特開 2024-65596 コイル、電力授受装置及び電力授受方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024065596

(43)【公開日】2024-05-15

(54)【発明の名称】コイル、電力授受装置及び電力授受方法

(51)【国際特許分類】

   H01F 38/14 20060101AFI20240508BHJP

   H02J 50/10 20160101ALI20240508BHJP

【ＦＩ】

H01F38/14

H02J50/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022174544

(22)【出願日】2022-10-31

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(71)【出願人】

【識別番号】000156938

【氏名又は名称】関西電力株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】築山 大輔

(72)【発明者】

【氏名】鷲田 晃暢

(72)【発明者】

【氏名】高嶋 正也

(72)【発明者】

【氏名】大久保 貴和

(57)【要約】

【課題】位置ズレに強く、インピーダンスが安定するコイル、電力授受装置及び電力授受方法を提供することを目的とする。
【解決手段】コイル内周の径に対して所定比率のコイル巻幅をもつ複数のコイルを、同心軸上に複数配置したコイルを用いて電力を授受する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

コイル内周の径に対して所定比率のコイル巻幅をもつ複数のコイルを、同心軸上に複数配置したコイル。

【請求項2】

前記所定比率は、略１／３である、請求項１に記載のコイル。

【請求項3】

前記複数のコイルの隣合うコイル間の距離は、内側のコイルのコイル巻幅に略等しい、請求項１に記載のコイル。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか１つに記載のコイルを備え、
前記コイルにて無線で電力を送受する、電力授受装置。

【請求項5】

請求項１から３のいずれか１つに記載のコイルと、前記コイルの外周と略同一の外周を有するコイルとの間で無線にて電力を送受する、電力授受方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電動水上モビリティ等に搭載されたバッテリとの間の電力授受に用いるコイル、電力授受装置及び電力授受方法に関する。

【背景技術】

【0002】

脱炭素社会の実現に向け、自動車等の陸上モビリティのみならず、世界の流通を担う船舶のような水上モビリティについても電動化が実現されている（非特許文献１等）。陸上であっても、水上であっても、電動モビリティは大容量の充電が高速にできるか否かが問題となる。特に水上モビリティの場合は、船着き場で、バッテリを内蔵した船体に送電側コイルを近づけて充電するため、波による揺れの影響が課題となる。

【0003】

非特許文献２は、送電側コイルをアレイ状に敷き詰めた給電パッドを提案している。これにより、受電側コイルと送電側コイルとの位置ズレによるインピーダンス低下の影響によらずにワイヤレス充電が可能である。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】ダイヘン，“電気推進船向け大容量ワイヤレス充放電実証実験の実施について”，［online］，令和４年２月４日，株式会社ダイヘン ニュースリリース，[令和４年６月１０日検索]，インターネット<URL: https://www.daihen.co.jp/newinfo_2022/news_220204.html>

【非特許文献2】村山裕紀等，“結合変動に基づくCLPS設計に関する基礎的検討”，平成２５年２月１６日，平成２４年度電気関係学会東北支部連合大会 講演論文集

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

水上モビリティのワイヤレス充電にて、送電側のコイルを複数、敷き詰める構成を採用することも技術的には可能である。しかしながら、モバイル機器のような小型デバイスに対する給電と異なり、水上モビリティの蓄電池に対する充電の規模では、面積、重量及びコストがいずれも著しく増大する。そのため実用化の視点では複数のコイルを並べる構成は採用が困難である。

【0006】

また、水上モビリティのワイヤレス充電では、波により位置ズレが連続して発生する。そのような状況でも、インピーダンスが安定していることが必要である。

【0007】

本発明は、位置ズレに強く、インピーダンスが安定するコイル、電力授受装置及び電力授受方法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】

【0008】

一実施形態に係るコイルは、コイル内周の径に対して所定比率のコイル巻幅をもつ複数のコイルを、同心軸上に複数配置している。

【発明の効果】

【0009】

一実施形態に係るコイル、電力授受装置又は電力授受方法によれば、インピーダンスが安定するので、波により位置ズレが連続して発生する水上モビリティのバッテリとの電力授受を安定して実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】ワイヤレス給電システムの概要図である。

