特開 2025-16274 給電システム及び受電装置

(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】P2025016274

(43)【公開日】2025-01-31

(54)【発明の名称】給電システム及び受電装置

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/80 20160101AFI20250124BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20250124BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20250124BHJP

【ＦＩ】

H02J50/80

H02J50/12

H02J7/00 P

H02J7/00 301D

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023119438

(22)【出願日】2023-07-21

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(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】井上 実

(72)【発明者】

【氏名】大西 智貴

【テーマコード（参考）】

5G503

【Ｆターム（参考）】

5G503AA01

5G503BA02

5G503BB01

5G503FA06

5G503GD04

(57)【要約】

【課題】有線による給電と同一のシーケンスに基づくワイヤレス給電を実現する給電システム及び受電装置を提供する。
【解決手段】給電システムは、電力を高周波磁束に変換して給電コイルからワイヤレス送信する給電装置と、バッテリを搭載した電動モビリティに搭載され、前記バッテリへの充電を制御する充電制御装置と、前記給電装置からの高周波磁束を受電する受電コイルを備え、前記受電コイルで受電した電力を、前記充電制御装置との信号の授受を経た上で前記バッテリへ出力する受電装置とを含むワイヤレス給電システムにおいて、前記受電装置は、前記給電装置との間で前記バッテリに関するデータの授受のための無線通信の通信接続が確立された場合、前記充電制御装置から許可信号を受信する前に、前記給電装置から電力の出力を開始させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力を高周波磁束に変換して給電コイルからワイヤレス送信する給電装置と、バッテリを搭載した電動モビリティに搭載され、前記バッテリへの充電を制御する充電制御装置と、前記給電装置からの高周波磁束を受電する受電コイルを備え、前記受電コイルで受電した電力を、前記充電制御装置との信号の授受を経た上で前記バッテリへ出力する受電装置とを含むワイヤレス給電システムにおいて、
前記受電装置は、
前記給電装置との間で前記バッテリに関するデータの授受のための無線通信の通信接続が確立された場合、前記充電制御装置から許可信号を受信する前に、前記給電装置から電力の出力を開始させる
給電システム。

【請求項2】

前記給電装置は、前記受電装置との間で前記バッテリに関するデータの授受のための無線通信の通信接続が確立されたことを契機に、前記給電コイルからの電力の出力を開始する
請求項１に記載の給電システム。

【請求項3】

前記給電装置は、前記受電装置との間で前記バッテリに関するデータの授受のための無線通信の通信接続が確立され、且つ、前記受電装置から出力開始指示を受信した場合に、前記給電コイルからの電力の出力を開始する
請求項１に記載の給電システム。

【請求項4】

前記電動モビリティは、
前記バッテリへ電力を供給する電力線との有線コネクタと、
前記有線コネクタと前記バッテリとを接続するか、前記受電装置から出力される電力を前記バッテリへ供給するかを切り換えるスイッチと
を有し、
前記受電装置は、前記給電装置との間で前記バッテリに関するデータの授受のための無線通信の通信接続が確立された場合、前記スイッチを、前記受電装置から出力される電力を前記バッテリへ供給するように切り換える
請求項１から３のいずれか１項に記載の給電システム。

【請求項5】

前記有線コネクタは、Ｊ１７７２規格に準じたコネクタであり、
前記受電装置は、前記Ｊ１７７２規格に基づくシーケンスによって前記充電制御装置から許可信号を受信した場合、前記給電装置から供給された電力を前記バッテリへ出力する
請求項４に記載の給電システム。

【請求項6】

バッテリを搭載した電動モビリティに搭載され、前記バッテリへの充電を制御する充電制御装置と信号を授受し、給電コイルから受電コイルで受電した電力を前記バッテリへ供給する受電装置において、
給電コイルを制御する給電装置との間で前記バッテリに関するデータの授受のための無線通信の通信接続が確立された場合、前記充電制御装置から許可信号を受信する前に、前記給電装置から電力の出力を開始させる
受電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、有線による給電と同一のシーケンスに基づくワイヤレス給電を実現する給電システム及び受電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

