JP6291860B2 - 非接触給電システム及び磁束回収装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電システムに関する。

近年、給電側のコイル（給電コイル）を有する送電レゾネータを地上に設置、あるいは地面に面一になるように埋設し、受電側のコイル（受電コイル）を有する受電レゾネータを備えた電気自動車を送電レゾネータ上に停車させ、給電コイルから受電コイルに対して非接触で電力を供給する、非接触給電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第４７４３２４４号公報

しかしながら、従来の非接触給電システムでは、非接触給電中に周囲に放射され、したがって給電に用いられずに空費されてしまう電磁界があり、その分、供給したエネルギーが無駄に消費されてしまうといった課題がある。

本発明は前記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、非接触給電中に給電に用いられずに空費されてしまう電磁界（漏れ磁束）を電力として回収し、有効利用を可能にした、非接触給電システムを提供することにある。

本発明の非接触給電システムは、地面側に配置された給電コイルと、移動体に搭載されるとともに前記給電コイルから非接触で電力が供給される受電コイルとを備える非接触給電システムであって、前記給電コイルと前記受電コイルとに挟まれる空間の近傍に、前記給電コイルから受電コイルに電力が供給される際に生じる漏れ磁束に対して巻回面が交差するように、回収用コイルを設けたことを特徴とする。

また、前記非接触給電システムにおいては、前記回収用コイルを、前記空間の高さ方向に沿うように複数設けることが好ましい。

また、前記非接触給電システムにおいて、前記回収用コイルには、地面側に倒れた状態あるいは地面側に埋没した状態から、前記空間の近傍に立ち上がった状態に変位するように、該回収用コイルを移動させる移動機構が設けられていることが好ましい。

また、前記非接触給電システムにおいて、前記移動機構は、伸縮可能に構成された支持体を備え、前記支持体は、前記回収用コイルを複数有し、かつ、該支持体の伸縮に伴って前記回収用コイル間の間隔を伸縮させるように構成されるとともに、該支持体の先端が前記移動体の底部に当接することでその伸長を停止するように構成されていることが好ましい。

本発明の非接触給電システムによれば、給電コイルと受電コイルとに挟まれる空間の近傍に、給電コイルから受電コイルに電力が供給される際に生じる漏れ磁束に対して巻回面が交差するように、回収用コイルを設けたので、給電に用いられずに空費されてしまう漏れ磁束（電磁界）を回収用コイルで回収し、電力に変換することで有効利用することができる。したがって、給電コイル側から供給したエネルギーを効率良く利用し、エネルギー効率を高めることができる。

本発明に係る非接触給電装置の要部構成を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態を説明するための模式図である。 （ａ）は本発明の第２実施形態を説明するための模式図、（ｂ）は（ａ）の要部拡大図である。

以下、図面を参照して、本発明の非接触給電システムを詳しく説明する。
なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
図１は、本発明の第１実施形態に係る非接触給電システム１の要部構成を示すブロック図である。図１中符号１は非接触給電システムであり、この非接触給電システム１は、電気自動車やハイブリッド自動車等の車両（移動体）に搭載されたバッテリを充電するためのシステム（装置）である。

非接触給電システム１は、地面側に設置された給電装置３と、車両２（移動体）側に設けられる受電装置４と、漏れ磁束を回収するための漏れ磁束回収部３０と、を備えて構成される。給電装置３は、地表面に設置されており、地上を走行する車両２が、予め定められた位置関係（後述する電磁気結合回路が形成される位置関係）で停車しているときに、車両２の受電装置４に対して電力（バッテリ２４を充電するための電力）を非接触で伝送できるように構成されている。

この給電装置３は、電源１１、整流回路１２、給電回路１３、給電用制御部１４、給電コイル１５（給電レゾネータ）等を備えて構成されており、受電装置４に対する非接触給電に適した電力を生成するとともに、受電装置４に対する非接触給電を行う上で必要となる各種制御を行う。

