CN105765677A - 非接触电力传输装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触充电装置，能够减少从初级线圈与次级线圈之间的气隙泄漏的磁场，从而抑制非接触电力传输时的辐射干扰。该装置具备：供电装置(1)，其具有通过来自电源(2)的供应电流产生磁场的初级线圈(13)；以及受电装置(8)，其具有通过来自初级线圈(13)的磁场接受电力的次级线圈(15)，初级线圈(13)及次级线圈(15)通过卷绕线圈线而形成，且将次级线圈(15)的匝数设定成大于初级线圈(13)的匝数。

Description

非接触电力传输装置

技术领域

本发明涉及例如用于电动汽车或插电式混合动力车这样的电力驱动车辆的充电等的非接触电力传输装置。

背景技术

图1是表示以往的非接触电力传输装置106的结构的示意图。图1中，连接于地面侧的电源109的配电盘的供电装置(初级侧)F被设置成：相对于搭载在电力驱动车辆上的受电装置(次级侧)G，在供电时无物理连接地隔着空隙空间即气隙而相向。当在此种设置状态下，对供电装置F所具备的初级线圈107(供电线圈)提供交流电流而产生磁场时，在受电装置G所具备的次级线圈108(受电线圈)中产生感应电动势，由此，电力以非接触的方式从初级线圈107传递到次级线圈108。

受电装置G例如连接于车载电池110，以上述方式传递的电力对车载电池110进行充电。通过蓄积在该电池110中的电力来驱动车载的电动机111。此外，在非接触供电处理的期间，供电装置F与受电装置G之间例如通过无线通信装置112进行必要的信息交换。

图2是表示供电装置F及受电装置G的内部结构的示意图。尤其，图2A是表示从上方观察供电装置F及从下方观察受电装置G时的内部结构的示意图。图2B是表示从侧面观察供电装置F及受电装置G时的内部结构的示意图。

在图2中，供电装置F具备初级线圈107、初级磁芯113、背板115及罩116等。受电装置G简而言之具有与供电装置F对称的结构，具备次级线圈108、次级磁芯114、背板115、罩116等，初级线圈107与初级磁芯113的表面以及次级线圈108与次级磁芯114的表面分别由混入有发泡材料118的模制树脂117包覆固定。

此处，对于此种以往的供电装置F的初级线圈107与受电装置G的次级线圈108的关系，使用图3的示意图进行说明。如图3所示，初级线圈107及次级线圈108通过将由多根单线捆束而成的绞合线121、122卷绕成螺旋状而形成。地面侧的供电装置F的初级线圈107被设置成：在车辆驻停在规定的驻车空间内的状态下，与搭载在车辆中的受电装置G的次级线圈108相向。通过使初级线圈107与次级线圈108相向，从初级线圈107产生的磁场广范围地与次级线圈108交链，从而进行非接触的电力传输。

专利文献1：日本特开2008-87733号公报

发明内容

但是，如图3所示，在初级线圈107与次级线圈108间存在气隙。由此，因从初级线圈107产生的磁场或由初级线圈107的磁场产生的感应电动势，从次级线圈108产生的磁场的一部分会泄漏到空间中。在无线电法等中，对于以设置在数十米处的天线测得的电场强度(辐射干扰)设定了限值，但存在会因为泄漏的磁场而导致辐射干扰变大的课题。

为了减少泄漏的磁场，考虑减小初级线圈107与次级线圈108间的气隙，但对于电力驱动车辆而言，由于人的上下车、货物的装卸等，车高会发生变动。如果为了减少辐射干扰而将气隙设定得较小，则可能会由于此种车高的变动造成供电装置F与受电装置G发生接触，严重的情况下还可能会导致破损。

本发明的目的在于解决上述课题，提供能够减少从初级线圈与次级线圈之间泄漏的磁场，抑制辐射干扰的非接触充电装置。

为了实现上述目的，本发明以下述方式构成。

本发明一方面的非接触充电装置采用下述结构，即包括：供电装置，其具有通过来自电源的供应电流产生磁场的初级线圈；以及受电装置，其具有通过来自所述初级线圈的磁场接受电力的次级线圈，所述初级线圈及所述次级线圈通过卷绕线圈线而形成，且将所述次级线圈的匝数设定得大于所述初级线圈的匝数。

