(57)【要約】【課題】電力を蓄積する手段としてバッテリとキャパシタを備え、かつ短時間給電と大容量蓄電を両立させた非接触受電装置を提供する。【解決手段】キャパシタ２１３とバッテリ２１６との間に電圧変換回路２１４を設け、電圧変換回路２１４によりキャパシタ２１３の端子間電圧をバッテリ２１６の充電電圧に変換する。キャパシタ２１３とバッテリ２１６を回路上で分離することにより、キャパシタ２１３に蓄積された電気量を、バッテリ２１６の電圧に影響されることなく取り出すことができ、結果として、キャパシタ２１３に蓄積された電力の大半を取り出してバッテリ２１６に充電することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触給電装置の一次コイルと電磁結合する二次コイルを備え、前記一次コイルから給電された電力を前記二次コイルにより受電する非接触受電装置であって、
前記二次コイルで受電した交流電力を直流電力に変換する交流/直流変換回路と、
前記交流/直流変換回路の出力である直流電力を蓄積するキャパシタと、
前記キャパシタで蓄積された直流電力が充電されるバッテリと、
前記キャパシタの端子間電圧を前記バッテリの充電電圧に変換する電圧変換回路と、
前記バッテリの充電制御を行う充電制御回路と、を備えたことを特徴とする非接触受電装置。
【請求項２】
前記電圧変換回路は、前記キャパシタの端子間電圧が所定の値未満のときは電圧変換動作を停止することを特徴とする、請求項１に記載の非接触受電装置。
【請求項３】
前記電圧変換回路は、
入力電圧よりも出力電圧が高く設定された昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
入力電圧よりも出力電圧が低く設定された降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記キャパシタと、前記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとを選択的に接続するセレクタと、で構成されたことを特徴とする、請求項１に記載の非接触受電装置。
【請求項４】
前記キャパシタとして電気二重層キャパシタを用いることを特徴とする、請求項１に記載の非接触受電装置。
【請求項５】
非接触給電装置の周辺に設定された給電位置まで自立的に走行して停止し、前記非接触給電装置から電力の供給を受けて、自立的に移動する無人搬送車であって、
請求項１に記載の非接触受電装置と、
無人搬送車本体に取り付けられた車輪およびハンドルを駆動して前記無人搬送車本体を走行させる少なくとも１つのモータと、
前記非接触受電装置からの電力を前記モータに供給し、かつ前記モータの回転を制御するコントローラと、を備えた無人搬送車。
【請求項６】
前記電圧変換回路は、前記キャパシタの端子間電圧が所定の値未満のときは電圧変換動作を停止することを特徴とする、請求項５に記載の無人搬送車。
【請求項７】
前記電圧変換回路は、
入力電圧よりも出力電圧が高く設定された昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
入力電圧よりも出力電圧が低く設定された降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記キャパシタと、前記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとを選択的に接続するセレクタと、で構成されたことを特徴とする、請求項５に記載の無人搬送車。
【請求項８】
前記キャパシタとして電気二重層キャパシタを用いることを特徴とする、請求項５に記載の無人搬送車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コイル間の電磁結合を利用して給電装置から非接触で電力の供給を受ける非接触受電装置、およびその受電装置を内蔵した無人搬送車に関する。
【背景技術】
【０００２】
無人搬送車に配設された二次コイルに給電装置に配設された一次コイルから非接触で電力を供給（給電）する非接触給電方法を採用した無人搬送車が普及している。ここで非接触とは、コネクタやパンタグラフなどによる物理的な接触なしにという意味である。
【０００３】
非接触給電方法を採用した無人搬送車においては、給電装置から給電された電力は無人搬送車に内蔵された受電装置のバッテリに蓄えられる。しかし、バッテリは大量の電力を蓄積するのには好都合であるが、充電に時間がかかるという難点があり、迅速な給電を実現する上で障害となっている。
【０００４】
