JP2008092704A

JP2008092704A - 路車間電力供給システム

Info

Publication number: JP2008092704A
Application number: JP2006271995A
Authority: JP
Inventors: Susumu Sasaki; 将佐々木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2006-10-03
Filing date: 2006-10-03
Publication date: 2008-04-17

Abstract

【課題】本発明は、エネルギーの伝送効率を向上させるとともに過送電による受電装置の負担を軽減することができる、路車間電力供給システムの提供を目的とする。
【解決手段】車両５０に搭載され、受電アンテナ２１を介してマイクロ波を受電する受電装置２０と、道路側に設置され、送電アンテナ１５を介してマイクロ波を送電する送電装置１０と、を有する路車間電力供給システムであって、送電装置１０の送電出力が、受電アンテナ２１と送電アンテナ１５との距離に応じて、又は、送電アンテナ１５を介して送電すべきマイクロ波の送電方向に応じて、可変することを特徴とする、路車間電力供給システム。
【選択図】図３

Description

本発明は、車両に搭載され、受電アンテナを介してマイクロ波を受電する受電装置と、道路側に設置され、送電アンテナを介してマイクロ波を送電する送電装置と、を有する路車間電力供給システムに関する。

従来、車両に搭載され、受電アンテナを介して受電したマイクロ波により電力の供給を受ける受電装置と、道路に設置され、前記受電アンテナに路面側からマイクロ波を照射する送電アンテナを備えた送電装置と、を有する路車間電力供給システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この路車間電力供給システムにおける送電装置は、受電装置側から受信した基準位置情報及び受電アンテナの敷設領域情報に基づいて照射領域を設定するとともに、設定した照射領域内の送電アンテナにマイクロ波を照射させる制御手段を備えるものである。
特開２００６−１６６５７０号公報

しかしながら、上述の従来技術では、マイクロ波を照射する際の送電出力については考慮されていないため、例えば、車両に搭載される受電アンテナと道路に設置される送電アンテナとの距離が長い場合には車両が必要とする電力が十分得られず、また、車両に搭載される受電アンテナと道路に設置される送電アンテナとの距離が短い場合には必要以上の電力が送電されて、エネルギーの伝送効率が下がるおそれがある。さらに、受電装置が受電可能な許容電力を超える電力が送電されると、受電装置に異常が生ずるおそれがある。

そこで、本発明は、エネルギーの伝送効率を向上させるとともに過送電による受電装置の負担を軽減することができる、路車間電力供給システムの提供を目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る路車間電力供給システムは、
車両に搭載され、受電アンテナを介してマイクロ波を受電する受電装置と、
道路側に設置され、送電アンテナを介してマイクロ波を送電する送電装置と、を有する路車間電力供給システムであって、
前記送電装置の送電出力が、前記受電アンテナと前記送電アンテナとの距離に応じて、又は、前記送電アンテナを介して送電すべきマイクロ波の送電方向に応じて、可変することを特徴とする。これにより、前記距離や前記送電方向に適した送電出力に調整することができるので、マイクロ波によるエネルギーの伝送効率を向上させることができるとともに、過送電による受電装置（特に、内蔵の整流ダイオード）の負担を軽減することができる。例えば、前記送電装置の送電出力を、前記距離が長いほど、又は、前記受電アンテナと前記送電アンテナとの距離が最短になる方向と前記送電方向とのなす角度が大きいほど、大きくすると好適である。

また、上述の本発明に係る路車間電力供給システムは、更に、前記車両の位置情報を検出する位置情報検出手段を備え、前記距離は、前記位置情報検出手段によって検出された前記車両の位置情報に基づいて導出されると好ましい。

また、上述の本発明に係る路車間電力供給システムは、更に、前記車両から送信された信号を受信することによって該信号の到来方向を検出する方向検出手段を備え、前記送電方向は、前記方向検出手段によって検出された到来方向に基づいて設定されると好ましい。