電源１１は、車両２に伝送すべき電力を生成するために必要となる電力を供給する電源であり、例えば電圧が２００［Ｖ］である三相交流電力を供給する電源である。なお、この電源１１は、三相交流電源に限られることはなく、商用交流電源のような単相交流電力を供給する電源であってもよい。
整流回路１２は、電源１１から供給される交流電力を整流して直流電力に変換する回路である。なお、電源１１としては燃料電池や太陽電池など直流電源を利用することも可能であり、その場合には、整流回路１２を省略することができる。

給電回路１３は、整流回路１２から供給される電力を、給電コイル１５と車両２に設けられる受電コイル２５とによって形成される電磁気結合回路を介して、非接触で車両２に供給する。具体的には、給電回路１３は、給電コイル１５とともに給電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備えており、給電用制御部１４の制御の下で、整流回路１２からの直流電力を電源１１の交流電力よりも周波数が高い交流電力（高周波電力）に変換して給電コイル１５に出力する。

給電用制御部１４は、給電回路１３を制御して受電装置４に供給すべき電力を生成させる。この給電用制御部１４は、ＣＰＵ（中央処理装置）やメモリ等を備えており、予め用意された制御プログラムに基づいて上記の各種制御を行う。

給電コイル１５は、前述したように給電回路１３から供給される交流電力を非接触で車両２に給電するためのコイルであり、例えば予め規定されたコイル形状寸法を有する螺旋状のヘリカルコイルによって形成されている。なお、給電コイル１５は、この給電コイル１５をモールドするプラスチック等の非磁性材料によって形成されるカバーと一体的に設けられていてもよい。この給電コイル１５は、給電回路１３から供給される高周波電力に応じた磁界を発生することによって受電装置４に対して非接触で給電を行う。なお、給電コイル１５としては、巻軸方向が水平方向を向いた、いわゆるソレノイドタイプのコイルによって形成されていてもよい。

車両２は、運転者によって運転されて道路上を走行する自動車であり、例えば動力発生源として走行モータを備える電気自動車やハイブリッド自動車であり、図１に示すように受電装置４を備えている。なお、図１では省略しているが、車両２は、エンジン、走行モータ、操作ハンドル、及びブレーキ等の走行に必要な構成を備えている。

受電装置４は、受電コイル２５、受電回路２６、充電回路２７、前記バッテリ２４、受電用制御部２８を備える。受電コイル２５は、前述した給電コイル１５とほぼ同じコイル径を有する螺旋状のヘリカルコイルからなる。なお、受電コイル２５は、この受電コイル２５をモールドするプラスチック等の非磁性材料によって形成されるカバーと一体的に設けられていてもよい。このような受電コイル２５は、前記給電コイル１５と対向可能なようにコイル軸が上下方向（鉛直方向）となる姿勢で、車両２の底部に設けられている。この受電コイル２５は、両端が受電回路２６の入力端に接続されており、給電コイル１５の磁界が作用すると起電力を発生し、発生した起電力を受電回路２６に出力する。なお、受電コイル２５としては、巻軸方向が水平方向を向いた、いわゆるソレノイドタイプによって形成されていてもよい。

受電回路２６は、給電コイル１５と受電コイル２５とによって形成される電磁気結合回路を介して非接触で供給されてくる電力（交流電力）を受電し、受電した電力を直流電力に変換して充電回路２７に出力する。この受電回路２６は、受電コイル２５とともに受電側共振回路を構成する共振用コンデンサを備えている。なお、受電回路２６の共振用コンデンサの静電容量は、受電側共振回路の共振周波数が前述した給電側共振回路の共振周波数と同一周波数になるように設定されている。

充電回路２７は、入力端が受電回路２６の出力端に接続されるとともに出力端がバッテリ２４の入力端に接続されており、受電回路２６からの電力（直流電力）をバッテリ２４に充電する。バッテリ２４は、車両２に搭載された再充電が可能な電池（例えば、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の二次電池）であり、図示しない走行モータ等に電力を供給する。受電用制御部２８は、ＣＰＵやメモリ等を備えており、予め用意された受電用制御プログラムに基づいて充電回路２７を制御する。