大容量のリチウムイオン電池を駆動用バッテリとし、駆動用バッテリに蓄積された電力で走行用のモータを駆動する電動モビリティが普及し始めている。バッテリを駆動エネルギー源とする電動モビリティは、電気自動車のみならず、無人搬送車、フォークリフト、所謂ドローン等の飛行体、電気推進船等の水上モビリティ等を含む。これらの電動モビリティに搭載された駆動用バッテリへの給電方法として、電力ケーブル経由ではなく、無線によって給電するワイヤレス給電システムが実用化されている。

【0003】

有線による給電システムでは、給電装置は、コネクタによって信号線、通信線及び電力線が導通することで車両が接続されたことを検知し、給電側と受電側との間で通信接続を確立させると、所定のシーケンスでの信号の授受により充電の準備を行なってから充電が開始される。これに対し、ワイヤレス給電システムでは、給電装置と受電装置との間で合意ができれば給電コイルからの給電と、受電側での受電開始は自動的に行なわれていることが多い。

【0004】

有線による給電方式においても、異なる通信方式での給電のいずれにも対応できる技術が提案されている（特許文献１）が、有線による給電と、ワイヤレス給電とのいずれも選択可能な車両の実現は困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特表２０２０－５０１４７９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

有線による給電においても、異なる方式の給電装置に対応可能な受電装置を車両に搭載することが容易でなく、異なるコネクタを用意したり、異なる通信方式の通信デバイスを用意したりして対処している。更に、有線による給電と、ワイヤレス給電とのいずれも対応可能な受電装置を実現する場合、ワイヤレス給電においても、充電開始前に、給電装置とバッテリの制御装置との間での情報の授受の所定手順を、有線による給電と同様に実行する必要がある。

【0007】

ワイヤレス給電は、絶縁によって保護された電力線を用いた有線による給電よりも、手順に時間を要する場合があり、有線による給電と同一のシーケンスで給電を実施するには諸々の工夫が必要である。

【0008】

本発明は、有線による給電と同一のシーケンスに基づくワイヤレス給電を実現する給電システム及び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】

【0009】

本開示の一実施形態の給電システムは、電力を高周波磁束に変換して給電コイルからワイヤレス送信する給電装置と、バッテリを搭載した電動モビリティに搭載され、前記バッテリへの充電を制御する充電制御装置と、前記給電装置からの高周波磁束を受電する受電コイルを備え、前記受電コイルで受電した電力を、前記充電制御装置との信号の授受を経た上で前記バッテリへ出力する受電装置とを含むワイヤレス給電システムにおいて、前記受電装置は、前記給電装置との間で前記バッテリに関するデータの授受のための無線通信の通信接続が確立された場合、前記充電制御装置から許可信号を受信する前に、前記給電装置から電力の出力を開始させる。

【0010】

本開示の給電システム及び受電装置では、有線による給電と同一のシーケンスを行なっている間に、給電装置から磁束の発生が開始されており、車両側の充電制御装置にて準備が完了した時点で、所定の電圧が印加された状態とすることが可能である。

【発明の効果】

【0011】

本開示によれば、ワイヤレス給電にて給電装置から高周波の磁束を発生させ、受電装置に所定の電圧が印加されるまでに時間を要するところ、有線による充電における所定のシーケンスに合わせた処理を実行できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本実施形態のワイヤレス給電システムの概要図である。

【図2】スイッチの概要図である。

【図3】受電装置の構成を示すブロック図である。

【図4】受電装置の制御回路の構成を示すブロック図である。

【図5】給電装置の構成を示すブロック図である。

【図6】本実施形態におけるワイヤレス給電システムでの充電開始手順の一例を示すシーケンス図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本開示のワイヤレス給電システムの実施の形態を、以下に図面を参照して具体的に説明する。

