| 【発明の名称】 |
電動走行車及びその走行システム |
| 【発明者】 |
【氏名】上符 敏昭
|
| 【要約】 |
【課題】人の安全を容易に確保して電気二重層コンデンサ等の被充電部に充電可能な構成の充電回路を備えた電動走行車及びその走行システムを提供する。
【解決手段】地上側に設置した１次側誘導部１３を有する給電装置１１と、充電回路２１を備え、この充電回路２１には１次側誘導部に対応するように配置した２次側結合部２２を設け、１次側誘導部と２次側結合部とを介して、地上側の給電装置から非接触で充電回路の電気二重層コンデンサに充電するように構成した電動走行車とを有してなる走行システムとする。また、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部と２次側結合部との磁路ずれが生じないように、１次側誘導部の磁路断面積を小さくし、２次側結合部の磁路断面積を大きく、或いは、１次側誘導部の磁路断面積を大きくし、２次側結合部の磁路断面積を小さくする。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 充電回路を備え、この充電回路には地上側に設置した給電装置の１次側誘導部に対応するように配置した２次側結合部を設け、１次側誘導部と２次側結合部とを介して、地上側の給電装置から非接触で充電回路の被充電部に充電するように構成したことを特徴とする電動走行車。
【請求項２】 請求項１に記載する電動走行車において、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部と２次側結合部との磁路ずれが生じないように、２次側結合部の磁路断面積を１次側誘導部の磁路断面積よりも大きく又は小さくしたことを特徴とする電動走行車。
【請求項３】 請求項１又は２に記載する電動走行車において、充電回路には電気二重層コンデンサを設け、この電気二重層コンデンサに一旦充電した電荷を、バッテリ又はコンデンサに充電するように構成したことを特徴とする電動走行車。
【請求項４】 地上側に設置した１次側誘導部を有する給電装置と、充電回路を備え、この充電回路には１次側誘導部に対応するように配置した２次側結合部を設け、１次側誘導部と２次側結合部とを介して、地上側の給電装置から非接触で充電回路の被充電部に充電するように構成した電動走行車とを有してなることを特徴とする電動走行車の走行システム。
【請求項５】 請求項４に記載する電動走行車の走行システムにおいて、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部と２次側結合部との磁路ずれが生じないように、１次側誘導部の磁路断面積を小さくし、２次側結合部の磁路断面積を大きくした、或いは、１次側誘導部の磁路断面積を大きくし、２次側結合部の磁路断面積を小さくしたことを特徴とする電動走行車の走行システム。
【請求項６】 請求項４又は５に記載する電動走行車の走行システムにおいて、充電回路には電気二重層コンデンサを設け、この電気二重層コンデンサに一旦充電した電荷を、バッテリ又はコンデンサに充電するように構成したことを特徴とする電動走行車の走行システム。
|
【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は電動走行車及びその走行システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】現在の電動走行車（荷物や人を運ぶ電動搬送車等）は駆動エネルギ源としてバッテリを主としている。図３には、かかる電動走行車の具体的な駆動回路構成を示す。同図に示すように、電動走行車ではバッテリ１を主電源とし、半導体スイッチ回路２のＯＮ−ＯＦＦ制御（チョッパ制御）によって電動走行車の駆動源である直流モータの電機子３に印加される電圧を可変にすることにより、速度を変更している。
