JP5494220B2 - 無線給電システム - Google Patents

Description

本発明は、複数の電装部品に対して無線で電力を供給する無線給電システムに関するものである。

自動車の製造工程において、自動車に搭載される電装部品と、その電装部品に電力を供給する電線を含むワイヤハーネスとのコネクタによる接続は、手作業により行われる。昨今、自動車に搭載される電装部品（電子機器）が増加するに伴い、電装部品とワイヤハーネスとのコネクタ接続の作業の手間が増大している。そのため、コネクタ接続の手間を低減することが求められている。

従来、コネクタ接続の手間を低減するため、電装部品に対して無線で電力を供給する無線給電システムが提案されている。例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３には、電磁誘導のコイル又はマイクロ波の導波路を用いた無線給電システムが示されている。無線給電システムの採用により、コネクタ接続の手間が大幅に低減される。

一方、特許文献４には、共鳴法による送電を行う車両用の無線給電システムが示されている。共鳴法による送電においては、車両に設けられた二次側コイルが、駐車場に設けられた一次側コイルに対し、磁場の共鳴によって磁気的に結合されることにより、一次側コイルから無線により電力を受電する。共鳴法による送電の詳細は、非特許文献１に示されている。共鳴法による送電を採用することにより、数キロワットの電力を数メートル先まで送電することが可能となる。

電磁誘導による無線給電は、送電用コイルと受電用コイルとの間の位置関係が、相互に対向し、かつ、近接する理想的な位置関係からずれると、送電効率（給電効率）が著しく悪化する。一方、共鳴法による無線給電は、送電用コイルと受電用コイルとの位置のずれの大きさに応じて送電効率（給電効率）が悪化する程度が、電磁誘導による無線給電に対して比較的小さい。

また、電磁誘導による無線給電は、送電用コイルと受電用コイルとの間に磁場を乱す金属製部材などの導電性の障害物が存在すると、エネルギー損失によって送電効率が著しく悪化する。一方、共鳴法による無線給電は、送電用コイルと受電用コイルとの間に導電性の部材が存在することによるエネルギー損失の程度が、電磁誘導による無線給電に対して比較的小さい。

特開２００１−２９８８７９号公報 特開２００２−２５２９３７号公報 特開２００３−５２１３７号公報 特開２００９−１０６１３６号公報

Andre Kurs 他、"Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances"、Science Vol. 317. no. 5834、pp.83-86、2007年7月6日、URL: http://www.sciencemag.org/cgi/reprint/317/5834/83.pdf

ところで、電磁誘導による無線給電システムは、実用的な送電効率を得るために、給電用コイルと受電用コイルとを数センチメートル以内に接近させることを要する。そのため、電磁誘導による無線給電システムにおいて、複数の電装部品各々に対する給電が行われる場合、電装部品及び受電用コイルの組合せごとに送電用コイルが必要となり、送電用コイルを取り付ける作業が煩雑であるという問題点があった。特に、オプション品などの電装部品が追加される場合、追加される電装部品に対応する送電用コイル及びその送電用コイルに対する配線を追加する作業が必要となり、その作業は煩雑である。さらに、コイルの設置スペースが大きく、送電用コイル及び受電用コイルの配置の自由度が低いという問題点もあった。

また、マイクロ波を用いた無線給電は、マイクロ波を伝送するための比較的大きな導波路が必要であり、さらに、電装部品の受電部が、その導波路に沿って配置される必要がある。そのため、マイクロ波を用いた無線給電は、導波路の設置スペースが大きく、電装部品の受電部の配置の自由度が低いという問題点があった。また、マイクロ波を用いた無線給電の送電効率は、現在の技術水準では約５５％以下と決して高いとはいえない。そのため、マイクロ波を用いた無線給電は、自動車内の給電システムのように、バッテリを電源とする給電システムへ適用されることは現実的でないという問題点もあった。

一方、共鳴法による無線給電においては、送電用コイルと受電用コイルとの位置関係の制約が緩やかであるため、１つの送電用コイルから複数の受電用コイルへ無線送電することが可能である。そのため、共鳴法による無線給電システムにより、複数の電装部品各々に対する給電が行われる場合、送電用コイルの数を電装部品の数よりも少なくすることができ、送電用コイルを取り付ける作業が簡素化されるという効果が得られる。例えば、オプション品などの電装部品が追加される場合、追加される位置が既設の送電用コイルから受電可能な位置であれば、送電用コイル及びその送電用コイルに対する配線を追加する作業は不要である。

