コイル側にリトライ信号を送信するリトライ指示手段と、非接触給電装置の各手段を制御する制御手段を備えている。

特開２００６−３４５５８８号公報ＷＯ２００７／００８６４６号公報

しかしながら、給電コイルと受電コイルの位置関係により、磁界の強さと向きを表す磁界ベクトルは変化する。図８に、給電コイルにより形成される周辺磁界強度と向きを示す。強度は、各位置での強度を最大強度で割った正規化強度である。給電コイルからの距離がその方向の磁界強度の大きさを示す。このため、高い給電効率を得るためには磁界が強い方向に常にコイルの向きを調整する必要があるところ、受電コイルが車両等の移動体に搭載されている場合には走行中は常に位置や向きが時々刻々変化するため、給電効率を検出しながら位置を調整することは困難である。また、移動体が停止しているときには位置や向きが変化しないが、コイルの可動範囲は限られているため、たとえ停止位置で最大の効率が得られるように制御しても、その効率が本来必要な効率である保証はない。

本発明の目的は、施設側に設けられた給電コイルから、車両等の移動体に設けられた受電コイルに非接触で電力を供給する際に、高効率で給電することができるシステムを提供することにある。

本発明は、施設に設けられた給電コイルと、移動体に設けられた受電コイルと、前記給電コイルの位置を検出する手段と、前記移動体の位置を検出する手段と、前記給電コイルの位置及び前記移動体の位置に基づき、前記給電コイルが発生する磁界ベクトルの向きを算出し、前記磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルの向きを調整する手段とを有する。

本発明の１つの実施形態では、前記移動体の移動コースを予測する手段と、予測した移動コースが前記給電コイルの所定近傍エリアである給電可能領域内に一定時間以上存在し、かつ、前記予測した移動コースの各位置における磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルを向けることができるか否かを判定する手段とをさらに有する。

また、本発明の１つの実施形態では、前記判定する手段にて、前記予測した移動コースが前記給電コイルの所定近傍エリアである給電可能領域内に一定時間以上存在しない、あるいは、前記予測した移動コースの各位置における磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルを向けることができないと判定された場合に、前記移動体の移動コースを修正するように報知する手段を有する。

また、本発明の１つの実施形態では、前記判定する手段にて、前記予測した移動コースが前記給電コイルの所定近傍エリアである給電可能領域内に一定時間以上存在し、かつ、前記予測した移動コースの各位置における磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルを向けることができると判定された場合に、前記調整する手段は、前記給電可能領域内に進入する際には前記予測した移動コースに基づいて前記給電コイルあるいは前記受電コイルの向きを調整する。

本発明によれば、施設側に設けられた給電コイルから、車両等の移動体に設けられた受電コイルに非接触で電力を供給する際に、高効率で給電することができる。

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。給電システムは、給電ステーション等の施設に設けられた給電コイル（一次コイル）と、車両等の移動体に設けられた受電コイル（二次コイル）を含んで構成される。また、給電システムは、給電コイルの位置を検出するコイル位置検出部１０及び受電コイルを搭載する車両の位置を検出する車両位置検出部１２を有する。受電コイルは車両の特定位置に設けられているので、車両位置を検出することは受電コイルの位置を検出することに等しい。コイル位置検出部１０で検出された給電コイル位置及び車両位置検出部１２で検出された車両位置、つまり受電コイル位置は、コイル位置関係検出部１４に供給される。

コイル位置関係検出部１４は、給電コイル位置と受電コイル位置から、給電コイルと受電コイルの相対的位置関係を算出する。具体的には、給電コイルに対する受電コイルの距離となす角度である。コイル位置関係検出部１４で検出された給電コイルと受電コイルの相対的位置関係は、磁界ベクトル算出部１６に供給される。

磁界ベクトル算出部１６は、給電コイルと受電コイルの相対的位置関係及び予め定められた電源周波数（駆動周波数）から、受電コイル位置における磁界ベクトルを算出する。算出された磁界ベクトルは最適コイル方向算出部１８に供給される。

最適コイル方向算出部１８は、受電コイル位置における磁界ベクトルに基づき、この受電コイル位置において磁界が最も強くなる受電コイルの向きを検出する。算出された受電コイルの向きは、コイル駆動部２０に供給される。