給電に要する時間を短縮化するため、バッテリにキャパシタを並列に接続した受電装置が提案されている（特許文献１参照）。非接触給電装置から給電された電力は、直流電力に変換された後、並列接続されたバッテリとキャパシタに充電される。この際、キャパシタはバッテリに比べて短時間に充電できるため、非接触給電装置から給電された電力を、一旦キャパシタに蓄積し、その後、キャパシタに蓄積された電力をバッテリに充電することにより、短時間での給電が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
特開２００８−１３７４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、バッテリとキャパシタを単純に並列に接続した場合、キャパシタに電気量として蓄積された電力を効率良く取り出せないという問題がある。以下、その理由を説明する。
【０００７】
キャパシタに蓄積される電気量はキャパシタの端子間電圧に比例しており、キャパシタに蓄積された電気量が放電されると、キャパシタの端子間電圧は低下する。逆に言えば、放電によってキャパシタに蓄積された電気量を多く取り出すためには、キャパシタの端子間電圧を十分低くまで取り出す必要がある。しかし、バッテリとキャパシタは並列に接続されているため、キャパシタの端子間電圧はバッテリの端子間電圧と等しい。バッテリの端子間電圧は、ある程度充電された状態では一定範囲の値を保つため、キャパシタの端子間電圧を十分低くまで取り出すのは困難である。結果として、キャパシタに蓄積された電力を十分取り出すことができない。
【０００８】
またキャパシタに短時間に充電を行うためには、充電制御回路の容量を大きくする必要があるが、充電制御回路の容量を大きくすると価格が高くなり、受電装置のコストアップにつながる。
【０００９】
本発明はこのような従来の問題点を解決するもので、キャパシタに蓄積された電力を十分取り出すことができ、さらに安価な充電制御回路で構成できる非接触受電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため本発明にかかる非接触受電装置は、
非接触給電装置の一次コイルと電磁結合する二次コイルを備え、前記一次コイルから給電された電力を前記二次コイルにより受電する非接触受電装置であって、
前記二次コイルで受電した交流電力を直流電力に変換する交流/直流変換回路と、
前記交流/直流変換回路の出力である直流電力を蓄積するキャパシタと、
前記キャパシタで蓄積された直流電力が充電されるバッテリと、
前記キャパシタの端子間電圧を前記バッテリの充電電圧に変換する電圧変換回路と、
前記バッテリの充電制御を行う充電制御回路とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
ここで、前記電圧変換回路は、前記キャパシタの端子間電圧が所定の値未満のときは電圧変換動作を停止することが好ましい。また前記キャパシタとして電気二重層キャパシタを用いることが好ましい。
【００１２】
前記電圧変換回路は、
入力電圧よりも出力電圧が高く設定された昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
入力電圧よりも出力電圧が低く設定された降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータと、
前記キャパシタと、前記昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータまたは降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとを選択的に接続するセレクタとで構成されることが好ましい。
【００１３】
また本発明にかかる無人搬送車は、
非接触給電装置の周辺に設定された給電位置まで自立的に走行して停止し、前記非接触給電装置から電力の供給を受けて、自立的に移動する無人搬送車であって、
上述の非接触受電装置と、
無人搬送車本体に取り付けられた車輪およびハンドルを駆動して前記無人搬送車本体を走行させる少なくとも１つのモータと、
前記非接触受電装置からの電力を前記モータに供給し、かつ前記モータの回転を制御するコントローラとを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明にかかる非接触受電装置は、キャパシタとバッテリとの間に電圧変換回路を介在させることにより、キャパシタとバッテリを回路上で分離するものである。結果として、キャパシタに蓄積された電力を、バッテリの電圧に影響されることなく取り出すことができる。その一方で、キャパシタから取り出された電力は、充電制御回路によってバッテリに確実に充電される。
【００１５】