しかしながら、共鳴法による無線給電により、１つの送電用コイルから複数の受電用コイルを通じて複数の電装部品各々への給電が行われる場合、一部の電装部品が一時的に大きな電力を消費すると、複数の電装部品各々の消費電力のバランスが崩れる。例えば、電装部品にモータなどの駆動部品が含まれる場合、その駆動部品は、動作開始時の突入電流によって一時的に大きな電力を消費し、他の電装部品との間で消費電力のバランスが崩れる。このように、１つの送電用コイルから無線により電力が供給される複数の電装部品の間で、消費電力のバランスが崩れた場合、送電効率が悪化し、一部又は全部の電装部品に対する給電不足が発生するという問題点が生じ得る。

本発明の目的は、複数の電装部品に対して無線で電力を供給する無線給電システムにおいて、構成部品を減らすことにより、部品取り付けの工数を削減できるとともに、設置スペースを小さくでき、さらに、複数の電装部品各々の消費電力のバランスが崩れることによる送電効率の悪化を防止できることである。

本発明に係る無線給電システムは、複数の電装部品に対して無線で電力を供給するシステムであり、以下の各構成要素を備える。
（１）第１の構成要素は、磁力が変動する磁場を発する送電用コイルである。
（２）第２の構成要素は、複数の前記電装部品各々に対応して設けられ、前記送電用コイルに対し磁場の共鳴により磁気的に結合することによって１つの前記送電用コイルから並行して電力を受電する複数の受電用コイルである。
（３）第３の構成要素は、複数組の前記受電用コイル及び前記電装部品の組合せのうちの１組以上の組合せ各々に対応して設けられ、前記受電用コイルで受電された電力を蓄電するとともに前記電装部品に電力を供給する１つ又は複数の蓄電部である。
（４）第４の構成要素は、前記蓄電部から電力が供給される前記電装部品に対応して設けられ、該電装部品に対する前記受電用コイルからの給電ラインを遮断するか接続するかを切り替える給電切替部である。

さらに、前記給電切替部は、対応する前記電装部品の作動の開始から予め定められた期間において前記給電ラインを一時的に遮断することによって前記蓄電部からのみ前記電装部品に給電し、その後に前記給電ラインを接続することによって前記受電用コイルからの給電ラインを通じて前記電装部品に給電する。

また、本発明に係る無線給電システムは、車両へ搭載する用途に適用されれば好適である。この場合、本発明に係る無線給電システムは、さらに次の構成要素を備えることが考えられる。
（５）第５の構成要素は、車両に搭載され、該車両の走行状態に応じて充電される蓄電池である。
（６）第６の構成要素は、前記車両に搭載された複数の前記送電用コイル各々に対応して設けられ、前記蓄電池から供給される直流電力を交流電力へ変換し、該交流電力を前記送電用コイルに供給する複数の交流電力生成部である。

本発明によれば、送電用コイルの数を電装部品の数よりも少なくすることができるため、送電用コイルを取り付ける作業の工数を削減することができるとともに、設置スペースを小さくすることができる。さらに、本発明によれば、一時的に大きな電力を消費する電装部品は、給電切替部により、大きな電力を消費する期間、例えば、作動の開始から一定期間において一時的に受電用コイルからの給電ラインが遮断され、その間、蓄電部からの給電のみによって動作可能である。その結果、複数の電装部品各々の消費電力のバランスが崩れることによる送電効率の悪化を防止できる。また、電装部品の消費電力が安定した定常状態においては、電装部品は、受電用コイルからの給電ラインから電力を得て動作できる。そのため、電装部品が常に蓄電部からの給電のみによって動作する場合に比べ、蓄電部の電気容量を小さくすることができ、蓄電部の体積及びコストの増大を回避できる。

本発明の実施形態に係る無線給電システム１のブロック図である。 無線給電システム１が自動車のインストルメントパネルに組み込まれた複数の電装部品への給電に適用された様子を表すイメージ図である。 無線給電システム１が自動車の電動スライドドア内に設けられた複数の電装部品への給電に適用された様子を表すイメージ図である。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。以下の実施の形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

以下、図１に示されるブロック図を参照しつつ、本発明の実施形態に係る無線給電システム１について説明する。無線給電システム１は、自動車などの車両に搭載され、車両内に配設されたワイヤハーネスに設けられた給電部から、車両に設けられた複数の電装部品に対して無線により電力を供給するシステムである。