【０００３】具体的には、低速時はチョッパ制御のデューティ比を下げてモータ電圧の平均値を下げ、高速時はチョッパ制御のデューティ比を上げてモータ電圧の平均値を上げる。なお、モータ電流は、図中に矢印で示すように、半導体スイッチ回路２のＯＮ期間にはこの半導体スイッチ回路２を流れ、半導体スイッチ回路２のＯＦＦ期間には電機子３に逆並列に接続したダイオード４を流れる。また、最高速時は半導体スイッチ回路２に並列に接続した短絡コンタクタ５を投入する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】図３において、バッテリ１は電動走行車が必要とする走行エネルギの全てを供給する必要がある。このため、バッテリ１の容量は最大負荷での走行時間から算出された値とバッテリ寿命との関係から決定される。バッテリ寿命は図４に示すように放電率によって大きく変わる。一般的には３０％放電率以下に選択されるため充放電サイクル寿命は１１００回程度であり、１日の稼働時間を１０時間とした場合、充電時間を１２時間と仮定し、１サイクル／日とすると、３年以上のバッテリ寿命となる。つまり、バッテリ寿命を３年以上とするためには、バッテリ容量は実使用容量に対して１／０．３＝３．３倍以上に選定される。
【０００５】また、バッテリ充電時には、鉛バッテリの場合、充電電流を１．０〜０．７５ＣＡ以下にして充電中の温度上昇を抑制する必要がある。また、完全充電するには充電終期の充電電流を小さくする必要がある。これは負極での酸化ガスの吸収をしきれずに電解液中の水分が消失するのを防止するために必要なことである。
【０００６】以上のことから、バッテリ容量が必要以上に大きくなってバッテリの重量も大きくなり、また、バッテリ充電時間も長くかかる。しかも、バッテリは化学反応を原理としているため、温度に関する管理が変わる等保全状態によって寿命に大きく影響がでる等の問題がある。
【０００７】そこで、これらの問題点を解決するために充電回路に物理現象を原理とする電気二重層コンデンサ等を設けることが考えられるが（詳細後述）、この場合、電気二重層コンデンサに対して接触式充電を行うと、接触部に人が触れる虞のないように構成にする等、安全上の配慮を十分に行う必要があるという問題がある。
【０００８】従って、本発明は上記の問題点に鑑み、人の安全を容易に確保して電気二重層コンデンサ等の被充電部に充電することができる構成の充電回路を備えた電動走行車及びその走行システムを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決する第１発明の電動走行車は、充電回路を備え、この充電回路には地上側に設置した給電装置の１次側誘導部に対応するように配置した２次側結合部を設け、１次側誘導部と２次側結合部とを介して、地上側の給電装置から非接触で充電回路の被充電部に充電するように構成したことを特徴とする。
【００１０】また、第２発明の電動走行車は、第１発明の電動走行車において、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部と２次側結合部との磁路ずれが生じないように、２次側結合部の磁路断面積を１次側誘導部の磁路断面積よりも大きく又は小さくしたことを特徴とする。
【００１１】また、第３発明の電動走行車は、第１又は第２発明の電動走行車において、充電回路には電気二重層コンデンサを設け、この電気二重層コンデンサに一旦充電した電荷を、バッテリ又はコンデンサに充電するように構成したことを特徴とする。
【００１２】また、第４発明の電動走行車の走行システムは、地上側に設置した１次側誘導部を有する給電装置と、充電回路を備え、この充電回路には１次側誘導部に対応するように配置した２次側結合部を設け、１次側誘導部と２次側結合部とを介して、地上側の給電装置から非接触で充電回路の被充電部に充電するように構成した電動走行車とを有してなることを特徴とする。
【００１３】また、第５発明の電動走行車の走行システムは、第４発明の電動走行車の走行システムにおいて、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部と２次側結合部との磁路ずれが生じないように、１次側誘導部の磁路断面積を小さくし、２次側結合部の磁路断面積を大きくした、或いは、１次側誘導部の磁路断面積を大きくし、２次側結合部の磁路断面積を小さくしたことを特徴とする。
