(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構築物の側壁、床部又は天井部に固定状態で設けられ、インバータを含む高周波電源から電力供給を受ける一次コイルを有する給電装置と、自動車又は搬送台車に設けられ、前記給電装置に対して隙間を有して横移動可能に配置され、前記一次コイルと電磁結合する二次コイル及び共振コイルを有する受電装置とを備え、給電時には前記給電装置から前記受電装置に接続された電池に充電する非接触充電設備において、
１）前記受電装置の制御部（Ｂ）及び前記給電装置の制御部（Ａ）にそれぞれ接続され、かつ対向配置されて、可視光を用いる光信号の授受を行う第２、第１の光通信部と、
２）前記制御部（Ｂ）に設けられ、電圧計測手段で測定した前記電池の充電電圧、電流計測手段で測定した前記電池の充電電流、及び温度計で測定した前記共振コイルの作動温度の信号を前記第２の光通信部から前記第１の光通信部に送る光信号処理手段と、
３）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記第１の光通信部からの信号を受けて前記充電電圧及び前記充電電流を検知し、固定周波数で発振する前記インバータのＰＷＭ制御を行って、前記充電電圧が規定電圧より低い場合は、前記電池への定電流制御を行い、前記充電電圧が前記規定電圧となった場合は、前記電池への定電圧制御を行う充電制御手段と、
４）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記第１の光通信部からの信号を受けて前記作動温度が所定温度値を超えた場合には、前記インバータの動作を停止する第１の保護手段と、
５）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記第１の光通信部からの信号により、前記充電電流が最大電流値を超えた場合、又は前記充電電圧が最大電圧値を超えた場合、前記インバータの動作を停止する第２の保護手段と、
６）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記電池への定電圧制御の完了を確認して、前記インバータの動作を停止する第３の保護手段とが設けられ、
前記受電装置は、フェライト製の二次側Ｅコアと該二次側Ｅコアの中央磁極部に巻かれた前記二次コイルと前記共振コイルを有し、該共振コイルには共振コンデンサが接続され、
前記給電装置は、平面視して円形の平面部と該平面部の中央に突出して形成された円柱状の直立磁極部とを有するフェライト製の一次側コアと、前記直立磁極部に巻かれた前記一次コイルとを有し、しかも、前記平面部の直径は、平面視して前記二次側Ｅコア、前記二次コイル、及び前記共振コイルを囲む円のうち最大円の直径の１倍を超え１．６倍以下の範囲にあることを特徴とする非接触充電設備。
【請求項２】
請求項１記載の非接触充電設備において、前記光信号処理手段は、前記電圧計測手段及び前記電流計測手段並びに前記温度計でそれぞれ測定したデータをデジタル信号に変換し、変換したデジタルデータを更にシリアル信号に変換して、前記第２の光通信部から光信号として送信し、該光信号を前記第１の光通信部で受信して、前記充電制御手段で復調し、該充電制御手段で前記インバータのＰＷＭ制御を行うことを特徴とする非接触充電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば工場内や一般道路を移動する搬送台車（例えば、ＡＧＶ）又は自動車の電池等に非接触で電力を供給する非接触充電設備（通常、０．５ｋＷ以上の送電電力に使用する）に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、工場等で電池で動く搬送台車は、定期的に電池を充電する必要があり、所定の場所に配置された充電器の近くに搬送台車を止めて、接続コードを用いて搬送台車の電池と充電器を接続し、電池への充電が行われていた。ところが、接続コードを用いて電池へ充電する場合、接続コードを電力供給源に接続する等、極めて手間であるので、例えば、特許文献１〜３に示すように、搬送台車に非接触で電力を供給することが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−９４８６２号公報