【0014】

図１は、本実施形態のワイヤレス給電システム３００の概要図である。ワイヤレス給電システム３００は、給電装置１及び受電装置２を含む。給電装置１は例えば、図１に示すように、車両Ｖが駐車する駐車エリアの奥側に設置されている。車両Ｖは、リチウムイオン電池等のバッテリ３０に蓄積された電力でモータを駆動することにより走行する電気自動車である。車両Ｖは、走行用のモータと、燃料の燃焼により動力を発生させるエンジンとの両方を搭載した、いわゆるハイブリッド型の電気自動車であってもよい。

【0015】

給電装置１は、駐車エリアの地面若しくは床面の上に設置された給電コイル１１、又は、地点若しくは床面の下に埋め込まれた給電コイル１１と接続されており、給電コイル１１からの給電を制御する。給電コイル１１は、駐車エリアの側部に設置され、車両Ｖの側部に設けられた受電コイル２１に対応するものであってもよい。

【0016】

車両Ｖには、給電装置１からワイヤレスで供給される電力を受電する受電コイル２１を備える受電装置２が設けられている。受電装置２は、受電コイル２１で受電した電力を車両Ｖに搭載されている駆動用のバッテリ３０へ出力する。受電装置２は、バッテリ３０へ向けて電力を供給するに際し、バッテリ３０への充電を制御する車両Ｖ側の充電制御装置３と信号を授受して充電準備ができたことを確認してから電力を出力する。

【0017】

車両Ｖは、ワイヤレス給電用の受電装置２のみならず、有線による給電を受け付けるコネクタ４を有している。コネクタ４は例えば、ＳＡＥ（Society of Automotive Engineers）のＪ１７７２規格に準拠している。充電制御装置３は、有線による給電を実行する図示しない給電設備の充電ケーブルがコネクタ４に接続されたことを検知できる。車両Ｖでは、充電制御装置３が、ワイヤレス給電と有線による給電とを、同一のＪ１７７２規格に基づくシーケンスで実行する限り区別なく対応するように配線されている。このため、本実施形態のワイヤレス給電システム３００では、受電装置２から、ワイヤレス給電を実行する際には、有線による給電が行なえないように制御可能なスイッチ２２を設けると共に、受電装置２が、Ｊ１７７２規格に準じたシーケンスでの充電ができるように処理手順を実行する。

【0018】

図２は、スイッチ２２の概要図である。スイッチ２２は、バッテリ３０に対し、コネクタ４と、受電装置２とでいずれから受電するかを切り替え可能にしてある。スイッチ２２は、Ｃ接点リレーによって構成され、ＯＦＦ状態ではコネクタ４から受電するように接続されている。スイッチ２２は、受電装置２からの制御信号あるいは、充電制御装置３からの制御信号によって切り替え可能である。

【0019】

図３は、受電装置２の構成を示すブロック図である。受電装置２は、受電コイル２１を備え、給電装置１からの電力をバッテリ３０へ供給する装置である。受電装置２は、受電コイル２１、整流平滑回路２３、キャパシタ２４（ＥＤＬＣ：Electric Double-Layer Capacitor、又はSupercapacitor）、ＤＣ／ＡＣコンバータ２５、及び制御回路２０を備える。受電装置２の構成はこれに限らず、キャパシタ２４を備えずに、整流平滑回路２３により直流電圧に平滑化させる構成であってもよい。

【0020】

受電コイル２１は、給電装置１から発せられる高周波磁束を高周波信号へ変換する。受電コイル２１は、車両Ｖの車体の例えば底部に、軸方向を鉛直方向に沿うようにして、設けられる。この場合、受電コイル２１は、地面又は床面に鉛直方向を軸として埋められた送電コイルと近接している状態で、受電可能である。受電コイル２１は、車両Ｖの車体の側部に、軸方向を水平方向に沿うようにして設けられてもよい。この場合、受電コイル２１は、立設された送電装置内に水平方向を軸として設けられた給電コイル１１と近接している状態で、受電可能である。

【0021】

整流平滑回路２３は、電力の高周波信号を直流電流へ整流する整流回路と、直流電流に含まれる脈流を平滑化する平滑化回路を組み合わせた回路である。整流平滑回路２３は、受電コイル２１で受電できた電力を直流電力へ変換して出力する。