コイル駆動部２０は、最適コイル方向算出部１８で算出された最適なコイル方向となるように受電コイルを駆動してその向きを調整する。

コイル位置検出部１０、車両位置検出部１２、コイル位置関係検出部１４、磁界ベクトル算出部１６、最適コイル方向算出部１８、及びコイル駆動部２０は、例えば受電コイルを搭載する車両側に搭載することができる。この場合、コイル位置検出部１０は、道路側に設置された基地局あるいは路上ビーコンとの通信により給電コイル位置を検出することができる。すなわち、基地局あるいは路上ビーコンから最寄りの給電ステーション内の給電コイル位置についての情報を無線送信し、車両側の受信装置でこの情報を受信して給電コイル位置を取得する。また、車両位置検出部１２は、車両に搭載されたカーナビゲーションシステムで検出された車両の現在位置を利用して受電コイル位置を検出することができる。受電コイルは車両の特定位置に設けられるから、車両の現在位置から受電コイル位置を検出することは容易である。コイル位置関係検出部１４、磁界ベクトル算出部１６、最適コイル方向算出部１８は、車両に搭載されたコンピュータで実現できる。コイル駆動部２０は、車両に搭載されたモータであり、受電コイルを回転させてその向きを調整する。受電コイルは車載電池に接続され、受電した電力で車載電池を充電する。車載電池はニッケル水素電池やリチウムイオン電池その他の二次電池である。受電コイルと車載電池の間に充電制御部を設け、充電制御部で車載電池の充電を制御してもよい。例えば、充電制御部は、車載電池の充電状態（ＳＯＣ）を監視し、充電により車載電池が満充電状態になったことを検出すると充電停止を指令する。この充電停止指令は給電ステーション側に無線等で送信され、給電コイルへの給電が停止される。充電制御部は、車載電池が満充電状態となった場合、受電コイルと車載電池との接続をスイッチ手段等により遮断してもよい。コイル位置検出部１０、車両位置検出部１２、コイル位置関係検出部１４、磁界ベクトル算出部１６、最適コイル方向算出部１８の動作を統合的に制御する制御部を設けてもよい。

図２に、給電コイル１と受電コイル２を示す。給電コイル１と受電コイル２のコイル径は例えば３０ｃｍ、給電コイル１と受電コイル２の同心軸間距離が８０ｃｍとする。また、給電コイル１と受電コイル２の共振周波数は等しく設定される。給電コイル１と受電コイル２の距離をＤ、受電コイル２の同軸軸が給電コイル１の同心軸に対してなす角度をθとする。図中、受電コイル２を右方向に移動させる場合を距離Ｄのプラス側、受電コイル２を左方向に移動させる場合を距離Ｄのマイナス側とする。また、受電コイル２の左端が給電コイル１の右端に重なる場合をＤ＝０とする。

図３に、角度θを０度とし、距離Ｄを−２０ｃｍ、−１０ｃｍ、０ｃｍ、１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍ、４０ｃｍ、５０ｃｍ、６０ｃｍと変化させた場合の、電源周波数（駆動周波数）と給電効率の関係を示す。Ｄ＝−１０ｃｍ、−２０ｃｍの場合には給電コイル１と受電コイル２が並列的に配置する関係であり、Ｄ＝０ｃｍの場合と同程度あるいはそれ以上の給電効率が得られる。Ｄを０ｃｍから１０ｃｍ、２０ｃｍ、３０ｃｍと離すと給電効率は急峻に低下するが、Ｄ＝４０ｃｍ、５０ｃｍ、６０ｃｍの場合には２０ｃｍ、３０ｃｍの場合よりも逆に効率が大きくなる。この図より、角度θが０度の場合には、距離Ｄが２０ｃｍあるいは３０ｃｍにおいて著しく効率が低下してしまう。

図４に、距離Ｄを３０ｃｍとし、角度θを１０度、３０度、４５度、６０度、７５度、９０度と変化させた場合の、電源周波数（駆動周波数）と給電効率の関係を示す。角度θが増大するに従って効率が増大し、角度θ＝９０度において８０％程度の効率が得られる。この図より、たとえ距離Ｄが３０ｃｍであっても、その位置において角度θを調整することで、高い効率で給電できる。

もちろん、図３及び図４は一例であり、任意の距離Ｄにおいて、角度θを調整することで給電効率を上げることができる。本実施形態では、この事実に鑑み、任意の位置において受電コイル２の向きを調整することにより最大効率で受電でき、車載電池を短時間に充電する。

図５に、本実施形態の処理フローチャートを示す。まず、車両乗員等のユーザは、操作手段を操作して車載電池の充電実施指令を入力する（Ｓ１０１）。操作手段は、例えば運転席近傍のインストルメントパネルに設けられた充電ボタンとすることができる。