また、本実施形態では、地表面と車両２との間における、給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の近傍に、漏れ磁束回収部３０が配置されている。漏れ磁束回収部３０は、本実施形態では図２に示すように柱状の支持体３１と、この支持体３１に設けられた回収用コイル３２とによって構成されている。回収用コイル３２は、支持体３１の長さ方向（高さ方向）に沿ってほぼ等間隔で複数取り付けられている。すなわち、回収用コイル３２は、これら給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の高さ方向に沿うように取り付けられている。これら回収用コイル３２は、丸線或いは平角線等の導線を、同一平面内で螺旋状に巻回したヘリカル型のコイルである。

また、これら回収用コイル３２は、それぞれ給電コイル１５から受電コイル２５に向けて送電される際に生じる漏れ磁束Ａに対して、その巻回面３２ａ（コイル軸と直交する面）がより直交に近い状態で交差するように、支持体３１に適宜な取り付け治具を介して取り付けられている。すなわち、これら回収用コイル３２は、その巻回面３２ａが漏れ磁束Ａに対してほぼ直交するべく、支持体３１への取り付け位置（取り付け高さ）等に応じて巻回面３２ａが適宜な角度となるように調整されている。このような構成のもとに回収用コイル３２は、漏れ磁束Ａを効率良く受信し、誘起電圧を生じて電力を得ることができる。

ここで、支持体３１には、前記受電装置４と同様の構成からなる送受電装置４０が設けられている。すなわち、この送受電装置４０には、前記受電装置４における受電回路２６や充電回路２７と同様の回路（図示せず）が設けられており、さらに、必要に応じてバッテリ２４や受電用制御部２８と同様の構成要素も設けられている。また、この送受電装置４０にはケーブル４１が接続され、あるいは非接触給電を行うための中継給電コイル（図示せず）が設けられている。

これによって回収用コイル３２で得られた電力は、送受電装置４０を介して外部に設けられた負荷に供給される。負荷としては、例えば図２に示すような、給電装置３の近くに配置されるライト３３とすることができる。

一般に非接触給電は、ケーブル給電と異なり、車両２に対して給電中であるか否かが、周囲の者には分からないという欠点がある。すなわち、ケーブル給電であれば、車両２にケーブルが接続されているため、周囲の者にとって給電中であることが容易に確認できるが、非接触給電ではケーブルに代わるようなものが無いため、給電中である否かが分からなかった。

そこで、前記したようにライト３３を設け、非接触給電中に必然的に生じる漏れ磁束Ａを回収用コイル３２で回収し、得られた電力でライト３３を点灯することにより、車両２が非接触給電中であることを、周囲の者に容易に知らしめることができる。
なお、負荷としては、図２に示したライト３３以外にも、種々のものを適用することができる。

例えば、前記の送受電装置４０に送電用の端子を設け、車両２に受電用の端子を設けておくことにより、これら端子を接続することで、車両２のフロントガラスやリアウインドガラスに設けられるヒータなどに通電できるようにしてもよい。すなわち、車両２に設けられる各種電気器具を、負荷として用いることができる。
また、給電コイル１５が設置された地面の周囲にヒータを埋設しておき、このヒータに前記の送受電装置４０を接続しておくこともできる。このようにすれば、回収用コイル３２で回収し、得られた電力で前記ヒータを発熱させることにより、該ヒータが埋設された地面に積もった雪を融かすことができる。すなわち、漏れ磁束回収部３０を、ヒータからなる融雪装置の電源として用いることができる。

本実施形態の非接触給電システム１によれば、給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の近傍に、給電コイル１５から受電コイル２５に電力が供給される際に生じる漏れ磁束Ａに対して巻回面３２ａがほぼ直交するように（交差するように）回収用コイル３２を設けたので、給電に用いられずに空費されてしまう漏れ磁束Ａ（電磁界）を回収用コイル３２で回収し、電力に変換することで有効利用することができる。すなわち、得られた電力をライト３３等の負荷に供給することにより、非接触給電中であることを周囲に容易に分からせることができるなど、有効に利用することができる。
したがって、給電装置３から供給したエネルギーを効率良く利用し、エネルギー効率を高めることができる。
また、このように給電装置３から供給したエネルギーを効率良く利用することで、周囲への放射電磁界の影響を低減することができる。