由线圈产生的磁场与流经线圈的电流和线圈匝数之积存在相关，积越大则磁场量越大。另一方面，初级线圈的磁场与次级线圈的磁场由于相位偏移，因此具有想要彼此抵消的作用，因此若相对于初级线圈的磁场而将次级线圈的磁场设定得较大，则能够增强彼此抵消的作用。

根据本发明，通过采用将次级线圈的匝数设定得大于初级线圈的匝数的结构，从而能够增大来自次级线圈的磁场相对于来自初级线圈的磁场的比率。因而，能够提高使初级线圈的磁场与次级线圈的磁场抵消的效果，减少泄漏的磁场，抑制非接触电力传输时的辐射干扰的产生。

附图说明

图1是表示以往的非接触电力传输装置的结构的示意图。

图2是表示与图1的供电装置(受电装置)相向设置的受电装置(供电装置)的内部结构的图。

图3是图2的供电装置及受电装置的剖视图。

图4是本发明实施方式的非接触电力传输装置的方框图。

图5是图4的非接触电力传输装置的外观图。

图6是图4的非接触电力传输装置的外观图。

图7是地面侧线圈单元及车辆侧线圈单元的剖视图。

图8是绞合线的剖视图。

图9是表示车辆侧线圈的磁场及车辆侧线圈电流与车辆侧线圈匝数的关系的图表。

图10是表示车辆侧线圈的磁场及地面侧线圈的磁场与车辆侧线圈匝数的关系的图表。

图11是表示地面侧线圈单元及车辆侧线圈单元周边磁场分布的概略图。

图12是地面侧线圈单元及车辆侧线圈单元的剖视图(变形例1)。

图13是地面侧线圈单元及车辆侧线圈单元的剖视图(变形例2)。

图14是绞合线的剖视图(变形例3)。

标记说明

2交流电源

7高频电源(电力控制装置)

10次级侧整流电路

11负载(电池)

13初级线圈(地面侧线圈)

15次级线圈(车辆侧线圈)

具体实施方式

本发明一方式的非接触充电装置采用下述结构，即包括：供电装置，其具有通过来自电源的供应电流产生磁场的初级线圈；以及受电装置，其具有通过来自所述初级线圈的磁场接受电力的次级线圈，所述初级线圈及所述次级线圈通过卷绕线圈线而形成，且将所述次级线圈的匝数设定得大于所述初级线圈的匝数。

通过此结构，能够增大来自次级线圈的磁场相对于来自初级线圈的磁场的比率。因而，能够提高使初级线圈的磁场与次级线圈的磁场抵消的效果，减少泄漏的磁场，抑制非接触电力传输时的辐射干扰的产生。

(实施方式)

以下，参照附图来说明本发明的实施方式。此外，本发明并不受该实施方式限定。

图4是本发明的非接触电力传输装置的方框图。另外，图5及图6是车辆被置于驻车空间内的状态的外观图。如图4、图5以及图6所示，非接触电力传输装置由例如设置在驻车空间内的供电装置1、与例如搭载在电力驱动车辆中的受电装置8构成。

供电装置1具备连接于商用电源2的初级侧整流电路3、逆变器单元4、地面侧线圈单元5及控制单元(供电装置侧控制单元，例如微型计算机)6，由初级侧整流电路3与逆变器单元4构成作为高频电源的电力控制装置7。受电装置8具备车辆侧线圈单元9、作为对电力进行整流的整流单元的次级侧整流电路10、作为负载的电池11及控制单元(受电装置侧控制单元，例如微型计算机)12。

在供电装置1中，商用电源2是作为低频交流电源的200V商用电源，连接于初级侧整流电路3的输入端，初级侧整流电路3的输出端连接于逆变器单元4的输入端，逆变器单元4的输出端连接于地面侧线圈单元5。另一方面，受电装置8中，车辆侧线圈单元9的输出端连接于次级侧整流电路10的输入端，次级侧整流电路10的输出端连接于电池11。

另外，地面侧线圈单元5被铺设在地面上，电力控制装置7例如竖立设置在从地面侧线圈单元5隔开规定距离的位置(参照图5)。另一方面，车辆侧线圈单元9例如被安装在车身底部(例如底盘)。

在铺设于地面上的地面侧线圈单元5内部，设置有作为初级线圈的地面侧线圈13以及地面侧谐振电容器14。地面侧线圈13与地面侧谐振电容器14串联连接，且各自的另一个端子连接于逆变器单元4的输出端。