本発明によれば、エネルギーの伝送効率を向上させるとともに過送電による受電装置の負担を軽減することができる。

本発明は、マイクロ波等の電磁波によるエネルギー伝送技術を応用して、道路側から道路上を走行する電気自動車等の車両への非接触での給電を行う路車間電力供給システムを提供する。電磁波によるエネルギー伝送技術とは、電気エネルギーを所定の周波数の電波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）のエネルギーに変換して、無線でエネルギーを伝送する技術である。電磁波によるエネルギー伝送技術は、走行する車両への送電も可能となる点で、走行する車両への送電には限界のある有線によるエネルギー伝送技術と異なる。

図１は、マイクロ波エネルギー伝送システムの概要図である。送電側の電磁波発生装置において直流または交流の送電電力はマイクロ波に変換される。直流電力または交流電力のマイクロ波への変換手段として、例えば、電子レンジにも使用されるマグネトロンがある。マグネトロンから出力されたマイクロ波は送電アンテナから放射される。放射された電力はレクテナと呼ばれるマイクロ波受電整流素子によって、受電、そして整流されて、直流電力として取り出される。レクテナとは、受電アンテナ２１と整流回路２２が一体化したマイクロ波受電整流素子である。整流回路２２は、その入力端を１個以上の整流ダイオード２２ａを介してグランド線路に接続して構成され、受電アンテナ２１を介して入力されたマイクロ波を整流する。

図２は、道路上を走行中の車両に給電する路車間電力供給システムの概要図である。送電アンテナを介してマイクロ波が放射される送電道路において、マイクロ波発生源で発生したマイクロ波が当該送電道路上を走行する電気自動車５０に向けて放射される。放射されたマイクロ波は電気自動車５０に搭載されるレクテナによって受電されて直流電力に整流される。レクテナで整流された直流電力はバッテリやモータ等の電気自動車５０の駆動源に供給される。これにより、電気自動車５０は、走行しながらの外部からの給電によって、バッテリの消費を抑えて走行することが可能となる。

図３は、本発明に係る路車間電力供給システムの第１の実施形態を示す図である。第１の実施形態の路車間電力供給システムは、道路側に設置される送電装置１０と車両５０に搭載される受電装置２０を有している。送電装置１０は、ＲＦ発振装置１１、デバイダ１２、移相器１３、出力可変増幅器１４及び送電アンテナ１５を備える。受電装置２０は、図１で示したように、受電アンテナ２１及び整流回路２２を備える。

ＲＦ発振装置１１は、直流または交流電流をマイクロ波に相当する周波数の信号波（ＲＦ出力）に変換し、ＲＦ出力をデバイダ１２に出力する。ＲＦ発振装置１１の具体例として、真空管タイプの発振装置（例えば、マグネトロン）や水晶発振器が挙げられる。

デバイダ１２は、ＲＦ発振装置１１で発生したＲＦ出力を分割し、ｎ（ｎは２以上の整数）個の移相器１３のそれぞれに出力する。ｎ個の移相器１３は、後述する計算処理装置３１の処理結果に従って、デバイダ１２からのＲＦ出力の位相を個別に変化させ、ｎ個の出力可変増幅器１４に出力する。ｎ個の出力可変増幅器１４は、後述する計算処理装置３１の処理結果に従って、マイクロ波の送電出力を可変する。

送電アンテナ１５は、計算処理装置３１によって算出されたマイクロ波を送電すべき送電方向に、出力可変増幅器１４によって調整された送電出力でマイクロ波を送信するアンテナである。車両５０に対する給電のためにマイクロ波を放射する送電アンテナ１５は、車両５０が走行する道路において所定の間隔毎に設けられた給電区間毎に埋設されるため、平面アンテナであることが望ましい。この平面アンテナとしては、円形パッチアンテナ、キャビティ付スロットアンテナ、導波管スロットアンテナなどが挙げられる。なお、送電アンテナ１５は、詳細は後述するが、車両５０から送信された所定の信号を受信する信号受信用アンテナを備える。また、送電装置１０、並びに後述する情報検知器３０及び計算処理装置３１は、給電区間毎に設置される。

