JP6817830B2

JP6817830B2 - 接触充電化装置

Info

Publication number: JP6817830B2
Application number: JP2017015039A
Authority: JP
Inventors: 史之守屋; 耕平佐川; 智史岡本; 裕太戸塚
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2017-01-31
Filing date: 2017-01-31
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-01-31
Also published as: JP2018125933A

Description

本発明は、接触充電に対応した電動車両の二次電池を、非接触充電設備を用いて充電する技術に関する。

近年、ＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）などの電動車両の二次電池を、充電ケーブル等を用いることなく非接触で充電する非接触充電技術の開発が進んでいる。
この種の非接触充電では、電動車両に搭載された受電装置（コイル）に対し、充電設備として地上または地下に配置された送電装置（コイル）から電界や磁界の変化を与え、電力エネルギーを伝送することにより電動車両の二次電池を充電する。現在、このような非接触充電の普及に向けて、非接触充電設備の整備が進められている。

しかし、非接触充電設備が十分に整備されたとしても、非接触充電に対応した受電装置が電動車両に搭載されていなければ、非接触充電設備を利用してこの電動車両に電力を伝送することはできない。また、たとえ電動車両が非接触充電に対応していても、車両側の受電装置と設備側の送電装置とを適切に位置合わせできない場合（例えば、電動車両が荷台をけん引している場合など）には、やはり非接触充電設備を利用して電動車両に電力を伝送することができない。

そこで、例えば特許文献１では、非接触充電に対応した受電装置を一端に有するとともに、接触充電（普通充電）に対応した電動車両に接続可能な給電プラグを他端に有する充電ケーブルが開示されている。このような充電ケーブルを用いれば、非接触充電設備から非接触で電力を受信しつつ、その電力を電動車両に伝送することができる。

特開２０１４−７２９１５号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の技術では、非接触充電設備と充電ケーブルとが電力の送受信のみに対応した非接触接続となっているため、これら非接触充電設備と充電ケーブルとの間で信号を送受信することが難しい。そのため、例えば非接触充電設備と電動車両との各充電動作を一元制御することなどができない。

これを可能にするためには、例えば無線通信等により非接触充電設備との間で信号の送受信が可能な制御部を充電ケーブルに設けることが考えられる。
しかし、この場合には、当該制御部を駆動するための電力をどのように供給するかが問題となる。電源ケーブルによる有線給電ではハンドリング時の取り扱いが不便になってしまう。また、車両充電時の電力を利用することが考えられるが、容量の大きな電動車両の二次電池（高電圧バッテリ）を充電するための高圧電力は、当該制御部の駆動に用いられるような比較的に小さな電力使用には適さない。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたもので、非接触充電設備を用いて接触充電に対応した電動車両を充電するものであって、その駆動用電力を好適に取得することのできる接触充電化装置の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、非接触充電設備の送電手段から非接触で電力エネルギーを受信する受電手段と、電動車両の充電口に接続されて当該電動車両に接触給電する電力供給手段とを備え、前記非接触充電設備を利用して前記電動車両の二次電池を充電する接触充電化装置であって、
制御手段と、
前記制御手段の駆動用電力を蓄積する蓄電手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電動車両の二次電池を充電するための第１の電力と、当該第１の電力よりも低い第２の電力との伝送を、前記非接触充電設備に要求可能であるとともに、
前記電動車両の二次電池の充電を開始する前に、前記非接触充電設備の前記送電手段から前記第２の電力を伝送させ、当該第２の電力に基づいて、当該送電手段から前記受電手段への電力伝送が正常に行われるか否かを判別し、
前記電力伝送が正常に行われたと判別した場合に、前記受電手段が受信している前記第２の電力を用いて前記蓄電手段の充電を開始し、
前記蓄電手段の充電が完了した後に、前記非接触充電設備の前記送電手段から前記第１の電力を伝送させ、前記電動車両の二次電池の充電を開始することを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の接触充電化装置において、
前記受電手段で受信した電力を整流する整流手段を備え、
前記制御手段は、
前記整流手段で整流された前記第２の電力の電圧値に基づいて、前記電力伝送が正常に行われるか否かを判別し、
前記電力伝送が正常に行われたと判別した場合に、前記整流手段で整流された前記第２の電力を用いて前記蓄電手段を充電することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の接触充電化装置において、
前記制御手段は、前記非接触充電設備との間で無線通信により信号を送受信可能に構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、電動車両の二次電池を充電するための第１の電力よりも低い第２の電力を受電手段が受信しているときに、当該第２の電力を利用して、制御手段の駆動用電力を蓄積する蓄電手段が充電される。
これにより、非接触充電設備を用いて接触充電に対応した電動車両を充電する接触充電化装置において、その駆動用電力を好適に取得することができる。