また、複数の回収用コイル３２を、給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の高さ方向に沿うように、支持体３１の長さ方向（高さ方向）に沿って取り付けているので、これら回収用コイル３２によって分布する漏れ磁束Ａをより多く受信し、より多くの電力を得ることができる。

［第２実施形態］
図３は、本発明の第２実施形態を説明するための模式図である。
図３に示す非接触給電システムが図１、図２に示した第１実施形態の非接触給電システム１と異なるところは、前記回収用コイル３２にその状態を変位させる移動機構５０を設けた点にある。

すなわち、本実施形態では、複数の回収用コイル３２を支持する支持体５１として、伸縮可能に構成されたものを用いており、このような伸縮可能に構成された支持体５１により、前記移動機構５０の一部が構成されている。この支持体５１は、複数の回収用コイル３２にそれぞれ対応する複数（回収用コイル３２と同数）の柱体５２と、これら柱体５２、５２間に設けられたエアアクチュエータ５３とが直線状に配置されて形成され、その先端部（上端部）に前記送受電装置４０が設けられ、さらにその先（上）にゴム等からなるクッション部５４が設けられている。

エアアクチュエータ５３は、エアシリンダー等からなるもので、空気圧によってピストンロッドを昇降（進退）させ、これによって柱体５２、５２間の間隔を伸縮させる。これにより、支持体５１はその長さが伸縮可能になっている。ここで、支持体５１の長さ（高さ）は、全てのエアアクチュエータ５３がそのピストンロッドを降下させた最も短縮した状態で、車両が法律上で定められた最小の車高、すなわちタイヤ下端から車体の底面までの距離（高さ）より短く（低く）なるように形成されている。

また、最下段の柱体５２は、地表面に設けられた固定金具５５に対して回動可能に軸支されている。これにより支持体５１は、その下端部が地表面に対して、図３（ｂ）中矢印Ｂで示す方向（正逆方向）に回動可能に固定されている。そして、この支持体５１には、前記エアアクチュエータ５３とは別に、回動用エアアクチュエータ５６が連結されている。この回動用エアアクチュエータ５６は、例えばシリンダー部が地中に埋設され、ピストンロッドの先端が支持体５１の最下段の柱体５２に回動可能に連結されている。

このような構成により、支持体５１は回動用エアアクチュエータ５６の作動によって図３（ｂ）中二点鎖線で示すように地面側に倒れた状態から、図３（ｂ）中実線で示すように給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の近傍に立ち上がった状態に、変位可能になっている。そして、支持体５１は、車両２が給電コイル１５に駐車していない状態では、地面側に倒れた状態にあるように制御される。

このような回動用エアアクチュエータ５６も、伸縮可能に構成された支持体５１とともに、本実施形態における移動機構５０を構成している。すなわち、支持体５１には前述したように個々の柱体５２にそれぞれ回収用コイル３２が取り付けられており、したがって支持体５１が回動用エアアクチュエータ５６によって地面側に倒れた状態から立ち上がった状態に変位することにより、回動用エアアクチュエータ５６も地面側に倒れた状態から立ち上がった状態に変位するように、移動させられる。なお、回動用エアアクチュエータ５６や前記エアアクチュエータ５３にはコンプレッサー（図示せず）が接続されており、圧搾空気の供給、排気がなされる。

ここで、移動機構５０にはこれの動作を制御する制御部（図示せず）が設けられており、この制御部は例えば給電装置３に設けられている。そして、制御部は、例えば車両２から給電装置３に対して給電を受ける旨の信号が発せられた際、この信号を受けて移動機構５０に動作指令を出し、漏れ磁束回収部３０を機能させるようになっている。