送電アンテナ１５から放射されたマイクロ波は、車両５０に搭載された受電装置２０の受電アンテナ２１によって受電される。受電装置２０は、送電アンテナ１５から放射されたマイクロ波を受電アンテナ２１で受信し、整流回路２２を介して車両５０に搭載されるバッテリ等に給電する。受電アンテナ２１は、路面から放射されたマイクロ波を受電しやすいように、車両５０の底面に設置される平面アンテナであることが望ましい。受電アンテナ２１の具体例として、送受電間隔が狭く車両底面が金属であることから、円形パッチアンテナが挙げられる。図４は、車両５０の底面図である。車両５０の底面には複数の受電アンテナ２１が並べられアレイ化されている。

信号送信用アンテナ２５は、車両５０のフロント部とリヤ部（例えば、フロントガラスとリヤガラス）に搭載され、車両５０の位置情報、速度情報及びエネルギー情報等の車両情報に係る信号波を送信するためのアンテナである。車両５０の位置情報は、絶対位置情報でも相対位置情報でもよく、車載のＧＰＳ装置によって特定可能であったり、所定の基準地点（例えば、給電区間に設定された基準位置）からの走行距離によって特定可能であったりする。車両５０の速度情報は、車輪速センサによって取得可能である。車両５０のエネルギー情報とは、車両５０に搭載されるバッテリの蓄電状態（例えば、バッテリ電圧やＳＯＣ（State of Charge））を表す情報である。信号送信用アンテナ２５は、車両５０の位置情報等の車両情報に係る信号波を所定の周期で道路側に送信する。

情報検知器３０は、道路側に設置され、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波を送電アンテナ１５を介して受信するとともに、その車両情報を検知する。情報検知器３０によって検知された車両情報は計算処理装置３１に入力される。

計算処理装置３１は、中央演算処理装置を備えるコンピュータであって、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波に基づいて（情報検知器３０によって検知された車両情報に基づいて）、車両５０側の受電アンテナ２１と道路側の送電アンテナ１５との伝送距離（アンテナ間距離）、信号波の到来方向、受電アンテナ２１と送電アンテナ１５との相対速度（アンテナ間相対速度）、車載バッテリのＳＯＣ等のエネルギー情報などを導出する。計算処理装置３１は、これらの導出結果に基づいて、送電アンテナ１５を介して当該車両５０の受電アンテナ２１に向けて送電すべきマイクロ波の最適な送電方向（走査角度）と送電出力を算出する。計算処理装置３１は、その処理結果として、算出した送電方向（走査角度）と送電出力を移相器１３や出力可変増幅器１４に出力する。これによって、計算処理装置３１は、車両５０に搭載される受電アンテナ２１の方向に送電アンテナ１５から放射されるマイクロ波の送電方向が一致するように送電装置１０を制御するとともに、受電アンテナ２１の受電能力を超えない範囲内で車両５０に必要な電力を給電できる送電出力となるように送電装置１０を制御する。

図５は、第１の実施形態におけるマイクロ波の送電方向を説明するための図である。マイクロ波の送電方向は、図５に示される走査角度θによって定められる。図５に示される走査角度θは、路面に設置された送電アンテナ１５と車両５０の底面に設置された受電アンテナ２１との距離が最短になる方向を基準方向としたとき、その基準方向と送電アンテナ１５を介してマイクロ波が送電される送電方向とのなす角度をいう。すなわち、路面に設置された送電アンテナ１５の鉛直上に車両５０が存在する場合、走査角度θは０°となる。

すなわち、計算処理装置３１は、送電道路を走行する車両５０が送電アンテナ１５の設置地点から離れるにつれて走査角度θを大きくすることによって、車両５０に搭載される受電アンテナ２１の方向に送電アンテナ１５から放射されるマイクロ波の送電方向を追従させる。例えば、計算処理装置３１は、アンテナ間距離が略零の場合には、道路に埋設された送電アンテナ１５の真上に車両５０の受電アンテナ２１が存在するとみなして、走査角度θを０°に設定して、移相器１３を制御する。また、計算処理装置３１は、例えば、アンテナ間距離が零より大きい所定値（例えば、３０ｍ）の場合には、走査角度θを当該所定値に対応する角度に設定して、移相器１３を制御する。