図１に示されるように、無線給電システム１は、バッテリ８と、ワイヤハーネス９と、給電部１０と、第１電装部品ユニット２０Ａと、第２電装部品ユニット２０Ｂとを備えている。以下、第１電装部品ユニット２０Ａ及び第２電装部品ユニット２０Ｂを、電装部品ユニット２０と総称する。また、給電部１０は、高周波ドライバ１１及び送電コイル１２を備えている。また、第１電装部品ユニット２０Ａは、受電コイル２１と、整流回路２２と、モータなどの電装部品である第１の負荷２３Ａと、二次電池２４と、リレー２５と、ＥＣＵ３１(Electronic Control Unit)とを備えている。また、第２電装部品ユニット２０Ｂは、受電コイル２１と、整流回路２２と、電子機器などの電装部品である第２の負荷２３Ｂとを備えている。以下、第１の負荷２３Ａ及び第２の負荷２３Ｂを、負荷２３と総称する。

バッテリ８は、車両に搭載され、車両の走行状態に応じて充電されるメインの蓄電池である。このバッテリ８は、車両に搭載された全ての電装部品に対する基幹の蓄電池である。バッテリ８は、例えば、鉛蓄電池又はニッケル・水素蓄電池などである。ワイヤハーネス９は、一端がバッテリ８に接続され、バッテリ８から車両の各所に配置された電装部品ユニット２０に近い位置まで配設される。

給電部１０は、複数の電装部品ユニット２０が集まる位置においてワイヤハーネス９に接続され、１つの給電部１０は、最寄りの複数の電装部品ユニット２０各々に対して無線により電力を供給する。車両内には、複数の給電部１０が設けられ、各給電部１０は、複数の電装部品ユニット２０が存在する十数センチメートルから数十センチメートル程度のエリアごとに配置される。従って、複数の送電コイル１２及びその送電コイル１２各々に対応する複数の高周波ドライバ１１が、ユニット化されて車両内の複数の位置に設けられている。

給電部１０における高周波ドライバ１１は、バッテリ８からワイヤハーネス９の電線を通じて供給される直流電力を高周波数の交流電力へ変換し、その交流電力を送電用コイルに供給する回路である。例えば、高周波ドライバ１１は、１ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ程度の周波数の交流電力を生成する。

送電コイル１２は、高周波ドライバ１１から高周波数の交流電力が供給されることにより、高周波数で磁力が変動する磁場を発するコイルである。より具体的には、送電コイル１２は、高周波ドライバ１１に接続された不図示の一次側電磁誘導コイルと、その一次側電磁誘導コイルから電磁誘導によって電力を受電する不図示の一次側自己共振コイルとを含む。そして、一次側自己共振コイルから、高周波数で磁力が変動する磁場が出力される。

電装部品ユニット２０における受電コイル２１は、送電コイル１２に対し磁場の共鳴により磁気的に結合されることによって電力を受電するコイルである。受電コイル２１は、不図示の二次側自己共振コイル及び不図示の二次側電磁誘導コイルを含む。二次側自己共振コイルは、送電コイル１２の一次側自己共振コイルに対して磁場の共鳴により磁気的に結合されることによって電力を受電するコイルである。二次側電磁誘導コイルは、二次側自己共振コイルから電磁誘導によって電力を受電するコイルである。この二次側電磁誘導コイルは、整流回路２２に接続されている。即ち、送電コイル１２及び受電コイル２１は、共鳴法による無線送電を行う一次側コイル及び二次側コイルである。

１つの送電コイル１２に対して十数センチメートルから数十センチメートルの範囲内に配置された複数の受電コイル２１は、１つの送電コイル１２から並行して電力を受電する。即ち、複数の電装部品ユニット２０が、１つの給電部１０から並行して電力を受電する。また、１つの給電部１０から受電する複数の電装部品ユニット２０のうちの一部又は全部が、第１電装部品ユニット２０Ａである。即ち、二次電池２４及びリレー２５は、１つの送電コイル１２に対応する複数組の受電コイル２１及び負荷２３（電装部品）の組合せのうちの１組以上の組合せ各々に対応して設けられる。

図１に示される例では、１つの第１電装部品ユニット２０Ａにおける受電コイル２１と、２つの第２電装部品ユニット２０Ｂにおける２つの受電コイル２１とが、１つの送電コイル１２から並行して電力を受電する。なお、図１においては省略されているが、２つ目以降の給電部１０ごとに、その給電部１０から電力供給を受ける複数の電装部品ユニット２０が存在する。