実施形態における車両充電システムの概略構成を示すブロック図である。電力伝送可否判別シーケンスの流れを示すフローチャートである。充電開始シーケンスの流れを示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

［車両充電システムの構成］
図１は、本実施形態における接触充電化装置１０を備える車両充電システム１００の概略構成を示すブロック図である。なお、図１では、各構成要素間を結ぶ線のうち、実線が電力ラインを示し、破線が信号ラインを示している。
この図に示すように、車両充電システム１００は、接触充電化装置１０を用いることにより、接触充電に対応した電動車両２０のバッテリ充電を、非接触充電設備３０によって行えるようにしたものである。

電動車両２０は、例えばＥＶ（Electric Vehicle）やＰＨＥＶ（Plug-in Hybrid Electric Vehicle）などであり、電力により走行可能であって、走行用の電力を蓄積するために車体の外部からの接触充電（普通充電）が可能な車両である。具体的に、電動車両２０は、高電圧バッテリ２１と、充電口２２と、充電ＣＵ（Control Unit）２３とを備えている。
このうち、高電圧バッテリ２１は、例えばニッケル水素バッテリまたはリチウムイオンバッテリなどの二次電池であり、電動車両２０の走行用の電力を蓄積する。
充電口２２は、車体外部から接触充電化装置１０の充電ケーブル１３の接続および接続解除が可能なコネクタであり、高電圧バッテリ２１と電気的に接続されている。但し、充電口２２から高電圧バッテリ２１までの充電路には、当該充電路の開閉の切り替えが可能であるとともに常態でＯＦＦ（充電路開）とされたコンタクタ２４が設けられている。このコンタクタ２４は、充電ＣＵ２３に開閉制御される。
充電ＣＵ２３は、電動車両２０の上記各部と電気的に接続されており、高電圧バッテリ２１の充電時におけるこれら各部の動作を制御する。また、充電ＣＵ２３は、充電口２２を介して接触充電化装置１０（後述の制御ＣＵ１４）と接続され、当該接触充電化装置１０と相互に各種信号を送受信可能に構成されている。

非接触充電設備３０は、非接触充電（給電）方式により電力エネルギーを供給可能な設備である。具体的に、非接触充電設備３０は、送信（送電）コイル３１と設備ＣＵ（Control Unit）３２とを備えている。
このうち、送信コイル３１は、本発明に係る送電手段であり、例えば電磁誘導方式または磁界共鳴方式などの非接触充電方式により、上方に配置された後述の受信コイル１１に対して非接触で電力エネルギーを伝送する。
設備ＣＵ３２は、非接触充電設備３０の各部の動作を制御する。具体的に、設備ＣＵ３２は、図示しない直流電源及びインバータの動作を制御して送信コイル３１に交流電流を供給したりする。また、設備ＣＵ３２は、図示しない無線通信手段により、後述する接触充電化装置１０の制御ＣＵ１４との間で、無線通信により相互に各種信号を送受信可能に構成されている。

接触充電化装置１０は、非接触充電設備３０からの電力エネルギーを電動車両２０に接触給電する装置である。この接触充電化装置１０は、図示しないキャスターを下端に有して移動可能に、またはハンドリング可能に構成されている。
具体的に、接触充電化装置１０は、受信（受電）コイル１１と、整流器１２と、充電ケーブル１３と、制御ＣＵ（Control Unit）１４とを備えている。

受信コイル１１は、本発明に係る受電手段であり、非接触充電設備３０の送信コイル３１から非接触で電力エネルギーを受信可能なものである。この受信コイル１１は、接触充電化装置１０の下端に配置されており、非接触充電設備３０の送信コイル３１と上下に対向した状態で当該送信コイル３１から電力エネルギーを受信する。より詳しくは、受信コイル１１は、送信コイル３１がその上方に生成する電界または磁界の影響を受けることにより、交流電力を取得する。