【特許文献２】特開２００６−３２５３５０号公報
【特許文献３】ＷＯ２００６／０２２３６５号公報
【特許文献４】特許第５７０７５４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１〜３に記載のように、一次コイル側又は二次コイル側に共振回路を組み込むと、共振回路に大きな電流が流れ、発熱するという問題があった。
そこで、特許文献４に示すように、二次コイルの共振電流をスイッチング素子を用いて制御し、二次側共振電流を一定に保ち二次側回路の発熱を抑制した非接触電力供給装置が提案されている。
【０００５】
ところが、二次側に電流の制御部を設けると、全ての二次側機器を備えた搬送台車に電流を一定に制御する装置が必要であり、経済上好ましくない。
また、特許文献４に記載する装置は、二次側機器の状態に関わらず一次側機器が作動する場合もあり、無駄な電力が消費される場合があった。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、二次側で電池の電圧及び電流を測定して、一次側で的確に充電電流及び充電電圧を制御する非接触充電設備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】
【０００６】
【０００７】
前記目的に沿う本発明に係る非接触充電設備は、構築物の側壁、床部又は天井部に固定状態で設けられ、インバータを含む高周波電源から電力供給を受ける一次コイルを有する給電装置と、自動車又は搬送台車に設けられ、前記給電装置に対して隙間を有して横移動可能に配置され、前記一次コイルと電磁結合する二次コイル及び共振コイルを有する受電装置とを備え、給電時には前記給電装置から前記受電装置に接続された電池に充電する非接触充電設備において、
１）前記受電装置の制御部（Ｂ）及び前記給電装置の制御部（Ａ）にそれぞれ接続され、かつ対向配置されて、可視光を用いる光信号の授受を行う第２、第１の光通信部と、
２）前記制御部（Ｂ）に設けられ、電圧計測手段で測定した前記電池の充電電圧、電流計測手段で測定した前記電池の充電電流、及び温度計で測定した前記共振コイルの作動温度の信号を前記第２の光通信部から前記第１の光通信部に送る光信号処理手段と、
３）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記第１の光通信部からの信号を受けて前記充電電圧及び前記充電電流を検知し、固定周波数で発振する前記インバータのＰＷＭ制御を行って、前記充電電圧が規定電圧より低い場合は、前記電池への定電流制御を行い、前記充電電圧が前記規定電圧となった場合は、前記電池への定電圧制御を行う充電制御手段と、
４）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記第１の光通信部からの信号を受けて前記作動温度が所定温度値を超えた場合には、前記インバータの動作を停止する第１の保護手段と、
５）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記第１の光通信部からの信号により、前記充電電流が最大電流値を超えた場合、又は前記充電電圧が最大電圧値を超えた場合、前記インバータの動作を停止する第２の保護手段と、
６）前記制御部（Ａ）に設けられ、前記電池への定電圧制御の完了を確認して、前記インバータの動作を停止する第３の保護手段とが設けられ、
前記受電装置は、フェライト製の二次側Ｅコアと該二次側Ｅコアの中央磁極部に巻かれた前記二次コイルと前記共振コイルを有し、該共振コイルには共振コンデンサが接続され、
前記給電装置は、平面視して円形の平面部と該平面部の中央に突出して形成された円柱状の直立磁極部とを有するフェライト製の一次側コアと、前記直立磁極部に巻かれた前記一次コイルとを有し、しかも、前記平面部の直径は、平面視して前記二次側Ｅコア、前記二次コイル、及び前記共振コイルを囲む円のうち最大円の直径の１倍を超え１．６倍以下の範囲にある。