【0022】

キャパシタ２４は、電気二重層を利用したスーパーキャパシタである。キャパシタ２４は、整流平滑回路２３の出力端に接続されている。キャパシタ２４は、整流平滑回路２３を介して得られる受電コイル２１で受信した電力を蓄電する。

【0023】

ＤＣ／ＡＣコンバータ２５は、直流電力を、交流電力へ変換する。ＤＣ／ＡＣコンバータ２５は、整流平滑回路２３若しくはキャパシタ２４から出力される直流電力を、車両Ｖのバッテリ３０のＡＣ／ＤＣコンバータに対応する交流電力へ変換して出力する。

【0024】

制御回路２０は、受電装置２の動作を制御する。制御回路２０は、ＤＣ／ＡＣコンバータ２５をＯＮにすることで受電装置２からバッテリ３０に向けた給電が開始され、ＯＦＦにすることによってバッテリ３０への給電が停止する。制御回路２０は、受電装置２のキャパシタ２４を参照することにより、バッテリ３０の充電状態（満充電状態であるか否か）を判断可能である。具体的には、制御回路２０は、キャパシタ２４の充電電流の有無を電流センサによって検知して判断できる。制御回路２０は、充電制御装置３との信号の授受によりバッテリ３０へ向けた給電用の処理を実行する。制御回路２０は、給電コイル１１を制御する給電装置１と無線により通信し、受電開始を制御する。

【0025】

図４は、受電装置２の制御回路２０の構成を示すブロック図である。制御回路２０は、プロセッサ２００（制御部）及びメモリ２０１と、通信回路２０２とを含む。プロセッサ２００、メモリ２０１、及び通信回路２０２は、１つの基板上に集積されてマイクロコントローラとして構成されてよいし、各々の構成部として実装されてもよい。

【0026】

プロセッサ２００は、メモリ２０１に記憶してあるプログラムＰ２を読み出して実行して後述の制御処理を実現する。プロセッサ２００は、充電制御装置３との間でパラメータを示す信号を授受して制御に利用する。プロセッサ２００は、スイッチ２２及びＤＣ／ＡＣコンバータ２５へ制御信号を出力する。

【0027】

メモリ２０１は、不揮発性メモリを用いる。メモリ２０１にはプログラム（プログラムプロダクト）Ｐ２が記憶されている。プログラムＰ２は、受電装置２の製造時にメモリに組み込まれている。プログラムＰ２は、コンピュータ（プロセッサ）により読み取り可能な記録媒体に記録されているものを、プロセッサ２００が読み取ってメモリ２０１に記憶したものであってもよい。

【0028】

通信回路２０２は、給電装置１との無線通信を実現する。通信回路２０２は、例えばBluetooth（登録商標）により通信する。通信回路２０２による無線通信の規格はBluetoothに限らない。

【0029】

図５は、給電装置１の構成を示すブロック図である。給電装置１は、制御回路１０と、整流平滑化回路１２と、インバータ回路１３と、給電コイル１１と、検知部１４とが接続されて構成されている。

【0030】

整流平滑化回路１２は、電源Ｅからの交流電力を整流し、平滑化して出力する。整流平滑化回路１２は、フィルタ回路を含み、電力信号から不要な高周波成分を除去して出力する。

【0031】

インバータ回路１３は、複数のスイッチング素子を備え、制御回路１０からのスイッチング素子のスイッチング制御により、整流平滑化回路１２から出力された電力信号を高周波信号へ変換する。

【0032】

給電コイル１１は、インバータ回路１３からの高周波信号を高周波磁束へ変換する。これにより、給電コイル１１は、電磁誘導を通じて高周波信号を受電装置２へワイヤレス送電する。給電コイル１１は、直列共振回路に限らず並列共振回路であってもよい。