また、計算処理装置３１は、レトロディレクティブ方式によって、送電アンテナ１５を介してマイクロ波を送電すべき方向を決定してもよい。レトロディレクティブ方式とは、ＶａｎＡｔｔａＡｒｒａｙを基本とする、パイロット信号の到来方向にマイクロ波を送信するためのフェーズドアレイ方式である。ＶａｎＡｔｔａＡｒｒａｙは、パイロット信号受信用とマイクロ波送信用でアレイアンテナの位置を１次元対称に配置し、対称位置にある受信アンテナと送信アンテナを同距離で接続することで、パイロット信号の方向へマイクロ波を向けることができる。これを基本とし、レトロディレクティブ方式では、受信されたパイロット信号の位相共役を取ることによりマイクロ波をパイロット信号の方向に送信する。ＶａｎＡｔｔａＡｒｒａｙでは位置の対称性でマイクロ波を送り返したのに対し、レトロディレクティブでは電波の位相の対称性を利用している。そのため、レトロディレクティブではアンテナの位置情報を受信パイロット信号の位相情報として得られるため、アンテナの形状にかかわらずパイロット信号の到来方向にマイクロ波を送電することができる。すなわち、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波を上記のパイロット信号とみなせばよい。

また、計算処理装置３１は、送電アンテナ１５で受信された受信波の受信感度を示す受信レベルに基づいて、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波の到来方向を推定し、送電アンテナ１５を介してマイクロ波を送電すべき方向を決定してもよい。計算処理装置３１は、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波が送電アンテナ１５を介して受信したときの受信レベルを検出する。計算処理装置３１は、送電アンテナ１５の指向性を各方向に切り替えたときの受信波の受信レベルのうち送電アンテナ１５の指向性をある一方向に切り替えたときの受信波の受信レベルが最大である場合には、その一方向に車両情報に係る信号を送信した信号送信用アンテナ２５を搭載する車両５０が存在すると推定する。計算処理装置３１は、その推定された車両５０の方向（受電アンテナ２１の方向）に対応する走査角度θに設定して、移相器１２を制御する。

一方、計算処理装置３１は、例えば、送電アンテナ１５と受電アンテナ２１とのアンテナ間距離に基づいて、マイクロ波の送電出力を算出する。アンテナ間距離が長くなるにつれて大気減衰の影響が大きくなるので、計算処理装置３１は、アンテナ間距離と送電出力との関係を定めたマップ値に基づき、アンテナ間距離が長くなるにつれて送電出力が大きくなるように算出する。計算処理装置３１は、その算出された送電出力となるように出力可変増幅器１４を制御する。

また、計算処理装置３１は、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波の到来方向（すなわち、マイクロ波を送電すべき方向）に応じて、マイクロ波の送電電力を決定してもよい。マイクロ波の送電方向によってマイクロ波のエネルギー損失は異なるので（特に、フェーズドアレイ方式の相互干渉による損失は大きいので）、計算処理装置は、マイクロ波の送電方向を決める走査角度θとマイクロ波の送電電力との関係を定めたマップ値に基づき、走査角度θが大きくなるにつれて送電出力が大きくなるように算出する。計算処理装置３１は、その算出された送電出力となるように出力可変増幅器１４を制御する。

また、計算処理装置３１は、情報検知器３０によって検知された車両情報に基づいて導出された車載バッテリのＳＯＣ等のエネルギー情報も考慮して、マイクロ波の送電出力を決定する。計算処理装置３１は、車載のバッテリの蓄電状態に応じて、マイクロ波の送電出力を調整し、例えば車載バッテリの蓄電状態が満充電の場合には、送電出力を零にすることによってマイクロ波の送電を停止させることも可能である。