【図2】第１コイル及びケーシングの略示斜視図である。

【図3】送信側の第１コイルの構成の説明図である。

【図4】本開示の第１装置の第１コイルの結合係数分布を示すグラフである。

【図5】第１コイルの変形例を示す略示斜視図である。

【図6】第１コイルの他の変形例を示す略示斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

本開示のコイルを含むワイヤレス給電システムの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。

【0012】

図１は、ワイヤレス給電システム１００の概要図である。ワイヤレス給電システム１００は、地上に設置された第１装置１と、水上モビリティ３に設けられた第２装置２とを含む。

【0013】

第１装置１は、陸上に固定されたケーシング１２と、ケーシング１２によって位置決めされた第１コイル１１と、第１コイル１１へ電流を提供する電源１３とを有する。第１装置１は、水上モビリティが着岸する場所に設けられている。第１コイル１１のケーシング１２は、扁平な略直方体の形状を有し、広面に垂直な方向を軸とするように第１コイル１１を収容している。ケーシング１２は、広面を水上モビリティ３側へ向けるようにして固定され、内部の第１コイル１１の軸は、水平方向に向く。

【0014】

第２装置２は、第２コイル２１と、第２コイル２１を位置決めするケーシング２２と、第２コイル２１で受電した電力を伝送する伝送部２３とを含む。第２装置２のケーシング２２は、扁平な略直方体の形状を有し、広面に垂直な方向を軸とするように第２コイル２１を収容している。ケーシング２２は、広面を船外へ向けるようにして水上モビリティ３の縁に固定され、内部の第２コイル２１の軸は、水上モビリティ３の側方へ水平方向に向いている。

【0015】

水上モビリティ３は、着岸すると、第２コイル２１が第１装置１の第１コイル１１と対向する位置となるように係留される。ワイヤレス給電システム１００は、自動的に、あるいは作業員の操作によって、第１装置１から第２装置２へ電力を供給する。第２コイル２１にて受電された電力は、伝送部２３を介して水上モビリティ３の駆動用のバッテリ３１へ供給され、ワイヤレス給電が実現される。

【0016】

水上モビリティ３は係留された状態であっても勿論、流れや波によって地上に対して揺れ続ける。したがって、図１に示すように、第１装置１のケーシング１２と、第２装置２のケーシング２２とを対向させたとしても、第１コイル１１と第２コイル２１との間の相対位置は上下左右前後にずれる。送電側のコイルを太くしたり、幅を広くしたり、アレイ状にならべたりする構成を採用すると、送電側の装置の規模を大きくしなければならず、コスト増となる。これに対し、本開示のワイヤレス給電システム１００の第１コイル１１は、位置ズレが連続して発生したとしてもインピーダンスを安定させることが可能である。したがって、面積、重量及びコストを増大させることなく、位置ズレによるインピーダンス低下を抑制できる。以下、第１装置１の第１コイル１１について詳細を説明する。

【0017】

図２は、第１コイル１１及びケーシング１２の略示斜視図である。ケーシング１２は、略扁平な直方体に組まれたフレーム１２１と、フレーム１２１に固定されたシールド１２３と、全体を覆う筐体１２２とを含む。ケーシング１２は、図２に示すように、広面を略垂直方向と平行となるように陸上に立設される。

【0018】

シールド１２３は、磁性体からなる板であり、フレーム１２１の短軸方向のほぼ中間に、短軸方向と垂直に設けられている。シールド１２３には、第１コイル１１が固定されている。シールド１２３は、第１コイル１１で発生する電磁界を第１コイル１１へ戻す機能を発揮する。

【0019】

第１コイル１１は、同心軸上に配置された複数のコイル１１１，１１２により構成されている。図２の例に示す第１コイル１１は、２つの内側コイル１１１と外側コイル１１２とを同心軸上に配置して構成されている。内側コイル１１１及び外側コイル１１２は同一方向の電流が生じるように巻回されている。内側コイル１１１及び外側コイル１１２は、外側コイル１１２の内周と、内側コイル１１１の外周とで接続されている。