また本発明にかかる非接触受電装置は、キャパシタの充電とバッテリの充電を別々の回路で行うため、コストアップに繋がる大容量の充電制御回路を用いる必要がない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態にかかる無人搬送車と非接触給電装置の構成を示す図である。
【図２】キャパシタにおける電圧と電気量との関係を示す図である。
【図３】電圧変換回路の構成の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の非接触受電装置およびそれを内蔵した無人搬送車について、図面を参照して説明する。
【００１８】
＜無人搬送車と非接触給電装置の構成＞
図１に、本発明の実施の形態にかかる無人搬送車２０と、この無人搬送車２０に電力を供給する非接触給電装置１０のそれぞれの構成を示す。
【００１９】
非接触給電装置１０は所定の場所に設置され、交流電源１０１から供給される、例えば商用１００Ｖの電力を無人搬送車２０に非接触で供給する。非接触給電装置１０は整流平滑回路１０２、高周波インバータ１０３および一次コイル１０４を備えている。
【００２０】
交流電源１０１から供給された交流電力は、整流平滑回路１０２で整流・平滑されて直流電力に変換され、さらに高周波インバータ１０３で高周波電力に変換される。一次コイル１０４は導電線が複数回巻回されたもので、高周波インバータ１０３から供給された高周波電力を電磁エネルギーＰに変換して放出する。
【００２１】
非接触給電装置１０には、上述した構成以外に、整流平滑回路１０２や高周波インバータ１０３の動作を制御する制御回路が含まれるが、本発明と直接関係しないため説明を省略する。
【００２２】
無人搬送車２０は、非接触給電装置１０から送信された高周波電力を受信して直流電力に変換した後キャパシタとバッテリに蓄積し、蓄積された電力を用いて車輪やハンドル駆動用のモータを回転させる。無人搬送車２０は、非接触受電装置２１、コントローラ２２およびモータ２３ａ、２３ｂを備えている。
【００２３】
非接触受電装置２１は、非接触給電装置１０から放出された電磁エネルギーＰを非接触で受け、それを直流電力に変換した後、バッテリ等に蓄積する。コントローラ２２は、非接触受電装置２１からの直流電力を車輪駆動用モータ２３ａおよびハンドル駆動用モータ２３ｂに供給するとともに、モータ２３ａ、２３ｂの回転を制御する。モータ２３ａ、２３ｂは、無人搬送車２０に取り付けられた車輪およびハンドル（図示せず）を回転させる。コントローラ２２は、モータ２３ａ、２３ｂの回転を制御して、指示された方向および指示された速度で無人搬送車２０を移動させる。
【００２４】
非接触受電装置２１は、二次コイル２１１、交流/直流変換回路２１２、キャパシタ２１３、電圧変換回路２１４、充電制御回路２１５およびバッテリ２１６を備えている。またキャパシタ２１３には電圧センサ２１７が取り付けられ、バッテリ２１６には電圧センサ２１８と電流センサ２１９が取り付けられている。
【００２５】
二次コイル２１１は導電線が複数回巻回されたもので、非接触給電装置１０の一次コイル１０４とほぼ同様の直径を有し、一次コイル１０４との電磁誘導結合によって電磁エネルギーＰを受け、高周波電力を受信する。
【００２６】
二次コイル２１１で受信した高周波電力は交流/直流変換回路２１２で直流電力に変換された後、キャパシタ２１３に充電され、蓄積される。キャパシタ２１３には電気二重層キャパシタ等の大容量で短時間に充電できるものが適している。非接触給電装置１０からの給電が終了した後、キャパシタ２１３に蓄積された電力は、バッテリ２１６に充電され、蓄積される。前述したように、キャパシタ２１３の端子間電圧は、キャパシタ２１３に蓄積された電荷量に応じて変動する。
【００２７】
電圧変換回路２１４は、キャパシタ２１３の端子間電圧をバッテリ２１８の充電電圧に変換するものである。電圧変換回路２１４の機能については、後に図２を参照して詳述する。
【００２８】
充電制御回路２１５は、電圧変換回路２１４で変換された充電電圧をバッテリ２１６に印加すると共に、電圧センサ２１８の出力Ｖｂおよび電流センサ２１９の出力Ｉｂに基づいて、バッテリ２１６の充電を制御する。充電制御回路２１５によるバッテリ２１６の充電制御は周知の技術であるため、ここでは説明を省略する。
【００２９】
バッテリ２１６に蓄積された電力はコントローラ２２に供給され、モータ２３ａ，２３ｂの駆動力となる。なお、キャパシタ２１３に蓄積された電力は、モータ２３ａ，２３ｂの駆動中はモータ２３ａ，２３ｂの駆動およびバッテリ２１６の充電に供され、モータ２３ａ，２３ｂの停止中はバッテリ２１６の充電に供される。
【００３０】
＜電圧変換回路の機能＞
次に、電圧変換回路２１４の機能について、従来の装置と比較して説明する。図２はキャパシタ２１３の電圧と電気量の関係を示した図である。図２において、横軸はキャパシタ２１４の端子間電圧Ｖを表し、縦軸はキャパシタ２１４に蓄積される電気量Ｑを表す。