すなわち、移動機構５０はまず回動用エアアクチュエータ５６を作動させて支持体５１を地面側に倒れた状態から立ち上がった状態に変位させる。このようにして支持体５１を立ち上がらせたら、次に、エアアクチュエータ５３をそれぞれ作動させ、シリンダーからピストンロッドを上昇させることで柱体５２、５２間を伸長させる。すると、各エアアクチュエータ５３が伸長することで支持体３１は鉛直方向に伸長し、その先端（上端）のクッション部５４が車両２の底面（底部）に当接する。これにより、支持体５１はその伸長を停止し、クッション部５４を車両２の底面（底部）に押し当てた状態に維持され、かつ、給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の側方に位置するようになる。

これにより、支持体３１に取り付けられた回収用コイル３２は図２に示した第１実施形態と同様に、給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の近傍に位置するとともに、その巻回面３２ａを漏れ磁束Ａに対してほぼ直交（交差）させる。
そして、車両２から給電装置３に対して給電の指示信号が送られると、給電コイル１５から受電コイル２５に向けて非接触で電力が供給される。また、これに付随して、この非接触給電中に必然的に生じる漏れ磁束Ａを回収用コイル３２がそれぞれ受け、電力を得る。

そして、給電が終了し、その旨の信号が車両２から給電装置３に送られると、支持体５１はその移動機構５０の動作によって初期状態に戻る。すなわち、各エアアクチュエータ５３がそのピストンロッドを降下させることで柱体５２、５２間を短縮させる。また、全てのエアアクチュエータ５３が短縮した後、回動用エアアクチュエータ５６がそのピストンロッドを後退させることで支持体５１を地表面上に倒す。

このように支持体５１を倒すことにより、風等の影響によって漏れ磁束回収部３０が劣化するのを抑制することができる。すなわち、車両２に対して給電を行っていないときにも立ち上がっていると、風等の影響により異物等が付着し易く、また、大きな異物がぶつかることで故障の原因になる可能性もあるが、地表面上に倒しておくことにより、このような風等の影響を緩和することができる。

なお、本実施形態にあっても、漏れ磁束回収部３０の送受電装置４０にはケーブル４１が接続され、あるいは非接触給電を行うための中継給電コイル（図示せず）が設けられている。これによって回収用コイル３２で得られた電力は、第１実施形態と同様に、送受電装置４０を介して外部に設けられた負荷に供給される。負荷としては、図示しないものの、例えば図２に示したようなライト３３や、前述した車両２に設けられるヒータ等の各種電気器具、給電コイル１５が設置された地面の周囲に埋設されるヒータ（融雪装置）などに適用される。

本実施形態の非接触給電システム１にあっても、給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の近傍に、給電コイル１５から受電コイル２５に電力が供給される際に生じる漏れ磁束Ａに対して巻回面３２ａがほぼ直交するように（交差するように）回収用コイル３２を設けたので、給電に用いられずに空費されてしまう漏れ磁束Ａ（電磁界）を回収用コイル３２で回収し、電力に変換することで有効利用することができる。すなわち、得られた電力をライト３３等の負荷に供給することにより、非接触給電中であることを周囲に容易に分からせることができるなど、有効に利用することができる。
したがって、給電装置３から供給したエネルギーを効率良く利用し、エネルギー効率を高めることができる。
また、このように給電装置３から供給したエネルギーを効率良く利用することで、周囲への放射電磁界の影響を低減することができる。

また、支持体５１を介して回収用コイル３２に移動機構５０を設け、特に回動用エアアクチュエータ５６によって回収用コイル３２を地面側に倒れた状態から立ち上がった状態に変位するように移動可能にしているので、前述したように車両２に対して給電を行っていないときには支持体５１とともに回収用コイル３２を倒しておくことにより、風等の影響によって漏れ磁束回収部３０が劣化するのを抑制することができる。