【００１４】また、第６発明の電動走行車の走行システムは、第４又は第５発明の電動走行車の走行システムにおいて、充電回路には電気二重層コンデンサを設け、この電気二重層コンデンサに一旦充電した電荷を、バッテリ又はコンデンサに充電するように構成したことを特徴とする。
【００１５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
【００１６】図１は本発明の実施の形態に係る電動走行車の走行システムの要部構成図、図２は前記電動走行車の走行システムの全体構成図である。
【００１７】図１に示すように、地上側には高周波発振器１２と１次側誘導部１３とを有してなる給電装置１１が設置されている。１次側誘導部１３はコ字状の鉄心１４にコイル１５を巻回してなるものであり、鉄心１４の先端面１４ａが上向きとなるように配設されている。コイル１５は高周波発振器１２に接続されている。
【００１８】一方、電動走行車には充電回路２１が設けられている。この充電回路２１は、図２に示すように、２次側結合部２２と、整流部２５と、降圧チョッパ部２６と、電気二重層コンデンサ２７と、昇圧チョッパ部２８と、コンデンサ３８と、鉛バッテリであるバッテリ２９とによって構成されている。
【００１９】図１に示すように、２次側結合部２２は地上側に設置された給電装置１１の１次側誘導部１３に対応するように配設されている。即ち、２次側結合部２２はコ字状の鉄心２３にコイル２４を巻回してなるものであって、鉄心２３の先端面２３ａが下向きとなるように配設されており、電動走行車が充電ステーションに停止したときに１次側誘導部１３の鉄心１４の先端面１４ａと２次側結合部２２の鉄心２３の先端面２３ａとが対向するようになっている。
【００２０】しかも、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部１３と２次側結合部２２との磁路ずれが生じないように、１次側誘導部１３の磁路断面積（鉄心１４の先端面１４ａの面積）を小さくし、２次側結合部２２の磁路断面積（鉄心２３の先端面２３ａの面積）を大きくしている。或いは、１次側誘導部１３の磁路断面積（鉄心１４の先端面１４ａの面積）を大きくし、２次側結合部２２の磁路断面積（鉄心２３の先端面２３ａの面積）を小さくしてもよい。何れを大きくし又は小さくするかは、設置台数やコストなどの観点か適宜選択することができる。
【００２１】図１には、電動走行車の停止位置が図中左側にずれたために２次側結合部２２の位置が１次側誘導部１３に対して図中左側にずれた場合の状態を例示しているが、このような場合にも、１次側誘導部１３の磁路断面積を小さくし、２次側結合部２２の磁路断面積を大きくしたことにより、１次側誘導部１３と２次側結合部２２との磁路ずれは生じていない。
【００２２】図２に示すように、２次側結合部２２のコイル２４は整流部２５に接続されている。整流部２５は、整流回路３１と、平滑コンデンサ３２とで構成されており、交流電流を直流電流に整流して出力する。
【００２３】降圧チョッパ部２６は、スイッチング素子３１と、直流リアクトル３４と、ダイオード３５とで構成されている。スイッチング素子３１としてはＩＧＢＴやパワートランジスタやＦＥＴなどを適宜用いることができる。この降圧チョッパ部３０では、詳細は後述するが、整流部２５から出力された直流電流を電気二重層コンデンサ２７に充電するという動作を行う。
【００２４】電気二重層コンデンサ２７は、電解質中のアニオン（陰イオン）とカチオン（陽イオン）をそれぞれ正極と負極に物理吸着させて分極性電極に電荷を蓄えるという原理で動作するコンデンサであり、アルミニウム電解コンデンサに代表されるような電極間に誘電体を有するコンデンサに比べて体積あたりの容量が３００〜１０００倍の大容量コンデンサである。この電気二重層コンデンサ２７は大電流により充電することができ、バッテリに比べて非常に短時間で充電することができる。