図６は、本発明に係る路車間電力供給システムの第２の実施形態を示す図である。第２の実施形態の構成のうち第１の実施形態と同一または同様の機能を有する部分は、第１の実施形態と同一の符号を付与して、それらの説明を省略又は簡略する。第２の実施形態の路車間電力供給システムも、道路側に設置される送電装置１０と車両５０に搭載される受電装置２０を有している。第２の実施形態における送電装置１０は、ＲＦ発振装置１１、モータ１６、パラボラアンテナ１７を有する。第２の実施形態における受電装置２０は、図１で示したように、受電アンテナ２１及び整流回路２２を備える。

ＲＦ発振装置１１は、直流または交流電流をマイクロ波に相当する周波数の信号波（ＲＦ出力）に変換し、ＲＦ出力をパラボラアンテナ１７に出力する。ＲＦ発振装置１１は、計算処理装置３１の処理結果に従って、マイクロ波の送電出力を可変する。

パラボラアンテナ１７は、モータ１６の回転によるパラボラアンテナ１７自体の向きを変化させることによってマイクロ波の送電方向を変化させる。パラボラアンテナ１７は、計算処理装置３１によって算出されたマイクロ波を送電すべき送電方向に、ＲＦ発振装置１１によって調整された送電出力でマイクロ波を送信するアンテナである。車両５０に対する給電のためにマイクロ波を放射するパラボラアンテナ１７は、車両５０が走行する道路において所定の間隔毎に設けられた給電区間毎に併設される。

パラボラアンテナ１７から放射されたマイクロ波は、車両５０に搭載された受電装置２０の受電アンテナ２１によって受電される。受電アンテナ２１は、パラボラアンテナ１７から放射されたマイクロ波を受信しやすい向きで車両５０に設置される。例えば、受電アンテナ２１は、車両５０の側方からのマイクロ波を受信しやすい位置に搭載される。

情報検知器３２は、道路側に設置され、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波を受信するとともに、その車両情報を検知する。情報検知器３２によって検知された車両情報は計算処理装置３１に入力される。

計算処理装置３１は、上述と同様に、中央演算処理装置を備えるコンピュータであって、信号送信用アンテナ２５によって送信された車両情報に係る信号波に基づいて（情報検知器３２によって検知された車両情報に基づいて）、アンテナ間距離、信号波の到来方向、アンテナ間相対速度、エネルギー情報などを導出する。計算処理装置３１は、これらの導出結果に基づいて、パラボラアンテナ１７を介して当該車両５０の受電アンテナ２１に向けて送電すべきマイクロ波の最適な送電方向（走査角度）と送電出力を算出する。計算処理装置３１は、その処理結果として、算出した送電方向（走査角度）と送電出力をＲＦ発信装置１１やモータ１６に出力する。

図７は、第２の実施形態におけるマイクロ波の送電方向を説明するための図である。図７は、道路の給電区間を走行中の車両５０を上方から見た図である。マイクロ波の送電方向は、図７に示される走査角度θによって定められる。図７に示される走査角度θは、道路に隣接して設置されたパラボラアンテナ１７と車両５０の底面や側面に設置された受電アンテナ２１との距離が最短になる方向を基準方向としたとき、その基準方向と送電アンテナ１５を介してマイクロ波が送電される送電方向とのなす角度をいう。すなわち、道路に隣接して設置されるパラボラアンテナ１７自体の向きが道路に対して垂直の場合に、走査角度θは０°となる。

例えば、計算処理装置３１は、アンテナ間距離が略零の場合には、道路に隣接して設置されたパラボラアンテナ１７の真横に車両５０の受電アンテナ２１が存在するとして、走査角度θを０°に設定して、モータ１６を制御する。また、計算処理装置３１は、例えば、アンテナ間距離が零より大きい所定値（例えば、３０ｍ）の場合には、走査角度θを当該所定値に対応する角度に設定して、モータ１６を制御する。

また、計算処理装置３１は、２台のカメラで車両５０の位置を検出し、その方向にパラボラアンテナ１７自体の方向が向くようにモータ１６を制御してもよい。また、計算処理装置３１は、第１の実施形態と同様に、レトロディレクティブ方式などに基づいて、パラボラアンテナ１７自体の方向を決定してもよい。また、計算処理装置３１は、第１の実施形態と同様に、車両５０とパラボラアンテナ１７の設置地点との距離やエネルギー情報などに基づいて、マイクロ波の送電出力を算出する。