充電実施指令が入力されると、制御部はこの充電実施指令に応じて車両位置検出部１２を起動する。車両位置検出部１２は、カーナビゲーションシステムで検出された自車位置を取り込むことで自車位置を検出する（Ｓ１０２）。すなわち、ＧＰＳ衛星からのＧＰＳ信号をアンテナで受信して自車位置を検出する。ＧＰＳ信号に加え、車速と操舵角あるいは方位のデータを組み合わせて自車位置を検出してもよい。車速、操舵角はそれぞれ車速センサ、操舵角センサで検出し、方位は地磁気方位センサで検出する。また、地図データとの照合（マップマッチング）により自車位置を検出してもよい。さらに、いわゆる差動ＧＰＳ（Ｄ−ＧＰＳ）を用いてもよい。自車位置は、２次元平面の座標（緯度、経度）として検出する。上述したように、受電コイル２は車両の所定位置に設けられているため、自車位置は受電コイル２の位置に等しい。なお、自車位置が車両の重心位置あるいはＧＰＳアンテナ位置であり、受電コイル２がこれらの位置から離間している場合には、自車位置に対して所定のオフセットを持たせることで受電コイル２の位置が得られる。例えば、自車位置（ｘ，ｙ）に対し、（ｘ＋Δｘ，ｙ＋Δｙ）により受電コイル２の位置が得られる。Δｘ、Δｙは、それぞれ自車位置の基準位置（例えば車両の重心）から受電コイル設置位置までのｘ方向距離、ｙ方向距離である。

自車位置、つまり受電コイル２の位置を検出すると、次に制御部はコイル位置検出部１０を起動する。コイル位置検出部１０は、路車間通信により最寄りの給電コイル１の位置を検出する（Ｓ１０３）。給電コイル１の位置も、同じ２次元平面の座標（緯度、経度）として検出する。なお、給電コイル１の位置を送信する基地局あるいは路上ビーコンは、常時給電コイル１の位置を送信する他、車両からの送信要求に応じて給電コイル位置を送信してもよい。すなわち、車両が基地局あるいは路上ビーコンの通信エリアに進入した場合、車両の制御部は基地局あるいは路上ビーコンに向けて給電コイル１の位置情報の送信要求を送信する。基地局あるいは路上ビーコンは、この送信要求を受信すると、車両に最も近い給電コイル１の位置情報をメモリから読み出して車両に向けて返信する。車両に最も近い給電コイル１は、例えば車両から自車位置のデータを基地局あるいは路上ビーコンに向けて送信し、受信した車両位置に最も近い給電コイル１を探索することで得られる。

受電コイル２の位置及び給電コイル１の位置を検出した後、制御部はコイル位置関係検出部１４を起動する。コイル位置関係検出部１４は、給電コイル１の位置と受電コイル２の位置から、給電コイル１に対する受電コイル２の相対的位置関係を算出する（Ｓ１０４）。具体的には、コイル位置関係検出部１４は、給電コイル１と受電コイル２の距離Ｄ、及び給電コイル１に対する受電コイル２のなす角度θを算出する。

次に、コイル位置関係検出部１４は、車両の車速及び操舵角のデータから、車両モデルに基づいて、このまま走行した場合に予め規定された時間までに車両が給電コイル１近傍の給電可能領域に達するか否かを判定する。例えば、車速と操舵角に基づいて、２秒後の車両位置を推測し、この位置が給電コイル１近傍の所定の給電可能領域内にあるか否かを判定する。給電可能領域は、給電コイル１から所定半径内の円領域あるいは所定距離内の矩形領域として設定される。そして、規定時間までに給電可能領域に進入すると予測される場合、車速データ及び操舵角データに基づいて給電可能領域での車両軌跡及び車両姿勢を予測する（Ｓ１０５）。

車両軌跡及び車両姿勢を予測した後、磁界ベクトル算出部１６は、予測された車両軌跡上での磁界ベクトルを予め作成したマップや計算式から算出する（Ｓ１０６）。図６に、給電コイル１に対する受電コイル２の位置と磁界ベクトルＨｃとの関係を示す。磁界ベクトルＨｃのｒ方向成分Ｈｒ及びθ方向成分Ｈθは、それぞれ

により算出される。ここで、Ｉは駆動電流、ΔＳは給電コイル面積、ｒはコイル間距離であり、ｋ＝λ／２π（λは電磁波の波長）であり、給電コイル１の同心軸方向に対する磁界ベクトルＨｃの向きはθｃである。