【0033】

制御回路１０は、プロセッサ１００及びメモリ１０１を用いて構成されている。プロセッサ１００は、インバータ回路１３の駆動を制御して給電コイル１１への給電のＯＮ／ＯＦＦを切り換える。メモリ１０１には、給電装置１側の処理を規定するプログラム（プログラムプロダクト）Ｐ１が記憶されている。制御回路１０は、通信回路１０２を備え、受電装置２との無線通信を実現する。通信回路１０２は、受電装置２の通信回路２０２と同一の通信規格により通信する。

【0034】

検知部１４は、超音波センサ、カメラ、近接センサ等を用い、給電装置１が載置されている駐車エリアに車両Ｖが駐車されたか否かを検知する。検知部１４は、制御回路１０と接続されており、プロセッサ１００が検知部１４の結果を取得できる。

【0035】

このように構成されているワイヤレス給電システム３００において、給電装置１及び受電装置２の処理によって実現される、Ｊ１７７２に準拠したワイヤレス給電の開始の処理手順について、シーケンスを参照して説明する。

【0036】

図６は、本実施形態におけるワイヤレス給電システム３００での充電開始手順の一例を示すシーケンス図である。給電装置１は、電源から電力の供給を受けている状態で、以下に示す処理を繰り返し実行し、受電装置２は、イグニッションスイッチがオフとなると処理を開始する。

【0037】

プロセッサ１００は、検知部１４で車両Ｖが駐車されたことが検知されたか否かを判断する（ステップＳ１０１）。検知部１４で駐車が検知されていないと判断された場合（Ｓ１０１：ＮＯ）、プロセッサ１００は、所定の待機時間経過後に処理をステップＳ１０１へ戻す。

【0038】

検知部１４で駐車が検知されたと判断された場合（Ｓ１０１：ＹＥＳ）、プロセッサ１００は、通信回路１０２により、受電装置２の通信回路２０２との通信接続を試行し（ステップＳ１０２）、通信が可能か否かを判断する（ステップＳ１０３）。プロセッサ１００は、Ｓ１０３において、車両Ｖの車両番号等で照合するなど、通信相手が正しいか否かを検証するとよい。

【0039】

通信が可能でないと判断された場合（Ｓ１０３：ＮＯ）、ワイヤレス給電の対象の車両でないと判断してエラーで終了する。

【0040】

通信が可能であると判断された場合（Ｓ１０３：ＹＥＳ）、プロセッサ１００は、通信回路１０２にて通信回路２０２との通信接続を確立する（ステップＳ１０４）。プロセッサ１００は、受電装置２から充電許可の通知がされたか否かを判断する（ステップＳ１０５）。

【0041】

受電装置２では、プロセッサ２００が、イグニッションスイッチがオフとなった後所定期間の間、通信回路２０２にてワイヤレス給電を実行する給電装置１との通信が確立されたか否かを判断する（ステップＳ２０１）。ステップＳ２０１においてプロセッサ２００は通信回路２０２と協働して、給電装置１からの通信電波を受信でき、且つ、メモリ２０１に記憶されている車両番号等の認証情報を用いて通信相手を確認できるか否かを判断する。

【0042】

プロセッサ２００は、通信が確立されたと判断された場合（Ｓ２０１：ＹＥＳ）、スイッチ２２をＯＮとし、受電装置２とのバッテリ３０との電力線とを接続する方へ切り替える（ステップＳ２０２）。

【0043】

プロセッサ２００は、車両Ｖの充電制御装置３へ、充電準備信号を出力すると（ステップＳ２０３）、出力した充電準備信号に対する充電制御装置３からの応答（充電許可）を待つことなしに、給電装置１へ通信回路２０２により充電許可を通知する（ステップＳ２０４）。

【0044】

受電装置２のプロセッサ２００は、ステップＳ２０３で出力した充電準備信号に応じて充電制御装置３から許可信号を受信すると（ステップＳ２０５）、Ｊ１７７２規格に準拠した信号の授受による所定のシーケンスを充電制御装置３との間で実行する（ステップＳ２０６）。プロセッサ２００は、所定時間以内に受電コイル２１から受電する電力を所定の電圧値で出力できるか否か判断する（ステップＳ２０７）。