【００２５】詳述すると、電気二重層コンデンサ２７の充放電電流値は、電気二重層コンデンサ２７の内部インピーダンスにより規制される。電気二重層コンデンサ２７の内部インピーダンスは小さいので、その充放電電流値は鉛バッテリーの充放電電流値に比べて極めて大きい。具体例で説明すると、電気二重層コンデンサ２７の容量が１７００Ｆ、充電電圧が２．５Ｖ、内部インピーダンス５ｍΩである場合、充電許容電流は５００Ａ（＝２．５Ｖ／５ｍΩ）と極めて大きい。
【００２６】昇圧チョッパ部２８は、スイッチング素子４０と、直流リアクトル３６と、ダイオード３７とで構成されている。スイッチング素子４０としてはＩＧＢＴやパワートランジスタやＦＥＴなどを適宜用いることができる。この昇圧チョッパ部２８では、詳細は後述するが、電気二重層コンデンサ２７に充電された電荷を、電気二重層コンデンサ２７への充電電流値よりも小さな充電電流値にして、バッテリ２９やコンデンサ３８に充電するという動作を行う。
【００２７】コンデンサ３８及びバッテリ２９は駆動装置３０に電力を供給する。駆動装置３０では、交流モータやインバータ、或いは、図３に示すような直流モータやチョッパ等を内蔵しており、バッテリ２９から供給される電力によりモータを作動させて、電動走行車を走行させる。
【００２８】ここで、充電動作について詳細に説明する。
【００２９】電動走行車はバッテリー２９の充電量が低下してくると、充電ステーションまで戻ってきて所定位置に停止する。その結果、地上側の１次側誘導部１３と、電動走行車側の２次側結合部２２とが対向する。しかも、このときに電動走行車の停止位置が多少ずれても、１次側誘導部１３と２次側結合部２２との磁路ずれが生じることはない。
【００３０】この状態で高周波発振器１２から高周波電流を１次側誘導部１３のコイル１５に流すと、この１次側誘導部１３に対して磁気的に結合されている２次側結合部２２には電圧が誘起される。即ち、１次側誘導部１３と２次側結合部２２とを介して、地上側の給電装置１１から非接触で電動走行車側の充電回路２１に給電される（電磁エネルギが伝達される）。
【００３１】２次側結合部２２から出力された交流電流は、整流部２５で整流されて直流電流となる。そして、降圧チョッパ２６のスイッチング素子３３が導通（ＯＮ）状態になると、整流部２５からの電流Ｉ1 が、スイッチング素子３３と直流リアクトル３４とを流れて電気二重層コンデンサ２７に充電される。このとき、整流部２５の出力電圧（コンデンサ３２の両端電圧）をＶc1、直流リアクトル３４のリアクタンスをＬ1 、時間をｔとすると、電流Ｉ1 は（Ｖc1／Ｌ1 ）×ｔの割合で上昇していく。電流Ｉ1 が上昇して所定の目標上限コンデンサ電流値ＩC1に達すると、スイッチング素子３３が遮断（ＯＦＦ）状態となる。なお、目標上限コンデンサ電流値ＩC1は、電気二重層コンデンサ４０の特性によって決定される大きな値である。
【００３２】スイッチング素子３３が遮断状態になると、直流リアクトル３４に蓄積された電磁エネルギーにより、直流リアクトル３４と電気二重層コンデンサ２７とダイオード３５とでなる閉回路に環流電流Ｉ2 が流れる。この環流電流Ｉ2 は前記閉回路の内部抵抗により減衰していく。そして、環流電流Ｉ2 が所定の目標下限コンデンサ電流値ＩC2に達すると、スイッチング素子３３が再び導通状態となる。スイッチング素子３３が導通状態になると、再び電流Ｉ1 が流れる。
【００３３】このようにスイッチング素子３３が導通・遮断動作（チョッパ動作）を繰り返して電流Ｉ1 ，Ｉ2 が流れることにより、電気二重層コンデンサ２７は充電されていく。電気二重層コンデンサ２７の充電電圧が所定の目標コンデンサ電圧値ＶC0になったら、スイッチング素子３３の動作を停止する（遮断状態を維持する）。