同样，在安装于车身底部的车辆侧线圈单元9内部，设置有作为次级线圈的车辆侧线圈15以及车辆侧谐振电容器16。车辆侧线圈15与车辆侧谐振电容器16串联连接，且各自的另一个端子连接于次级侧整流电路10的输入端。

地面侧线圈13与地面侧谐振电容器14的谐振频率、车辆侧线圈15与车辆侧谐振电容器16的谐振频率被设定成大致相同。

图7是本实施方式的非接触充电装置的地面侧线圈单元5与车辆侧线圈单元9中的、尤其是地面侧线圈13与车辆侧线圈15的局部剖视图。如图7所示，地面侧线圈单元5具备固定于地面侧的底座17、设置在底座17上的地面侧线圈13以及作为覆盖地面侧线圈13的框体的罩18。车辆侧线圈单元9具备固定于车身的底座19、设置在底座19上的车辆侧线圈15以及作为覆盖车辆侧线圈15的框体的罩20。

地面侧线圈13通过将线圈线21多次卷绕成螺旋状而形成，同样，车辆侧线圈15通过将线圈线22多次卷绕成螺旋状而形成。地面侧线圈13与车辆侧线圈15分别为平板圆形状，且呈大致相同的外径、内径。地面侧线圈13及车辆侧线圈15的线圈线21、22使用绞合线，但也可使用其他导电线。

此处，将形成各个线圈的绞合线21、22的剖视图示于图8。如图8所示，绞合线21、22通过将多条单线23捆束起来而形成。构成地面侧线圈13的绞合线21(参照图8A)具有大致圆形状剖面。另一方面，构成车辆侧线圈15的绞合线22(参照图8B)具有扁平的椭圆形状剖面。车辆侧线圈15通过将绞合线22以绞合线22的短宽度位于车辆侧线圈15的径向上、绞合线22的长宽度位于与径向正交的方向上的方式卷绕构成。

将具有此种剖面形状的绞合线21、22卷绕成大致相同的内径与外径，从而形成地面侧线圈13及车辆侧线圈15。如图8所示，绞合线21、22的剖面形状不同，因此车辆侧线圈15的匝数相对于地面侧线圈13变多。

地面侧线圈13与车辆侧线圈15以车辆侧线圈15的匝数多的方式而卷绕，因此车辆侧线圈15的电感变大。即，车辆侧线圈15的电感相对于地面侧线圈13的电感较大，将车辆侧谐振电容器16的容量相对于地面侧谐振电容器14的容量设定得较小。各自的积(地面侧线圈13的电感和地面侧谐振电容器14的容量之积与车辆侧线圈15的电感和车辆侧谐振电容器16的容量之积)大致相同。具体而言，本实施方式中，将地面侧线圈13的匝数设为30圈，将车辆侧线圈15的匝数设为40圈(图7中省略记载)。

上述结构中，供电装置侧控制单元6与受电装置侧控制单元12进行无线通信，受电装置侧控制单元12根据检测到的电池11的剩余电压来决定电力指令值，并将所决定的电力指令值发送给供电装置侧控制单元6。另外，同时将电池11的电压及电流和根据它们运算的接受电力发送给供电装置侧控制单元6。供电装置侧控制单元6比较所收到的电力指令值与实际的接受电力，在不超过供电装置1的额定输入电力的范围内驱动逆变器单元4，以获得与电力指令值相符的接受电力。

具体而言，供电装置侧控制单元6利用与地面侧线圈13和地面侧谐振电容器14的谐振频率、车辆侧线圈15和车辆侧谐振电容器16的谐振频率相偏离规定幅度的高频率来开始逆变器单元4的驱动。之所以利用偏离谐振频率的高频率来开始驱动是因为：由于偏离谐振频率，因而从逆变器单元4所见的阻抗变高，能够将输出电力抑制得较低，从而能够避免刚开始驱动后的过渡性的过载工作状态(过电压或过电流)。

随后，供电装置侧控制单元6使逆变器单元4的驱动频率逐渐下降，以接近谐振频率。从逆变器单元4所见的阻抗下降，接受电力逐渐上升。

在供电过程中，受电装置侧控制单元12检测接受电力，并变更对供电装置侧控制单元6的电力指令值，以免过电流或过电压施加至电池11。

如图5及图6所示，当从供电装置1对受电装置8进行供电时，车辆侧线圈单元9使车身(车辆)适当移动，从而与地面侧线圈单元5相向地设置。通过供电装置侧控制单元6驱动控制逆变器单元4，从而从地面侧线圈13产生高频磁场。在车辆侧线圈15中，因相向设置的地面侧线圈13的磁场产生感应电动势，在车辆侧线圈15中感应产生高频电流。受电装置8利用该高频电流导出电力，利用导出的电力来对电池11进行充电。