【０００８】
なお、第３の保護手段は、１）定電流（充電）制御の後、充電電流が所定電流以下になるまで定電圧（充電）制御を行って前記インバータの動作を止める場合、２）更に、この定電圧（充電）制御の完了後、一定時間経過後に前記インバータの動作を止める場合、３）定電流（充電）制御の後、タイマーでカウントして定電圧（充電）制御を行い、該タイマーのカウントアップによって、前記インバータの動作を止めるようにする場合等がある。
【０００９】
本発明に係る非接触充電設備において、前記光信号処理手段は、前記電圧計測手段及び前記電流計測手段並びに前記温度計でそれぞれ測定したデータをデジタル信号に変換し、変換したデジタルデータを更にシリアル信号に変換して、前記第２の光通信部から光信号として送信し、該光信号を前記第１の光通信部で受信して、前記充電制御手段で復調し、該充電制御手段で前記インバータのＰＷＭ制御を行うのが好ましい。
【００１０】
【００１１】
以上に記載した非接触充電設備において、前記した第１、第２の光通信部の代わりに、電波や超音波を媒体とする第１、第２の無線通信部とすることもできる。この場合、前記した光信号は、電波や超音波を媒体とした無線信号となり、前記光信号手段は電波や超音波を媒体とした無線信号手段となる（即ち、読み替えることになる）。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る非接触充電設備において、制御部（Ｂ）に設けられ、電圧計測手段及び電流計測手段で測定した電池の充電電圧及び充電電流と、温度計で測定した受電装置の作動温度との信号を変換して、第１の光通信部に送る光信号処理手段と、制御部（Ａ）に設けられ、第１の光通信部からの信号を受けて充電電圧及び充電電流を検知し、固定周波数で発振するインバータのＰＷＭ制御を行って、充電電圧が規定電圧より低い場合は、電池への定電流制御を行い、充電電圧が規定電圧となった場合は、電池への定電圧制御を行う充電制御手段とを有するので、二次側の電圧及び電流を見ながら、インバータの出力を制御できる。
【００１３】
更に、本発明に係る非接触充電設備は、制御部（Ａ）に設けられ、第１の光通信部からの信号を受けて作動温度が所定温度値を超えた場合に、インバータの動作を停止する第１の保護手段を設けているので、受電側の温度異常を感知して充電動作を止めることができる。
【００１４】
そして、本発明に係る非接触充電設備は、制御部（Ａ）に設けられ、第１の光通信部からの信号により、充電電流が最大電流値を超えた場合、又は充電電圧が最大電圧値を超えた場合、インバータの動作を停止する第２の保護手段を有しているので、受電側の異常な状態を未然に察知して、給電装置の保護及び受電装置の保護をなし得る。
【００１５】
また、本発明に係る非接触充電設備は、制御部（Ａ）に設けられ、電池への定電圧制御の完了を確認した後、インバータの動作を停止する第３の保護手段が設けられているので、電池の過充電を防止できると共に、給電装置、受電装置又は外部に充電の完了を知らせることができる。この場合、ランプ又はブザーを起動するのが好ましい。
【００１６】
本発明に係る非接触充電設備において、光信号処理手段が、電圧計測手段及び電流計測手段並びに温度計でそれぞれ測定したデータをデジタル信号に変換し、変換したデジタルデータを更にシリアル信号に変換して、第２の光通信部から光信号として送信し、光信号を第１の光通信部で受信して、充電制御手段で復調し、インバータのＰＷＭ制御を行う場合は、信号処理が簡略化し、誤動作が少ない。
【００１７】
特に、本発明に係る非接触充電設備は、給電装置の制御部（Ａ）、受電装置の制御部（Ｂ）にそれぞれ接続され、かつ対向配置されて光通信を行う第１、第２の光通信部を有するので、光（紫外線、可視光線、赤外線、遠赤外線を含む）は指向性を有し、給電装置と受電装置とを、電波に比較して混信の少ない状態で信号連結できる。
【００１８】