【００３１】
非接触給電装置１０から供給された電力は、一時的にキャパシタ２１３に静電エネルギーとして蓄積され、かつ静電エネルギーはキャパシタ２１３に蓄積された電気量Ｑの二乗に比例する。言い換えれば、非接触給電装置１０から供給された電力は、電気量Ｑに比例した形でキャパシタ２１３に蓄積される。
【００３２】
一方、キャパシタの静電容量をＣとすると、キャパシタに蓄積される電気量Ｑと端子間電圧Ｖとの間には、
Ｑ＝Ｃ×Ｖ
の関係が成り立つ。
【００３３】
図２に示すように、キャパシタに蓄積された電気量Ｑが放電されると、端子間電圧Ｖは受電直流電圧であるＶ０から時間に比例して低下する。先述の特許文献１に記載された非接触受電装置のように、単にキャパシタとバッテリを並列に接続した場合、キャパシタの端子間電圧Ｖはバッテリの充電電圧Ｖ１から放電に従って低下するが、最終的にはバッテリの端子間電圧と等しくなる。またバッテリの端子間電圧は、バッテリの蓄電量が十分低下しない限り、若干の変動はあるが、所定の値Ｖ２に保持される。
【００３４】
つまり、キャパシタとバッテリを並列に接続した場合、キャパシタの端子間電圧Ｖはバッテリの端子間電圧Ｖ２に保持されるため、キャパシタから取り出せる電気量Ｑは、図２に示した△Ｑ２に限定され、大半の電気量Ｑはキャパシタに蓄積されたままとなる。
【００３５】
これに対し本発明では、図１に示すようにキャパシタ２１３とバッテリ２１６の間に電圧変換回路２１４を挿入して、キャパシタ２１３とバッテリ２１６を回路上分離し、それぞれの端子間電圧を個別に制御できるように構成している。すなわち、キャパシタ２１３の端子間電圧Ｖは放電に従って低下し、一方で、電圧変換回路２１４の出力電圧はバッテリ２１６の充電電圧Ｖ１（図２参照）に保持される。
【００３６】
この結果、キャパシタ２１３に蓄積された電気量Ｑを、バッテリ２１６の端子間電圧に影響されることなく取り出すことができる。その一方で、充電制御回路２１５の出力電圧はバッテリ２１６の充電電圧Ｖ１に維持されるため、バッテリ２１６への充電は問題なく行われる。
【００３７】
なお、キャパシタ２１３に蓄積された電力の一部は、電圧変換回路２１４に内蔵された制御用論理回路の電源として用いられるため、電圧変換回路２１４の入力電圧を論理回路の駆動電圧より低くすると、電圧変換回路２１４の制御に支障が生じる。また、電圧変換回路２１４の入力電圧を大幅に下げてキャパシタ２１３に蓄積された電気量を０に近い状態にすると、非接触給電装置１０から再度給電する際に、キャパシタ２１３に電力を供給する二次コイル２１１に大きな電流が流れ、コイルが焼き切れる恐れがある。
【００３８】
上述した２つの理由で、キャパシタ２１３の端子間電圧は、論理回路の駆動電圧Ｖ３（図２参照）以上とすることが好ましい。電圧変換回路２１４は、キャパシタ２１３の端子間電圧Ｖｃを電圧センサ２１７で検出し、電圧ＶｃがＶ３未満になったとき、電圧変換動作を停止して、キャパシタ２１３からの放電を止める。
【００３９】
図２に示すように、電圧変換回路２１４の存在によってキャパシタ２１３の端子間電圧が受電直流電圧Ｖ０からＶ３まで下がるため、キャパシタ２１３から△Ｑ２に加えて△Ｑ１＋△Ｑ３の電気量を取り出すことができる。従来の装置で取り出すことができた電気量△Ｑ２に対し、本発明では、（ΔＱ１＋ΔＱ２＋△Ｑ３）の電気量、すなわちキャパシタ２１３に蓄積された大半の電気量（電力）を取り出すことができる。このようにキャパシタ２１３とバッテリ２１６との間に電圧変換回路２１４を介在させることにより、急速充電ができるというキャパシタの利点を生かしつつ、キャパシタに蓄積された電力の十分な取り出しが可能となる。
【００４０】
図３に電圧変換回路２１４の構成の一例を示す。電圧変換回路２１４は、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２１およびセレクタ２２２を含む。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０は、入力電圧よりも出力電圧が高く設定され、一方降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２１は、入力電圧よりも出力電圧が低く設定されている。
【００４１】
図２に示したようにキャパシタ２１７の端子間電圧Ｖは、バッテリ２１６の充電電圧Ｖ１より高い初期電圧Ｖ０からバッテリ２１６の充電電圧Ｖ１より低い電圧Ｖ３まで変化する。セレクタ２２２は、電圧センサ２１７の出力Ｖｃに基き、キャパシタ２１３の端子間電圧に応じて、電圧変換回路２１４の入力と２つのコンバータとを選択的に接続する。すなわち、キャパシタ２１３の端子間電圧がＶ１未満の場合は、実線で示すように電圧変換回路２１４の入力を昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０に接続し、キャパシタ２１３の端子間電圧がＶ１以上の場合は、破線で示すように電圧変換回路２１４の入力を降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２１に接続する。