磁界ベクトル及びその向きを算出した後、最適コイル方向算出部１８は、給電可否の判定を行う。すなわち、予測された軌跡上において、受電コイル２の可動範囲内で受電コイル２を磁界ベクトル方向（磁界が強い方向）に向けられるか否か、つまりその方向に向けるために必要な角度が調整可能範囲内か否かを判定する。そして、調整可能である場合に給電が可能であると判定する（Ｓ１０７）。一方、その方向に向けるために必要な角度が調整可能範囲外である場合には、給電不可と判定する。例えば、磁界ベクトルの方向が８０度の方向であり、車両姿勢角を考慮すると受電コイル２を現在の向きからその方向に向けるためには受電コイルを１００度程度回転させなければならないところ、受電コイル２を回転駆動できる可動範囲が０度〜９０度である場合、給電は不可と判定する。また、予測軌跡がすぐに給電可能領域から外れてしまうような場合にも、給電不可と判定する。言い換えるならば、予測軌跡が一定時間以上給電可能領域内にあり、かつ、予測軌跡の各位置において磁界ベクトル方向に受電コイル２を向けることができる場合に給電可と判定する。

この一定時間は、車載電池の充電に必要と考えられる時間であり、必ずしも固定ではなく、車載電池の充電状態（ＳＯＣ）や車速に応じて可変としてもよい。車載電池の充電状態が高く、それほどの充電が必要ではない場合には一定時間は短く設定できる。また、同じコースであっても車速により給電可能領域の通過時間が異なるため、車速が早いほど設定時間は短くなる。しかし、車速が速すぎて時間が短くなりすぎる場合には給電不可と判定する。あるいは、コース進入時に充電状態が低く、かつ、車速が高い場合には、給電のために減速するようにドライバに音声や画面表示などの情報提示を行うようにしてもよい。

Ｓ１０７にて給電不可と判定された場合、制御部は走行コースを修正するように車両乗員に報知する（Ｓ１１０）。あるいは、制御部は走行コースの修正を容易化するために操舵アシストを行う。

図７に、操舵アシストを行う場合の制御例を示す。給電コイル１に対し、所定距離内の矩形領域が給電可能領域７０であるとする。車両１００の予測軌跡２００は給電可能領域７０を通過する軌跡である。また、車両１００の予測軌跡３００は、すぐに給電可能領域７０を外れてしまう軌跡である。予測軌跡２００の場合には給電可として走行コースを修正する必要はないが、予測軌跡３００の場合には給電不可と判定されて走行コースの修正が必要となる。走行コースの修正が必要な場合、制御部は車両１００を目標軌跡５００に沿って走行するように車両乗員に指示し、あるいは操舵アシストする。目標軌跡５００は、給電コイル１の真上を通過するような直線コースである。操舵アシストする場合、制御部は操舵角を
δ（ｋ）＝δ（ｋ−１）＋ｇ・ｅ（ｔ＋τ）
により算出する。δ（ｋ）はステップｋにおける操舵角、δ（ｋ−１）は１ステップ前の操舵角、ｇは制御ゲイン、ｅ（ｔ＋τ）は時刻ｔ＋τにおける目標軌跡５００からの予測誤差である。上式は、時刻ｔ＋τ（ｔは現在時刻、τは予測時間）における予測誤差を解消するように、現在の操舵角を補正することを意味する。このような予測制御を行うことで、予測軌跡３００は軌跡４００のように修正され、給電不可状態から給電可能状態へと変化する。操舵アシストする場合においても、車両乗員に現在の走行コースでは給電することができない旨、及び操舵アシストを行う旨を報知することが望ましい。

一方、Ｓ１０７で給電可と判定された場合、最適コイル方向算出部１８は、受電コイル２の各位置において磁界ベクトル方向θｃを算出する（Ｓ１０８）。具体的には、車両が未だ給電可能領域７０内に進入していない場合には、Ｓ１０５で予測した走行コースに従ったときの給電可能領域７０への進入位置における磁界ベクトル方向θｃを算出する。また、車両が給電可能領域７０内に進入した場合には、検出された現在の位置もしくは、検出遅れやアクチュエータ追従遅れに相当する時間分だけ前の予想位置における磁界ベクトル方向θｃを算出する。

給電可能領域７０内の各位置において磁界ベクトル方向を算出した後、コイル駆動部２０は、算出された磁界ベクトル方向θｃに受電コイル２の向きを調整、つまり受電コイル２の同心軸方向が磁界ベクトル方向θｃとなるように駆動する。これにより、給電可能領域７０内における任意の位置で高効率受電が可能となる（Ｓ１０９）。