そして、本発明に係る非接触充電設備において、受電装置が、フェライト製の二次側Ｅコアと二次側Ｅコアの中央磁極部に巻かれた二次コイルと共振コイルを有し、共振コイルには共振コンデンサが接続され、給電装置が、平面視して円形の平面部と該平面部の中央に突出して形成された円柱状の直立磁極部とを有するフェライト製の一次側コアと、直立磁極部に巻かれた一次コイルとを有するので、一次コイルと二次コイルの磁気結合がより強くなって、電力の伝達効率が増加する。更に、二次側Ｅコアの長手方向の平面視した向きが変わってもその他の条件が同じであれば、同一の伝達効率で給電できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施例に係る非接触充電設備の概略ブロック図である。
【図２】同非接触充電設備の説明図である。
【図３】同非接触充電設備の受電装置を底から見た二次コイル周りの説明図である。
【図４】同非接触充電設備の一次コイル及び二次コイル周りの説明図である。
【図５】同非接触充電設備を用いた場合の充電電流と時間との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施例につき説明し、本発明の理解に供する。
図１、図２に示すように、本発明の一実施例に係る非接触充電設備１０は、構築物の側壁、床部又は天井部に固定状態で設けられ、インバータ１１を含む高周波電源から電力供給を受ける一次コイル１２を有する給電装置１３と、給電装置１３に対して横移動可能な自動車又は搬送台車に設けられ、一次コイル１２と電磁結合する二次コイル１４及び共振コイル１５を有する受電装置１６とを備え、給電時には、給電装置１３に対して受電装置１６が隙間を有して横移動可能に配置され、給電装置１３の一次コイル１２の直上（又は直下、真横に）二次コイル１４及び共振コイル１５を配置した状態で、給電装置１３から受電装置１６に接続された電池１７に充電する。ここで、横移動可能な隙間とは、固定状態で配置されている一次コイル１２に対して二次コイル１４及び共振コイル１５が自由に横移動できる空間をいう。
【００２１】
そして、非接触充電設備１０は、給電装置１３の制御部（Ａ）１９、及び受電装置１６の制御部（Ｂ）２０にそれぞれ接続され、かつ対向配置されて光信号（無線信号一例）の授受を行う第１、第２の光通信部（第１、第２の無線通信部の一例）２１、２２を有している。ここで、第１、第２の光通信部２１、２２はそれぞれ図示しない発光部（例えば、ＬＥＤ）と受光部（例えば、フォトダイオード）を有し、給電装置１３から光信号（Ａ）を受電装置１６に、受電装置１６から光信号（Ｂ）を給電装置１３に送るようになっている。
【００２２】
制御部（Ｂ）２０には、電圧計測手段２３及び電流計測手段２４で測定した電池１７の充電電圧及び充電電流と、温度計２５で測定した受電装置１６（特に、共振コイル１５）の作動温度との信号を変換して、第２の光通信部２２に送る光信号処理手段（無線信号処理手段の一例）２６が設けられている。
【００２３】
制御部（Ａ）１９には、第１の光通信部２１からの信号を受けて、含まれる充電電圧及び充電電流の信号を検知し、固定周波数で発振するインバータ１１のＰＷＭ制御を行って、充電電圧が規定電圧（Ｖｃ、図５参照）より低い場合は、電池１７への定電流制御を行い、充電電圧が規定電圧（Ｖｃ）となった場合は、電池１７への定電圧制御を行う充電制御手段２８が設けられている。規定電圧は通常電池の定格電圧の１．１〜１．１５倍程度が好ましいが、本発明はこの数字に限定されるものではない。
【００２４】
ここで、光信号処理手段２６は、電圧計測手段２３及び電流計測手段２４並びに温度計２５でそれぞれ測定したデータをアナログ信号からデジタル信号に変換し、変換したデジタルデータを更にシリアル信号に変換して、第２の光通信部２２から光信号として送信し、光信号を第１の光通信部２１で受信して、充電制御手段２８で復調し、充電制御手段２８で電圧、電流及び温度の信号を記憶し、この電圧及び電流を用いてインバータ（高周波電源）１１のＰＷＭ制御を行う。
ここで、インバータ１１の電源は商用電源（例えば、三相交流）３０を整流回路３１で直流に変換することによって得る。
【００２５】
また、制御部（Ａ）１９は、第１の光通信部２１からの信号を受けて作動温度が所定温度値（Ｔｃ）を超えた場合に、充電制御手段２８を介してインバータ１１の動作を停止する第１の保護手段３３を有している。