電装部品ユニット２０における整流回路２２は、受電コイル２１によって得られる交流電力を整流して直流電力へ変換する回路である。第１電装部品ユニット２０Ａにおいては、整流回路２２から出力される直流電力は、第１の負荷２３Ａ（電装部品）、二次電池２４及びＥＣＵ３１の各々に供給される。但し、ＥＣＵ３１への給電は、降圧回路３２を介して行われる。一方、第２電装部品ユニット２０Ｂにおいては、整流回路２２から出力される直流電力は、第２の負荷２３Ｂ（電装部品）に供給される。

降圧回路３２は、整流回路２２の出力端の電圧を、ＥＣＵ３１の入力電圧のレベルに下げる回路である。ＥＣＵ３１は、モータなどの第１の負荷２３Ａ及びリレー２５を制御する制御部であり、プログラム及びデータを記憶するＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリと、制御演算を行うＭＰＵ（Micro Processor Unit）又はＤＳＰ（Digital Signal Processor）などのプロセッサとを備えている。

二次電池２４は、整流回路２２及び第１の負荷２３Ａに接続され、受電コイル２１で受電された電力を蓄電するとともに、電装部品である第１の負荷２３Ａに電力を供給する蓄電部である。二次電池２４は、例えば、電気二重層キャパシタ又はリチウムイオン電池などである。

リレー２５は、整流回路２２と第１の負荷２３Ａとの間、即ち、第１の負荷２３Ａに対する受電コイル２１からの給電ラインの途中に設けられ、その給電ラインを遮断するか接続するかを切り替えるスイッチ（給電切替部）である。このリレー２５は、デフォルトの状態がクローズ（接続）の状態であり、ＥＣＵ３１からの制御信号が入力されているときのみオープン（遮断）の状態に切り替わる。

ＥＣＵ３１は、第１の負荷２３Ａの消費電力が一時的に大きくなる期間のみリレー２５に対して制御信号を出力する。例えば、第１の負荷２３Ａがモータである場合、ＥＣＵ３１は、第１の負荷２３Ａの作動の開始から予め定められた時間が経過するまでの期間のみ、リレー２５に対して制御信号を出力する。即ち、突入電流によって一時的にモータの消費電力が増大する期間のみ、リレー２５に対する制御信号が出力される。これにより、リレー２５は、第１の負荷２３Ａ（電装部品）の作動の開始から予め定められた期間において第１の負荷２３Ａへの給電ラインを一時的に遮断し、その後に給電ラインを接続する。これにより、第１の負荷２３Ａは、一時的に大きな電力を消費する期間のみ、二次電池２４からの給電のみによって動作する。

一方、第１の負荷２３Ａは、リレー２５がクローズ（接続）の状態であるときには、主として受電コイル２１で受電され、整流回路２２で整流された電力を消費することによって動作する。図１には示されていないが、二次電池２４と第１の負荷２３Ａとの間に、リレー２５と逆の動作をするもう一つのリレーが設けられることも考えられる。この場合、第１の負荷２３Ａは、リレー２５がクローズ（接続）の状態であるときには、受電コイル２１からの電力のみを消費して動作する。

また、第２電装部品ユニット２０Ｂにおいては、第２の負荷２３Ｂ（電装部品）は、常に、受電コイル２１で受電され、整流回路２２で整流された電力を消費することによって動作する。第２の負荷２３Ｂは、消費電力が比較的小さな電装部品であり、例えば、インジケータ、液晶表示パネル又は操作パネルなどである。

無線給電システム１の採用により、送電コイル１２の数は、電装部品である負荷２３の数よりも少なくすることができる。そのため、送電コイル１２を取り付ける作業の工数を削減することができるとともに、設置スペースを小さくすることができる。

さらに、無線給電システム１の採用により、一時的に大きな電力を消費する第１の負荷２３Ａは、リレー２５により、大きな電力を消費する期間、例えば、作動の開始から一定期間において一時的に受電コイル２１からの給電ラインが遮断され、その間、二次電池２４からの給電のみによって動作する。その結果、１つの送電コイル１２に対応する複数の負荷２３各々の消費電力のバランスが崩れることによる送電効率の悪化を防止できる。

また、第１の負荷２３Ａの消費電力が安定した定常状態においては、第１の負荷２３Ａは、受電コイル２１からの給電ラインから電力を得て動作する。そのため、第１の負荷２３Ａが常に二次電池２４からの給電のみによって動作する場合に比べ、二次電池２４の電気容量を小さくすることができ、二次電池２４の体積及びコストの増大を回避できる。