【0020】

なお、水上モビリティ３側の第２コイル２１の大きさは、第１コイル１１の外周以下であることが好ましい。

【0021】

図３は、送信側の第１コイル１１の構成の説明図である。第１コイル１１の内側コイル１１１及び外側コイル１１２はいずれも、コイル内周の径に対して所定比率のコイル巻幅をもつ。図３の例においては、コイル内周の半径と、コイル巻幅との比率が３：１である。

【0022】

外側コイル１１２の内周と、内側コイル１１１の外周との間の距離Ｄは、内側コイル１１１のコイル巻き幅ｗと略等しくしてある。

【0023】

第１コイル１１は、図２及び第３に示したように、内側コイル１１１及び外側コイル１１２が、相互に相似形である構成としたことにより、位置ズレに対してインピーダンスが安定する。インピーダンスの安定性について、第１コイル１１と第２コイル２１との間の結合係数が、対向面上の位置ズレに対して極値を持たずに、位置ズレの量が多いほど小さい値となることを実験によって確認した。

【0024】

図４は、本開示の第１装置の第１コイル１１の結合係数分布を示すグラフである。グラフの横軸方向は、第１コイル１１の中心と、受電側の第２コイル２１の中心との間の、対向面に対するずれの大きさを示し、縦方向は、第１コイル１１と第２コイル２１との間の結合係数ｋの大きさを示す。

【0025】

図４では、線種により、第１コイル１１及び第２コイル２１間の対向距離を区別している。一点鎖線は、対向距離が最も短く、破線は、対向距離が最も長い。実線は、対向距離がその中間の距離であるときの結合係数ｋを示す。図４に示すように、いずれの対向距離であっても、位置ズレが０（ゼロ）よりも大きい位置に結合係数がピークになることがないことが確認された。また、位置ズレがある値であるときに極端に結合係数が小さくなるような極値、あるいは大きくなるような極値を持つ挙動を取らないことを確認した。このように、位置ズレに対して裕度がありながら、コイルをアレイ状とする必要もない。

【0026】

コイル内周の半径とコイル巻幅との比率は２：１、４：１等であってもよい。しかしながら、図４に示すような、結合係数の極値を持たない分布となる比率としては３：１が好ましい。

【0027】

また、第１コイル１１は、図２及び図３に示すように２つのコイルには限られない。図５は、第１コイル１１の変形例を示す略示斜視図である。図５に示すように、第１コイル１１は、内側コイル１１１よりも更に内側のコイルが加えた３つのコイルを同心軸上に配置して構成されてもよい。この場合であっても、最内周のコイルは、コイル内周の径に対して１／３の比率のコイル巻幅を持つことは変わらない。

【0028】

更に第１コイル１１は、図２及び図３に示すように円形に巻回されたコイルに限られない。軸中心を持つ図形状に巻回されているものであってもよく、例えば多角形でもよい。図６は、第１コイル１１の他の変形例を示す略示斜視図である。第１コイル１１は、図６に示すように、多角形の１つの例として六角形に巻回されて配置された内側コイル１１１と、外側コイル１１２とで構成されてもよい。なお、本願課題である波による位置ズレ、すなわちコイル面の方向に対しての左右上下に自在な位置ズレに対しても、インピーダンスが安定するコイル形状は、軸中心から等方的な形状であることが望ましい。したがって、少なくとも上下左右対称な正多角形であることが好ましく、図２及び図３に示した円形状が最も好ましい。

【0029】

上述の実施の形態では、水上モビリティ３のバッテリ３１は給電を受ける構成としたが、これに限らず、バッテリ３１から陸上の装置へ向けて放電可能であってもよい。このため、第１コイル１１は、受電コイルとして使用されることが可能でもよい。この場合、第１装置１は、送電のみならず受電についても制御可能な回路を備え、第１コイル１１によって電力を送出するか、バッテリ３１から供給される電力を第１コイル１１にて受信するかを切り替え可能である。この場合、水上モビリティ３側の第２コイル２１のサイズは、陸上側の第１コイル１１の外周と同一の外周を持つものである。

【0030】

上述のように開示された実施の形態は全ての点で例示であって、制限的なものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれる。

【符号の説明】

【0031】

１ 第１装置
１１ 第１コイル
１１１ 内側コイル
１１２ 外側コイル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】