整流器１２は、送信コイル３１が取得した交流電力を直流電力に変換する。また、整流器１２は、整流（ＤＣ変換）した電力の電圧値を検出して制御ＣＵ１４に出力する。
充電ケーブル１３は、本発明に係る電力供給部であり、整流器１２で整流された直流電力を電動車両２０へ供給する。この充電ケーブル１３は、基端側が整流器１２に接続されるとともに、先端側が、電動車両２０の充電口２２との接続及び接続解除が可能な充電ガンとなっている。また、充電ケーブル１３には、電動車両２０から接触充電化装置１０へ電流を逆流させないように、図示しない逆流防止ダイオードが設けられている。

制御ＣＵ１４は、本発明に係る制御手段であり、接触充電化装置１０の各部の動作を制御する。この制御ＣＵ１４は、図示しない無線通信手段により、非接触充電設備３０の設備ＣＵ３２との間で、無線通信により各種信号を送受信可能に構成されている。また、制御ＣＵ１４は、充電ケーブル１３が電動車両２０の充電口２２に接続された状態で、電動車両２０の充電ＣＵ２３との間でＣＡＮ（Controller Area Network）通信により相互に各種信号を送受信可能に構成されている。
さらに、制御ＣＵ１４には、当該制御ＣＵ１４の駆動用電力を蓄積するコンデンサ１５が接続されている。このコンデンサ１５は、制御ＣＵ１４に開閉制御されるスイッチ１６を介して整流器１２と接続されており、整流器１２で整流された直流電力を蓄積可能に構成されている。

［車両充電システムの動作］
続いて、電動車両２０の高電圧バッテリ２１を充電する際の車両充電システム１００の動作について説明する。

＜電力伝送可否判別シーケンス＞
まず、電動車両２０への充電開始前に行われる電力伝送可否判別シーケンスについて説明する。
図２は、電力伝送可否判別シーケンスの流れを示すフローチャートである。

電力伝送可否判別シーケンスでは、電動車両２０への充電を開始する前に、非接触充電設備３０から接触充電化装置１０への電力伝送が正常に行われるか否かが判別される。
なお、この電力伝送可否判別シーケンスの開始時には、予め接触充電化装置１０が非接触充電設備３０の上方に配置され、充電ケーブル１３が電動車両２０の充電口２２に接続されているものとする。

電力伝送可否判別シーケンスは、制御ＣＵ１４が、ユーザによる接触充電化装置１０の図示しない操作部への所定の操作、または充電ケーブル１３の充電口２２への接続を検知することにより開始される。
すると、図２に示すように、まず制御ＣＵ１４は、電力伝送可否判別シーケンスの開始要求信号を、非接触充電設備３０の設備ＣＵ３２へ送信する（ステップＳ１）。このとき、制御ＣＵ１４は、予めコンデンサ１５に蓄えられた電力によって駆動する。

制御ＣＵ１４からの開始要求信号を受信すると、非接触充電設備３０の設備ＣＵ３２は、送信コイル３１から電力伝送可否判別用の低圧電力（例えば、ＤＣ１２Ｖが出る程度の電力）を伝送させる（ステップＳ２）。

これにより、送信コイル３１から電力伝送可否判別用の低圧電力が接触充電化装置１０の受信コイル１１に伝送される。この低圧電力は受信コイル１１に交流電力として受信された後、整流器１２で整流（ＤＣ変換）される。
そして、整流器１２は、整流した電力の電圧値を検出し、制御ＣＵ１４へ出力する（ステップＳ３）。

次に、制御ＣＵ１４は、整流器１２から出力された電圧値に基づいて、非接触充電設備３０（送信コイル３１）から受信コイル１１への電力伝送が正常に行われたか否かを判別する（ステップＳ４）。
具体的に、制御ＣＵ１４は、整流器１２から出力された電圧値が所定の正常範囲から外れていた場合に、非接触充電設備３０からの電力伝送が正常に行われていないと判別する。