【００２６】
そして、制御部（Ａ）１９には、第１の光通信部２１からの信号により、充電電流が最大電流値（Ｉｍａｘ）を超えた場合、又は充電電圧が最大電圧値（Ｖｍａｘ）を超えた場合、充電制御手段２８を介してインバータ１１の動作を停止する第２の保護手段３４が設けられている。なお、充電電流が最小電流値（Ｉｍｉｎ）未満の場合、又は充電電圧が最小電圧値（Ｖｍｉｎ）未満の場合、充電制御手段２８から警報を発することもできる。
【００２７】
制御部（Ａ）１９には、電池１７への定電圧制御の完了を確認した後、直ちに又は一定時間（タイマーでカウント）を経過すると、インバータ１１の動作を充電制御手段２８を介して停止する第３の保護手段３５が設けられている。この第３の保護手段３５は、ランプ出力を有すると共に、電波、超音波、光による無線信号、又は接点信号を有して、受電装置１６を有している搬送台車の一例である自動運搬車（ＡＧＶ）又は自動車が充電を完了したことを検知し、発進させることが可能となる。
【００２８】
共振コイル１５には共振用のコンデンサ３７が接続され、二次コイル１５の出力は整流器３９を介して負荷である電池１７に接続されている。なお、図２に示す非接触充電設備１０は実験用であるので、一次側に三相交流用の電圧計４０及び電流計４１、インバータ１１の出力電圧及び出力電流をそれぞれ測定する高周波電圧計４２及び高周波電流計４３を有している。
また、受電装置１６には、電池１７の充電電圧を測定する直流電圧計４４、電池１７の充電電流を測定する直流電流計４５が設けられている。
【００２９】
インバータ１１の動作周波数は、可聴周波数を超える２０〜１００ｋＨｚ程度が好ましいが、この実施例では２０ｋＨｚに固定している。共振コイル１５とコンデンサ３７との組み合わせによる共振周波数において過大な電流が流れるので、次式で表されるＩ（共振電流）が、共振コイル１５に使用される許容電流以下となるように、ω（＝２πｆ）を決める。
【００３０】
Ｉ＝Ｖ／｛（Ｒ2 ＋（ωＬ−１／ωＣ）2 ｝0.5 
但し、Ｒは回路抵抗、Ｌは共振コイル１５のインダクタンス、Ｃは共振コンデンサのキャパシタンス、ｆは周波数を示す。
具体的には、実際に測定して、例えば共振電流を電池１７の充電電流の０．５〜１倍とするのがよい。共振回路の共振周波数は、インバータ１１の発振周波数より大きいのが好ましいが、小さくすることもできる。
【００３１】
次に、この非接触充電設備１０に使用する一次コイル１２周りと、二次コイル１４及び共振コイル１５周りについて、具体例を図３、図４を参照しながら説明する。
給電装置１３において、一次コイル１２が巻かれている一次側コア４６は、図４に示すように、円形又は角部が丸くなった角形形状の平面部（板状部の一例）４７と、平面部４７の中央にある円柱状（半径ｒ）の直立磁極部（棒状部の一例）４８とを有し、材質はフェライトコアからなっている。直立磁極部４８は一次コイル１２の磁束が飽和しない断面積を有し、平面部４７の厚みｇは、０．５ｒ〜ｒとなって磁気飽和しないようになっている。なお、一次コイル１２にはリッツ線が使用され、直立磁極部４８に１０〜３０ターン程度巻かれている。直立磁極部４８と平面部４７とは継ぎ目無しの一体構造であるのが好ましいが、分割した構造からなり接着剤等で接合されるものであってもよい。この場合、接着剤としては磁性粉入りのものを使用するのがよい。
【００３２】
受電装置１６には図３、図４に示すフェライトコア材を用いた二次側Ｅコア４９が使用され、Ｅコア４９の中央磁極部５０に二次コイル１４及び共振コイル１５が巻かれている。共振コイル１５は例えば１０〜５０ターン程度巻かれ、二次コイル１４は例えば５〜２０ターン程度となっている。このＥコア４９の断面積も十分に大きく、二次コイル１４及び共振コイル１５に流れる電流で磁気飽和しないようになっている。
【００３３】