また、エアアクチュエータ５３によって支持体５１を伸縮可能に構成するとともに、該支持体５１の伸縮に伴って回収用コイル３２、３２間の間隔を伸縮させるように構成し、さらに該支持体５１の先端が車両２の底部に当接することでその伸長を停止するように構成しているので、車両２の車高に応じて支持体５１を充分に伸長させ、これに伴って回収用コイル３２を高さ方向に大きく分布させる（広げる）ことができる。したがって、漏れ磁束Ａをより多く受信し、電力に変換してこれを有効利用することができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記実施形態では回収用コイル３２を、全て給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間の近傍、すなわち該空間の外に配置し、給電コイル１５と受電コイル２５と間でなされる正規の受給電の効率を低下させないようにしているが、この正規の受給電の効率を予め設定された高い効率に維持できれば、回収用コイル３２の一部を、給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間内に位置させてもよい。このように回収用コイル３２の一部を給電コイル１５と受電コイル２５とに挟まれる空間内に位置させることで、漏れ磁束回収部３０ではより多くの電力を生成することができ、したがってライト３３等の負荷に対してより多くの電力を供給することが可能になる。

また、前記実施形態では、回収用コイルを複数（図示例では５個）備えるようにしたが、回収用コイルの数やそのコイル径などについては、非接触給電システムの設計等に応じて任意に設定可能である。

さらに、前記実施形態では移動機構５０として、支持体５１を地面側に倒れた状態から立ち上がった状態に変位させる回動用エアアクチュエータ５６を用いたが、これに代えて、支持体５１を地面側に埋没した状態から立ち上がった状態に変位させるエアアクチュエータ等の装置を用いてもよい。例えば、地面に縦穴を掘っておき、この縦穴底部にエアアクチュエータを配置する。そして、このエアアクチュエータのピストンロッドの上端に支持体５１を連結しておくことにより、このエアアクチュエータの作動によって支持体を昇降させ、支持体５１を地面側に埋没した状態から立ち上がった状態に変位させることができる。

また、支持体５１を伸縮させる手段として、柱体５２、５２間を伸縮させるエアアクチュエータ５３を用いたが、例えばエアアクチュエータ５３に代えて圧縮バネ（押しバネ）を用いることもできる。

１…非接触給電システム、２…車両（移動体）、１５…給電コイル、２５…受電コイル、３０…漏れ磁束回収部、３１…支持体、３２…回収用コイル、３２ａ…巻回面、３３…ライト、４０…送受電装置、４１…ケーブル、５０…移動機構、５１…支持体、５２…柱体、５３…エアアクチュエータ、５６…回動用エアアクチュエータ、Ａ…漏れ磁束

Claims (5)

1. 地面側に配置された給電コイルと、移動体に搭載されるとともに前記給電コイルから非接触で電力が供給される受電コイルとを備える非接触給電システムであって、
   前記給電コイルと前記受電コイルとに挟まれる空間の近傍に、前記給電コイルから前記受電コイルに電力が供給される際に生じる漏れ磁束に対して巻回面が交差するように、回収用コイルを設け、
   前記回収用コイルは負荷に接続されており、
   前記回収用コイルには、地面側に倒れた状態あるいは地面側に埋没した状態から、前記空間の近傍に立ち上がった状態に変位するように、該回収用コイルを移動させる移動機構が設けられていることを特徴とする非接触給電システム。
2. 前記回収用コイルを、前記空間の高さ方向に沿うように複数設けることを特徴とする請求項１記載の非接触給電システム。
3. 前記移動機構は、伸縮可能に構成された支持体を備え、
   前記支持体は、前記回収用コイルを複数有し、かつ、該支持体の伸縮に伴って前記回収用コイル間の間隔を伸縮させるように構成されるとともに、該支持体の先端が前記移動体の底部に当接することでその伸長を停止するように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触給電システム。
4. 前記負荷はライトである請求項１から３のいずれか一項に記載の非接触給電システム。
5. 給電コイルと、前記給電コイルから非接触で電力が供給される受電コイルとに挟まれる空間の近傍に、前記給電コイルから前記受電コイルに電力が供給される際に生じる漏れ磁束に対して巻回面が交差するように設けられた回収用コイルと、
   前記回収用コイルに接続されている負荷と、
   前記回収用コイルを、地面側に倒れた状態あるいは地面側に埋没した状態から、前記空間の近傍に立ち上がった状態に変位するように、該回収用コイルを移動させる移動機構と
   を備える漏れ磁束回収装置。
   

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