電力伝送が正常に行われない原因としては、送信コイル３１と受信コイル１１との位置合わせが適切でない（これらが所定の距離範囲内にない）ことや、或いは、送信コイル３１と受信コイル１１との間に電力伝送を妨げる異物が介在していることなどが考えられる。
そこで、ステップＳ４において、非接触充電設備３０からの電力伝送が正常に行われていないと判別した場合（ステップＳ４；Ｎｏ）、制御ＣＵ１４は、送信コイル３１からの電力伝送を停止させたうえでディスプレイに警告表示をするなどして、コイル間の位置合わせや異物の存在有無等の伝送状態確認をユーザに促す（ステップＳ５）。そして、ユーザが伝送状態を改善する対応を採った後に図示しない操作部で所定の操作を行うと、制御ＣＵ１４は、上述のステップＳ１へ処理を移行する。

一方、ステップＳ４において、送信コイル３１から受信コイル１１への電力伝送が正常に行われていると判別した場合には（ステップＳ４；Ｙｅｓ）、制御ＣＵは、電力伝送可否判別シーケンスを終了して充電開始シーケンスに移行する。

＜充電開始シーケンス＞
続いて、電力伝送可否判別シーケンスの正常終了後に実行される充電開始シーケンスについて説明する。
図３は、充電開始シーケンスの流れを示すフローチャートである。

充電開始シーケンスでは、まず制御ＣＵ１４は、電力伝送可否判別用の低圧電力を用いてコンデンサ１５を充電する（ステップＳ１１）。
具体的に、制御ＣＵ１４は、整流器１２とコンデンサ１５間のスイッチ１６をＯＮ（閉）にしてこれらを通電可能に接続し、整流器１２で整流された低圧電力をコンデンサ１５に出力させて当該コンデンサ１５を充電する。

次に、制御ＣＵ１４は、例えばコンデンサ１５の電圧値等に基づいて当該コンデンサ１５の充電が完了したことを検知すると、スイッチ１６をＯＦＦ（開）にして整流器１２とコンデンサ１５との接続を切断する（ステップＳ１２）。
それから、制御ＣＵ１４は、充電ケーブル１３及び充電口２２を介し、電動車両２０の充電ＣＵ２３に対してＣＡＮ通信で充電開始要求信号を送信する（ステップＳ１３）。

制御ＣＵ１４からの充電開始要求信号を受信すると、電動車両２０の充電ＣＵ２３は、コンタクタ２４を介した充電口２２から高電圧バッテリ２１までの充電路及びこれら各機器に異常がないかを診断する。そして、この診断により充電路や各機器に異常がないことを確認すると、充電ＣＵ２３は、コンタクタ２４をＯＮ（充電路閉）にするとともに、制御ＣＵ１４にその旨の信号を送信する（ステップＳ１４）。コンタクタ２４がＯＮにされることにより、接触充電化装置１０の整流器１２から電動車両２０の高電圧バッテリ２１までの電力ラインが通電可能状態となる。

コンタクタ２４がＯＮとなった信号を充電ＣＵ２３から受信すると、制御ＣＵ１４は、非接触充電設備３０の設備ＣＵ３２に充電開始要求信号を送信する（ステップＳ１５）。
この充電開始要求信号を受信すると、設備ＣＵ３２は、送信コイル３１から充電用の高圧電力（例えば、ＤＣ４００Ｖが出る程度の電力）を伝送させる（ステップＳ１６）。

これにより、送信コイル３１から充電用の高圧電力が接触充電化装置１０の受信コイル１１に伝送される。この高圧電力は受信コイル１１に交流電力として受信された後、整流器１２で整流（ＤＣ変換）され、電動車両２０の高電圧バッテリ２１へ出力されて、当該高電圧バッテリ２１の充電が開始される（ステップＳ１７）。

こうして、充電開始シーケンスが終了し、引き続き高電圧バッテリ２１の充電が行われる。
その後、電動車両２０の充電ＣＵ２３は、例えば高電圧バッテリ２１の電圧値等に基づいて当該高電圧バッテリ２１の充電量を監視し、満充電に近くなってきたときに整流器１２からの出力電力を下げる。具体的に、充電ＣＵ２３は、接触充電化装置１０の制御ＣＵ１４を通じて非接触充電設備３０の設備ＣＵ３２に満充電が近いことを通知する信号を送信し、送信コイル３１から伝送される電力を下げさせる。
そして、充電ＣＵ２３は、高電圧バッテリ２１の充電が完了したことを検知すると、接触充電化装置１０の制御ＣＵ１４を通じて非接触充電設備３０の設備ＣＵ３２に充電完了を通知する信号を送信し、送信コイル３１からの電力伝送を停止させる。また充電ＣＵ２３は、コンタクタ２４をＯＦＦ（充電路開）にし、充電口２２から高電圧バッテリ２１までの充電路を遮断する。
こうして、電動車両２０の高電圧バッテリ２１の充電が完了する。