以上の処理は、車載電池が満充電状態となるまで、あるいはユーザからの充電停止指令が入力されるまで、あるいは車両１００が給電コイル位置を通過するまで繰り返し実行される。

このように、本実施形態では、給電コイル１と受電コイル２の位置を検出するとともに、車両１００の車速及び操舵角から車両１００の走行軌跡を予測する。そして、走行軌跡上の、給電可能領域７０に進入する地点における磁界ベクトルの方向θｃを算出して受電コイル２の同心軸方向をその方向に向けて調整する。また、車両１００が給電可能領域７０に進入した後は、車両１００の現在位置における磁界ベクトルの方向θｃを算出して受電コイル２の同心軸方向をその方向に向けて調整する。受電コイル２の同心軸方向を磁界ベクトルの方向θｃに調整する際には、車両の姿勢角を考慮して行うことは言うまでもない。なお、車両１００が給電可能領域７０内に進入した場合には、車両１００は十分な低速（例えば時速１０ｋｍ／ｈ未満）で走行するため、車両の現在位置及び姿勢角を検出してから受電コイル２の向きを調整しても十分な追従性で向きを調整できる。また、速度が速い場合でも、それまでに計算した予測値を使うことにより、検出遅れやアクチュエータ追従遅れを考慮した追従が可能になる。

本実施形態では、受電コイル２の向きを調整することで最大効率での給電を可能としているが、受電コイル２ではなく給電コイル１の向きを調整してもよい。要するに、給電コイル１と受電コイル２の相対的な向きを磁界ベクトルの方向θｃに一致させればよい。給電コイル１の向きを調整する場合、最適コイル方向算出部１８が最適コイル方向を算出した後、最適コイル方向のデータを給電ステーション側のコイル駆動部２０に送信する。給電ステーション側のコイル駆動部２０は、このデータに基づいて給電コイル１の向きを調整する。本実施形態において、Ｓ１０７では受電コイル２の可動範囲を考慮して給電可否を判定しているが、受電コイル２の可動範囲外である場合に直ちに給電不可と判定するのではなく、次に給電コイル１の可動範囲を考慮して給電可否を判定してもよい。

実施形態の構成ブロック図である。給電コイルと受電コイルの位置関係を示す説明図である。距離Ｄを変化させたときの駆動周波数と給電効率の関係を示すグラフ図である。角度θを変化させたときの駆動周波数と給電効率の関係を示すグラフ図である。実施形態の処理フローチャートである。給電コイルにより生成される磁界ベクトルの説明図である。車両の走行軌跡と給電コイルとの関係を示す説明図である。周辺磁界強度と向きの説明図である。

符号の説明

１給電コイル、２受電コイル、１０コイル位置検出部、１２車両位置検出部、１４コイル位置関係検出部、１６磁界ベクトル算出部、１８最適コイル方向算出部、２０コイル駆動部。

Claims

施設に設けられた給電コイルと、
移動体に設けられた受電コイルと、
前記給電コイルの位置を検出する手段と、
前記移動体の位置を検出する手段と、
前記給電コイルの位置及び前記移動体の位置に基づき、前記給電コイルが発生する磁界ベクトルの向きを算出し、前記磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルの向きを調整する手段と、
を有することを特徴とする給電システム。
請求項１記載のシステムにおいて、
前記移動体の移動コースを予測する手段と、
予測した移動コースが前記給電コイルの所定近傍エリアである給電可能領域内に一定時間以上存在し、かつ、前記予測した移動コースの各位置における磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルを向けることができるか否かを判定する手段と、
を有することを特徴とする給電システム。
請求項２記載のシステムにおいて、
前記判定する手段にて、前記予測した移動コースが前記給電コイルの所定近傍エリアである給電可能領域内に一定時間以上存在しない、あるいは、前記予測した移動コースの各位置における磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルを向けることができないと判定された場合に、前記移動体の移動コースを修正するように報知する手段
を有することを特徴とする給電システム。
請求項２記載のシステムにおいて、
前記判定する手段にて、前記予測した移動コースが前記給電コイルの所定近傍エリアである給電可能領域内に一定時間以上存在し、かつ、前記予測した移動コースの各位置における磁界ベクトルの向きに一致するように前記給電コイルあるいは前記受電コイルを向けることができると判定された場合に、前記調整する手段は、前記給電可能領域内に進入する際には前記予測した移動コースに基づいて前記給電コイルあるいは前記受電コイルの向きを調整することを特徴とする給電システム。