したがって、上述の実施形態によれば、アンテナ間距離やマイクロ波の送電方向に応じてマイクロ波の送電出力を可変することができるので、エネルギーの効率化を図ることができるとともに、過送電による受電装置２０の負担を軽減し、受電装置２０の故障を回避することができる。

すなわち、マイクロ波を送電するアンテナと車両５０との距離が遠くても、大気減衰による伝送効率低下の防止のために送電アンテナを道路上に増設することなく、車両５０が必要とする電力が不足するということを防ぐことができるとともに、マイクロ波を送電するアンテナと車両５０との距離が近くても、車両５０に必要以上の電力を送電するということを防ぐことができる。特に、レクテナ等の受電装置２０はサイズ当たりの最大受電力が決まっており、これを超える電力は、ＲＦ−ＤＣ変換されずに、内蔵の整流ダイオード２２ａの内部抵抗損失となるため、必要以上の送電を防ぐ必要がある。

また、上述の実施形態によれば、送電出力を最適値に可変することができるようになるので、送電出力を一定にする場合に比べ電気コストの削減ができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、エネルギー伝送の対象となる移動体の具体例として「車両」を挙げて本発明の実施形態を説明したが、本発明に係る移動体用エネルギー伝送システムが対象とする移動体は、飛行機、船舶、ロボットなどでもよい。

また、エネルギーを伝送する電磁波の具体例として「マイクロ波」を挙げて本発明の実施形態を説明したが、本発明に係る移動体用エネルギー伝送システムがエネルギー伝送に用いる電磁波は、効率や信号波との干渉などを考慮の上、光等の他の周波数帯の電磁波でもよい。

また、車両５０の位置や速度を検出する手段は、道路側に設置されたレーザー距離計でもよい。また、車両５０の位置を検出する手段は、光電管センサや重量センサでもよい。

マイクロ波エネルギー伝送システムの概要図である。道路上を走行中の車両に給電する路車間電力供給システムの概要図である。本発明に係る路車間電力供給システムの第１の実施形態を示す図である。車両５０の底面図である。第１の実施形態におけるマイクロ波の送電方向を説明するための図である。本発明に係る路車間電力供給システムの第２の実施形態を示す図である。第２の実施形態におけるマイクロ波の送電方向を説明するための図である。

符号の説明

１０送電装置
１１ＲＦ発振装置
１２デバイダ
１３移相器
１４出力可変増幅器
１５送電アンテナ
１６モータ
１７パラボラアンテナ
２０受電装置
２１受電アンテナ
２２整流回路
２２ａ整流ダイオード
３０，３２情報検知器
３１計算処理装置
５０車両

Claims

車両に搭載され、受電アンテナを介してマイクロ波を受電する受電装置と、
道路側に設置され、送電アンテナを介してマイクロ波を送電する送電装置と、を有する路車間電力供給システムであって、
前記送電装置の送電出力が、前記受電アンテナと前記送電アンテナとの距離に応じて、又は、前記送電アンテナを介して送電すべきマイクロ波の送電方向に応じて、可変することを特徴とする、路車間電力供給システム。
前記送電装置の送電出力を、前記距離が長いほど、又は、前記受電アンテナと前記送電アンテナとの距離が最短になる方向と前記送電方向とのなす角度が大きいほど、大きくすることを特徴とする、請求項１記載の路車間電力供給システム。
前記車両の位置情報を検出する位置情報検出手段を備え、
前記距離は、前記位置情報検出手段によって検出された前記車両の位置情報に基づいて導出される、請求項１又は２に記載の路車間電力供給システム。
前記車両から送信された信号を受信することによって該信号の到来方向を検出する方向検出手段を備え、
前記送電方向は、前記方向検出手段によって検出された到来方向に基づいて設定される、請求項１又は２に記載の路車間電力供給システム。