【００３４】かくして、充電ステーションでの充電操作が終了する。このとき、電流Ｉ1 ，Ｉ2 は電気二重層コンデンサ４０の内部抵抗で決められる電流値まで許容されるので、大電流値とすることができる。その結果、電気二重層コンデンサ２７への充電は短時間で終了する。つまり、充電ステーションでの充電操作は短時間で終了する。具体的には、充電ステーションでの電気二重層コンデンサ２７への充電時間Ｔは、電気二重層コンデンサ２７の静電容量をＣとすると、Ｔ＝（ＶC0／Ｉ1 ）×Ｃとなる。
【００３５】また、電気二重層コンデンサ２７は大電流による充電ができるため、電気二重層コンデンサ２７への印加電圧が過大にならないように注意するだけでよく、充電制御動作設計は簡単にできる。
【００３６】電気二重層コンデンサ２７の充電が完了したら、電動走行車は充電ステーションから離れて走行可能な状態となる。そして、この走行可能状態（実際に走行をしている状態でもよい）において、昇圧チョッパ部２８を動作させることにより、電気二重層コンデンサ４０に充電された電荷を、コンデンサ３８やバッテリー２９に充電する。
【００３７】詳述すれば、スイッチング素子４０が導通状態になると、電気二重層コンデンサ２７と直流リアクトル３６とスイッチング素子４０とでなる閉回路に電気二重層コンデンサ２７から出力された電流Ｉ3 が環流する。このとき、電気二重層コンデンサ２７の充電電圧をＶC2、直流リアクトル３６のリアクタンスをＬ2 、時間をｔとすると、電流Ｉ3 は（ＶC2／Ｌ2 ）×ｔの割合で上昇していく。電流Ｉ3 が上昇して所定の目標電流値Ｉ0 になると、スイッチング素子４０が遮断状態となる。なお、目標電流値Ｉ0 はバッテリー２９の特性によって決定される小さな値である。
【００３８】スイッチング素子４０が遮断状態になると、電気二重層コンデンサ２７の電圧ＶC2と、直流リアクトル３６の電磁エネルギーにより生じた電圧とが加わり（即ち昇圧され）、電流Ｉ4 がダイオードＤ２を介してコンデンサ３８やバッテリ２９に充電される。
【００３９】一旦、遮断状態となったスイッチング素子４０は、前回導通状態になった時点から一定時間経過すると、再び導通状態となり、これにより再び電流Ｉ3 が流れる。このように、スイッチング素子４０を導通状態にして電流Ｉ3 を流し、スイッチング素子４０を遮断状態にして電流Ｉ4 を流す動作を繰り返すことにより、コンデンサ３８及びバッテリ２９への充電が行われる。このとき、電流Ｉ4 は目標電流値Ｉ0 により規制されるため、バッテリ２９に対してダメージを与えることなく最適な電流値にて充電をすることができる。
【００４０】また、バッテリ２９の電圧が所定の目標バッテリ電圧値ＶB0に達した後は、目標電流値Ｉ0 を補充バッテリ電流値ＩBHにまで下げて、バッテリ２９への充電動作を継続する。このため、バッテリ２９から放電された電荷は、直ちに、電気二重層コンデンサ４０に蓄えた電荷により補充される。補充バッテリ電流値ＩBHは目標電流値Ｉ0 に比べて大幅に小さい値とする。バッテリ２９の電圧が目標バッテリ電圧値ＶB0よりも小さくなったら、補充バッテリ電流値ＩBHを目標電流値Ｉ0 に戻して、バッテリ２９に充電する。
【００４１】また、本実施の形態では電源としてコンデンサ３８とバッテリ２９とを並列に設けているが、コンデンサ３８のみを設けることも考えられる。しかし、次の理由からコンデンサ３８だけでなくバッテリ２９も設けている。
【００４２】即ち、電動走行車の走行路に登り坂がある場合、この登り坂走行時の必要トルク増分はその勾配をθとすると下式で表され、このトルク増分を発生させるためのエネルギをコンデンサ３８のみから得ようとすると、コンデンサ３８が非常に容量の大きなものになってしまうという問題がある。そこで、この問題を解決するためにバッテリ２９も設けている。一方、バッテリ２９だけを設けることも考えられるが、この場合に比べて、コンデンサ３８を設けることにより、バッテリ２９の容量が低減されることにもなる。
【００４３】
【数１】
【００４４】なお、下り坂走行時には駆動装置３０から回生エネルギがバッテリ２８に充電されるため、充電ステーションでは、その差分の充電エネルギがバッテリ２９（電気二重層コンデンサ２７）に補充される。