図２は、無線給電システム１が自動車のインストルメントパネルに組み込まれた複数の電装部品への給電に適用された様子を表すイメージ図である。インストルメントパネルは、速度メータ及びオイルゲージなどのインジケータを含むインジケータ部、空調の設定ボタンなどを含む操作パネル、音楽データが記録されたデータ記憶メディアを再生装置に対して出し入れするモータなどを含むオーディオ装置などが組み込まれている。

そして、無線給電システム１における給電部１０が自動車のインストルメントパネル内に組み込まれた場合、モータを含むオーディオ装置は、第１の電装部品ユニット２０Ａとして給電部１０から電力が供給され、比較的消費電力の小さなインジケータ部及び操作パネルは、第２の電装部品ユニット２０Ｂとして給電部１０から電力が供給される。これにより、自動車のインストルメントパネルに対して電装部品を組み込む工数が大幅に低減される。

図３は、無線給電システム１が自動車の電動スライドドア内に設けられた複数の電装部品への給電に適用された様子を表すイメージ図である。自動車の電動スライドドアは、キーレスエントリーシステムのアンテナ装置、及びドアの開閉用のモータを含むドア駆動ユニットなどが内蔵されている。

そして、無線給電システム１における給電部１０が、自動車の電動スライドドアに近い自動車本体の床下などに配置された場合、モータを含むドア駆動ユニットは、第１の電装部品ユニット２０Ａとして給電部１０から電力が供給され、比較的消費電力の小さなキーレスエントリーシステムのアンテナ装置は、第２の電装部品ユニット２０Ｂとして給電部１０から電力が供給される。これにより、自動車の電動スライドドアに対して電装部品を組み込む工数が大幅に低減される。さらに、無線給電システム１は、スライドドアのように移動する部分に内蔵される電装部品への給電に適用されることにより、移動部への給電用の配線が不要となり、移動部への配線の噛み込みなどのトラブル防止にもつながる。

以上に示した実施形態においては、リレー２５を介して電力が供給される電装部品（第１の負荷２３Ａ）と、リレー２５を制御するＥＣＵ３１（制御部）とが、共通の受電コイル２１及び整流回路２２を通じて電力が供給される。しかしながら、ＥＣＵ３１が、第１の負荷２３Ａとは異なる系統から電力が供給されることも考えられる。

１ 無線給電システム
８ バッテリ
９ ワイヤハーネス
１０ 給電部
１１ 高周波ドライバ
１２ 送電コイル
２０ 電装部品ユニット
２０Ａ 第１電装部品ユニット
２０Ｂ 第２電装部品ユニット
２１ 受電コイル
２２ 整流回路
２３ 負荷
２３Ａ 第１の負荷
２３Ｂ 第２の負荷
２４ 二次電池
２５ リレー
３１ ＥＣＵ
３２ 降圧回路

Claims (2)

1. 複数の電装部品に対して無線で電力を供給する無線給電システムであって、
   磁力が変動する磁場を発する送電用コイルと、
   複数の前記電装部品各々に対応して設けられ、前記送電用コイルに対し磁場の共鳴により磁気的に結合することによって１つの前記送電用コイルから並行して電力を受電する複数の受電用コイルと、
   複数組の前記受電用コイル及び前記電装部品の組合せのうちの１組以上の組合せ各々に対応して設けられ、前記受電用コイルで受電された電力を蓄電するとともに前記電装部品に電力を供給する１つ又は複数の蓄電部と、
   前記蓄電部から電力が供給される前記電装部品に対応して設けられ、該電装部品に対する前記受電用コイルからの給電ラインを遮断するか接続するかを切り替える給電切替部と、を備え、
   前記給電切替部は、対応する前記電装部品の作動の開始から予め定められた期間において前記給電ラインを一時的に遮断することによって前記蓄電部からのみ前記電装部品に給電し、その後に前記給電ラインを接続することによって前記受電用コイルからの給電ラインを通じて前記電装部品に給電することを特徴とする無線給電システム。
2. 車両に搭載され、該車両の走行状態に応じて充電される蓄電池と、
   前記車両に搭載された複数の前記送電用コイル各々に対応して設けられ、前記蓄電池から供給される直流電力を交流電力へ変換し、該交流電力を前記送電用コイルに供給する複数の交流電力生成部と、を備える請求項１に記載の無線給電システム。

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