［効果］
以上のように、本実施形態の接触充電化装置１０によれば、非接触充電設備３０の送信コイル３１から非接触で電力エネルギーを受信する受信コイル１１と、電動車両２０の充電口２２に接続されて当該電動車両２０に接触給電する充電ケーブル１３とを備える。
これにより、非接触充電設備３０を利用して、接触充電に対応した電動車両２０を充電することができる。

また、接触充電化装置１０では、電動車両２０の高電圧バッテリ２１を充電するための高圧電力よりも低い電力伝送可否判別用の低圧電力を受信コイル１１が受信しているときに、この低圧電力を利用して、制御ＣＵ１４の駆動用電力を蓄積するコンデンサ１５が充電される。
これにより、当該接触充電化装置１０において、制御ＣＵ１４の駆動用電力を好適に取得することができる。

［変形例］
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、コンデンサ１５を充電するときの電力が電力伝送可否判別用の低圧電力であることとした。しかし、このコンデンサ１５充電時の電力は、電動車両２０の高電圧バッテリ２１を充電するときの高圧電力よりも低いものであればよい。例えば、高電圧バッテリ２１の充電時においては、上述の通り満充電が近づくと送信コイル３１からの電力が下げられる。そこで、このときに下げられた低圧電力を利用して、高電圧バッテリ２１の充電後にコンデンサ１５を充電することとしてもよい。

また、接触充電化装置１０のコンデンサ１５は、当該接触充電化装置１０における制御ＣＵ１４以外の機器の電力源として機能させてもよい。例えば、接触充電化装置１０が図示しない操作部やディスプレイ等を備える場合には、これらの機器にコンデンサ１５が給電可能なように構成してもよい。

１０接触充電化装置
１１受信コイル（受電手段）
１２整流器
１３充電ケーブル（電力供給手段）
１４制御ＣＵ（制御手段）
１５コンデンサ（蓄電手段）
２０電動車両
２１高電圧バッテリ（二次電池）
２２充電口
２３充電ＣＵ
３０非接触充電設備
３１送信コイル（送電手段）
３２設備ＣＵ

Claims

非接触充電設備の送電手段から非接触で電力エネルギーを受信する受電手段と、電動車両の充電口に接続されて当該電動車両に接触給電する電力供給手段とを備え、前記非接触充電設備を利用して前記電動車両の二次電池を充電する接触充電化装置であって、
制御手段と、
前記制御手段の駆動用電力を蓄積する蓄電手段と、
を備え、
前記制御手段は、
前記電動車両の二次電池を充電するための第１の電力と、当該第１の電力よりも低い第２の電力との伝送を、前記非接触充電設備に要求可能であるとともに、
前記電動車両の二次電池の充電を開始する前に、前記非接触充電設備の前記送電手段から前記第２の電力を伝送させ、当該第２の電力に基づいて、当該送電手段から前記受電手段への電力伝送が正常に行われるか否かを判別し、
前記電力伝送が正常に行われたと判別した場合に、前記受電手段が受信している前記第２の電力を用いて前記蓄電手段の充電を開始し、
前記蓄電手段の充電が完了した後に、前記非接触充電設備の前記送電手段から前記第１の電力を伝送させ、前記電動車両の二次電池の充電を開始することを特徴とする接触充電化装置。
前記受電手段で受信した電力を整流する整流手段を備え、
前記制御手段は、
前記整流手段で整流された前記第２の電力の電圧値に基づいて、前記電力伝送が正常に行われるか否かを判別し、
前記電力伝送が正常に行われたと判別した場合に、前記整流手段で整流された前記第２の電力を用いて前記蓄電手段を充電することを特徴とする請求項１に記載の接触充電化装置。
前記制御手段は、前記非接触充電設備との間で無線通信により信号を送受信可能に構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の接触充電化装置。