一次側コア４６の平面部４７の最大直径ｄは、二次側コア、即ちＥコア４９の平面視した最大直径及び二次コイル１４及び共振コイル１５の平面視した最大直径の、例えば、１倍を超え１．６倍以下の範囲で大きく、一次側コア４６とＥコア４９の磁気的結合度を増すと共に、一次側コア４６の背面側に逃げる漏洩磁束を少なくしている。更に、二次側にＥコア４９を一次側コア４６の平面部４７で覆うように使用しているので、Ｅコア４９の軸心と、一次側コア４６の軸心を略合わせることによって、Ｅコア４９の平面的向きに関係なく、一次側から二次側への効率の良い非接触給電が可能となる。なお、図４において、５１は非磁性及び絶縁体からなり、一次コイル１２の全部を覆うカバー材である。
【００３４】
続いて、この非接触充電設備１０の動作について説明する。
図１、図２に示すように、給電装置１３を所定位置に配置し、受電装置１６を有する搬送台車（例えば、ＡＧＶ）を所定位置に配置する。この場合、給電装置１３は、構築物の天井部、側壁、又は床部に配置し、受電装置１６は給電装置１３に少しの隙間を有して、給電装置１３に対して受電装置１６が横移動可能に対向配置されるのがよい。
搬送台車が所定の位置に停止したことをセンサで検知すると、給電装置１３及び受電装置１６が作動し、初期状態となる。
【００３５】
次に、電池１７の充電電圧と充電電流が、電圧計測手段２３と電流計測手段２４で計測され、温度計２５の出力と共に、光信号処理手段２６を介して第２の光通信部２２から光信号として外部に放出される。放出された光信号は第１の光通信部２１で受信し、充電制御手段２８によって、電流、電圧、温度の信号に復調される。
【００３６】
図５に示すように、電圧計測手段２３によって検出された電圧（充電電圧Ｖ）が規定電圧（Ｖｃ）より低い場合は、電池１７への定電流制御（ＣＣ領域）を行い、電池１７の電圧が規定電圧となった場合は、電池１７への定電圧制御（ＣＶ領域）を行う。なお、規定電圧としては電池１７の定格電圧（Ｖｓ）より少しの範囲（例えば、５〜１５％）で高い範囲とするのが好ましい。
【００３７】
この仕上げ充電（ＣＶ領域）が完了した後、所定時間約１０分（０〜２０分が好ましい）を経過すると、充電完了の信号を受電装置１６から給電装置１３に光通信を用いて送り、充電作業が完了する。なお、ここで、定電流制御を行った後、タイマーを作動させて（即ち、タイマー制御により）定電圧（充電）制御を行って充電制御を完了してもよい。
なお、電池１７への充電電圧又は充電電流が平常値から外れて異常状態にある場合は、給電装置１３が停止し、警報（ランプ、ベル、その他の信号）を発する。
【００３８】
なお、以上の発明において、磁気材料としてフェライトコアを用いたが、高周波特性がよく鉄損が少ない材料であれば、他の素材を使用することもできる。
また、本発明は以上の実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない程度の改良や、構成要素を追加する場合も本発明は適用される。例えば、前記実施例においては、信号の媒体手段として、光を用いたが、電波や超音波であっても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明に係る非接触充電設備は、受電側の電圧、電流、温度の状態を検知して、無線で給電側に伝え、受電側の電圧、電流を制御しているので、受電側の装置が簡略化して軽量化が図れ、結果として省エネとなる。
【符号の説明】
【００４０】
１０：非接触充電設備、１１：インバータ、１２：一次コイル、１３：給電装置、１４：二次コイル、１５：共振コイル、１６：受電装置、１７：電池、１９：制御部（Ａ）、２０：制御部（Ｂ）、２１：第１の光通信部、２２：第２の光通信部、２３：電圧計測手段、２４：電流計測手段、２５：温度計、２６：光信号処理手段、２８：充電制御手段、３０：商用電源、３１：整流回路、３３：第１の保護手段、３４：第２の保護手段、３５：第３の保護手段、３７：コンデンサ、３９：整流器、４０：電圧計、４１：電流計、４２：高周波電圧計、４３：高周波電流計、４４：直流電圧計、４５：直流電流計、４６：一次側コア、４７：平面部、４８：直立磁極部、４９：Ｅコア、５０：中央磁極部、５１：カバー材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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