【００４５】また、充電ステーションでのバッテリ２９の充電をフロート充電方式にしたため、即ち、電気二重層コンデンサ２７に一旦充電し、この電気二重層コンデンサ２７に充電した電荷をバッテリ２９等に充電する方式としたため、保全性の向上が図れ、また、地上側では特別な充電器を必要としないため、安価な構成となる。
【００４６】そして、本実施の形態によれば、１次側誘導部１３と２次側結合部２２とを介して、地上側の給電装置１１から非接触で充電回路２１の電気二重層コンデンサ２７に充電するようにしたため、接触式充電に比べて、人の安全を容易に確保することができる。
【００４７】また、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部１３と２次側結合部２２との磁路ずれが生じないように、１次側誘導部１３の磁路断面積を小さくし、２次側結合部２２の磁路断面積を大きくした、或いは、１次側誘導部１３の磁路断面積を大きくし、２次側結合部２２の磁路断面積を小さくしたため、電動走行車の停止位置がずれても、効率的に電気二重層コンデンサ２７に充電することができる。
【００４８】つまり、１次側誘導部１３と２次側結合部２２との磁路ずれが生じると、漏れ磁束が大きくなって１次側誘導部１３と２次側結合部２２との結合係数が低下するため、充電効率が低下してしまう。これに対して、１次側誘導部１３の磁路断面積を小さくし、２次側結合部２２の磁路断面積を大きくすれば、或いは、１次側誘導部１３の磁路断面積を大きくし、２次側結合部２２の磁路断面積を小さくすれば、１次側誘導部１３と２次側結合部２２との磁路ずれによる結合係数の低下を防止することができるため、充電効率の低下を防止することができる。換言すれば、電動走行車に対しては操舵ずれ許容値を大きくすることになるため、電動走行車の操作性が向上する（走行制御が容易になる）。
【００４９】なお、電動走行車に誘導回路が設けられ、この誘導回路により誘導線を検出しながら走行する場合には、１次側誘導部１３の磁路断面積と２次側結合部２２の磁路断面積との差異を、誘導性能の許容範囲に抑制（小さく）することができ、地上設備の小形化等を図ることができる。
【００５０】また、電動走行車が一定走行区間毎に停止することが見込まれる走行システムでは、電動走行車の停止箇所毎に１次側誘導部１３を設置することによって頻繁に電気二重層コンデンサ２７に充電することができるようにすることにより、電気二重層コンデンサ２７の容量を低減して小形化を図ることができるため、電動走行車の積載重量の低減と小形化とを図ることができる。
【００５１】
【発明の効果】以上、発明の実施の形態とともに具体的に説明したように、本発明の電動走行車及びその走行システムによれば、１次側誘導部と２次側結合部とを介して、地上側の給電装置から非接触で充電回路の被充電部（電気二重層コンデンサ等）に充電するようにしたため、接触式充電に比べて、人の安全を容易に確保することができる。
【００５２】また、電動走行車の停止位置がずれても１次側誘導部と２次側結合部との磁路ずれが生じないように、１次側誘導部の磁路断面積を小さくし、２次側結合部の磁路断面積を大きくした、或いは、１次側誘導部の磁路断面積を大きくし、２次側結合部の磁路断面積を小さくしたため、電動走行車の停止位置がずれても、効率的に被充電部（電気二重層コンデンサ等）に充電することができる。
|
| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６１０５
【氏名又は名称】株式会社明電舎
|
| 【出願日】 |
平成１１年７月７日（１９９９．７．７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００７８４９９
【弁理士】
【氏名又は名称】光石 俊郎 （外２名）
|
| 【公開番号】 |
特開２００１−２５１０４（Ｐ２００１−２５１０４Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１月２６日（２００１．１．２６） |
| 【出願番号】 |
特願平１１−１９２５６１ |
|