【0045】

プロセッサ２００は、電力を出力できていると判断した場合（Ｓ２０７：ＹＥＳ）、以後、充電制御装置３の制御によってバッテリ３０への充電が実行される。

【0046】

ステップＳ２０４にて充電許可を給電装置１へ先行的に通知している。これにより、ステップＳ２０６で所定のシーケンスを実行している間に、給電装置１にて給電準備が進行しており、ステップＳ２０７で確認するタイミングでは、受電装置２のＤＣ／ＡＣコンバータ２５には所定電圧が印加されて直ちに給電が可能な状態となる。

【0047】

ステップＳ２０７において、所定時間以内に所定の電圧値で電力を出力できなかったと判断された場合（Ｓ２０７：ＮＯ）、プロセッサ２００は、処理をステップＳ２０３へ戻して数回試行する。このときプロセッサ２００は、時間の計測等をリセットしてから試行する。プロセッサ２００は、数回充電開始を試行しても所定時間以内に所定の電圧値で電力を出力できなかったと判断された場合、通信接続を切断して、エラーで処理を終了するとよい。

【0048】

ステップＳ２０１において、通信が確立していないと判断された場合（Ｓ２０１：ＮＯ）、駐車した場所はワイヤレス給電が可能な駐車エリアではないと判断し、処理を終了する。この場合、給電装置１からの給電もされず、受電装置２を介したワイヤレス給電は実行されない。この間、充電制御装置３にて有線による充電が開始されてもよく、スイッチ２２は、コネクタ４とバッテリ３０との間が接続される。

【0049】

給電装置１においてプロセッサ１００は、ステップＳ１０５にて充電許可の通知がされたと判断された場合（Ｓ１０５：ＹＥＳ）、インバータ回路１３を駆動させる信号を出力し（ステップＳ１０６）、給電コイル１１からの電力供給を開始させる（ステップＳ１０７）。これにより、開始処理は終了し、充電が開始される。

【0050】

プロセッサ１００は、ステップＳ１０５にて充電許可が通知されないと判断した場合（Ｓ１０５：ＮＯ）、処理をステップＳ１０５へ処理を戻し、充電許可の通知を受信するまで待機する。ここで待機時間が所定の待機上限時間以上となった場合、プロセッサ１００は、エラーで処理を終了する。

【0051】

従来、ステップＳ２０３において、充電制御装置３からの応答（充電許可）を待ってから、給電装置１へ充電許可を通知していた。この場合、充電制御装置３から充電許可がされてから、所定時間以内に所定の電圧値で電力がバッテリ３０へ印加される状態となっていないと、充電制御装置３にて充電できないと判断されてエラーで充電が開始されない。これに対し、ステップＳ２０３において、応答を待つことなしに給電装置１へ充電許可を通知することで、給電装置１からの磁束の出力開始を早め、受電装置２から所定の電圧値での電力の出力を、コネクタ４経由の有線による給電と同様の即応性で対応できる。

【0052】

このように、スイッチ２２を含む構成や、図６及び図７のフローチャートに示した処理手順により、ワイヤレス給電と有線による給電とのいずれでも充電可能なバッテリ３０を搭載した車両Ｖを実現できる。

【0053】

本実施形態では、給電対象は車両Ｖに搭載されているバッテリ３０を例に挙げて説明した。しかしながら、本開示のワイヤレス給電システム３００は、車両Ｖに限らず、船舶やドローンのような蓄電池を搭載した電動モビリティに適用されてもよいし、モビリティではない電子機器に適用されてもよい。

【0054】

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】

【0055】

１ 給電装置
１０ 制御回路
１００ プロセッサ
１０２ 通信回路
１１ 給電コイル
１４ 検知部
２ 受電装置
２０ 制御回路
２００ プロセッサ
２０２ 通信回路
２１ 受電コイル
２２ スイッチ
３００ ワイヤレス給電システム
３０ バッテリ
３ 充電制御装置
４ コネクタ
Ｖ 車両（電気自動車）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】