【００４２】
このように昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２０と降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２２１を組み合わせて電圧変換回路２１４を構成することにより、市販のコンバータを用いて電圧変換回路を安価に実現できる。
【００４３】
＜非接触給電装置と無人搬送車の動作＞
次に、図１に示した非接触給電装置１０および無人搬送車２０の動作を説明する。
【００４４】
無人搬送車２０はコントローラ２２によってモータ２３ａおよび２３ｂを制御することにより定められた軌道上を自立的に走行し、充電待機位置で停止する。この位置では非接触給電装置１０の一次コイル１０４と無人搬送車２０の二次コイル２１１が所定の距離を隔てて対向する。
【００４５】
図示しない非接触給電装置１０の制御回路は、無人搬送車２０が充電待機位置に停止したことを検知して、整流平滑回路１０２および高周波インバータ１０３を動作させる。交流電源１０１から供給された交流電力は整流平滑回路１０２で直流電力に変換され、さらに高周波インバータ１０３で高周波電力に変換されて一次コイル１０４に供給される。一次コイル１０４は高周波電力を電磁エネルギーＰに変換して空間に放出する。
【００４６】
一次コイル１０４から放出された電磁エネルギーＰは、電磁誘導結合によって非接触受電装置２１の二次コイル２１１に送信される。二次コイル２１１で受信した高周波電力は交流/直流変換回路２１２によって直流電力に変換された後、キャパシタ２１３とバッテリ２１６に充電される。
【００４７】
通常、非接触給電装置１０の給電時間は、バッテリ２１６が満充電されるまで続く。システムの運用などにより短い給電時間になる場合は、キャパシタ２１３がバッテリ２１６に比べ先に充電される。従って、バッテリ２１６への充電は、給電時間内は、非接触給電装置１０から供給された電力によって行われるが、給電時間の終了後は、キャパシタ２１３に充電された電力によって行われる。
【００４８】
キャパシタ２１３に充電された直流電力は、電圧変換回路２１４で、電圧の値がキャパシタ２１３の端子間電圧からバッテリ２１６の充電電圧に変換され、充電制御回路２１５に供給される。
【００４９】
充電制御回路２１５は、電圧センサ２１８の出力Ｖｂおよび電流センサ２１９の出力Ｉｂに基づき、バッテリ２１６の充電を制御する。図２に示したように、バッテリ２１６の充電電圧Ｖ１はバッテリ２１６の端子間電圧Ｖ２よりも若干高めに設定されている。
【００５０】
バッテリ２１６に蓄積された直流電力は、コントローラ２２の制御に基づいてモータ２３ａおよび２３ｂに供給され、無人搬送車２０の駆動力となる。
【００５１】
以上説明したように、本実施の形態にかかる非接触受電装置によれば、キャパシタ２１３に蓄積された電気量の大半を取り出してバッテリ２１６に充電できるため、急速充電できるキャパシタ２１３の特性と大容量の電力を蓄積できるバッテリ２１６の特性をそれぞれ生かすことができる。結果として、無人搬送車２０の給電時間を短縮して稼働率を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明にかかる非接触受電装置は、無人搬送車への適用に限定されず、有人であるか無人であるかを問わず、非接触で電力の供給を受ける各種の移動装置に適用が可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１０    非接触給電装置
２０    無人搬送車
２１    非接触受電装置
２２    コントローラ
２３ａ、２３ｂ    モータ
１０１    交流電源
１０２    整流平滑回路
１０３    高周波インバータ
１０４    一次コイル
２１１    二次コイル
２１２    交流/直流変換回路
２１３    キャパシタ
２１４    電圧変換回路
２１５    充電制御回路
２１６    バッテリ
２２０    昇圧型ＤＣ/ＤＣコンバータ
２２１    降圧型ＤＣ/ＤＣコンバータ
２２２    セレクタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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