此时，例如在电池11为300V的情况下，为了供应3kW，需要10A的输出。该输出电流的供应源是在车辆侧线圈15中感应产生的高频电流，因此输出电流与流经车辆侧线圈15的电流存在一定的相关。即，当受电装置侧控制单元12决定电力指令值时，在车辆侧线圈15中必然流过的电流的值也被大致确定。

另外，此时，在车辆侧线圈15中感应产生的高频电流是基于电磁感应的原理而感应产生，从而产生起到抵消来自地面侧线圈13的磁场的作用的磁场。

另外，一般而言，从线圈产生的磁场的大小、强度与线圈的匝数和流经的电流之积(安培圈)存在相关，已知的是线圈的匝数越多，流经的电流越多，从线圈产生的磁场则越大。

因此，由受电装置侧控制单元12的电力指令值与电池11的电压来决定流经车辆侧线圈15的电流，因此车辆侧线圈15的匝数越多，起到抵消来自地面侧线圈13的磁场的作用的磁场越大。即，能够相对于来自地面侧线圈13的磁场而提高起到抵消作用的车辆侧线圈15的磁场的比率，从而能够减少泄漏的磁场，抑制辐射干扰的产生。

图9表示使接受电力、地面侧线圈13的匝数固定而变更车辆侧线圈15匝数时的从车辆侧线圈15产生的磁场(车辆侧线圈15的电流与车辆侧线圈15的匝数之积)与车辆侧线圈15的电流变化。在图9中，横轴表示车辆侧线圈15的匝数，纵轴的实线表示从车辆侧线圈15产生的磁场，纵轴的虚线表示车辆侧线圈15的电流。为了统一条件，谐振频率(线圈及谐振电容器的组合)调整成：车辆侧线圈15的电感和车辆侧谐振电容器16的容量之积与地面侧相同。

观察该图也明确的是，车辆侧线圈15的电流相对于车辆侧线圈15的匝数几乎无变化，但车辆侧线圈15的匝数越多，则来自车辆侧线圈15的磁场越大。

另外，图10表示使接受电力、地面侧线圈13的匝数固定而变更车辆侧线圈15的匝数时的从车辆侧线圈15产生的磁场(车辆侧线圈15的电流和车辆侧线圈15的匝数之积)与从地面侧线圈13产生的磁场(地面侧线圈13的电流和车辆侧线圈13的匝数之积)的变化。此外，此时的地面侧线圈13的匝数设定为30圈。

在图10中，横轴表示车辆侧线圈15的匝数，纵轴的实线表示从车辆侧线圈15产生的磁场，纵轴的虚线表示从地面侧线圈13产生的磁场。与图9中说明的同样，为了统一条件，谐振频率(线圈及谐振电容器的组合)调整成：车辆侧线圈15的电感与车辆侧谐振电容器16的容量之积与地面侧相同。

由图10可明确的是，随着车辆侧线圈15的匝数增加，来自地面侧线圈13的磁场减少。这是由于因车辆侧线圈15的匝数增加导致从地面侧线圈13所见的负载整体的阻抗增加而产生的现象。来自地面侧线圈13的磁场在车辆侧线圈15的匝数超过地面侧线圈13的匝数的约1.2倍的区域中大致饱和，变化非常小。

另一方面，如图9的说明中亦已叙述，车辆侧线圈15的匝数越多，则来自车辆侧线圈15的磁场越大。即，尤其在车辆侧线圈15的匝数相对于地面侧线圈13的匝数超过1.2倍的区域中，减少泄漏磁场的效果变大，能够抑制辐射干扰。

在本实施方式中，将地面侧线圈13的匝数设定为30圈，将车辆侧线圈15的匝数设定为40圈，大致为1.3倍，可充分获得辐射干扰的抑制效果。另外，另一方面，若使车辆侧线圈15的匝数过大，则尽管电流不发生变化，但电感会增加。由此，车辆侧线圈15的端子间电压上升，从而难以确保匝(圈)间的绞合线22的绝缘或与周边部件的绝缘距离。因此，只要根据车辆侧线圈15所要求的电气要件(绝缘等)与根据辐射干扰所要求的要件来选择适当的车辆侧线圈15的圈数即可。

根据逆变器单元4的驱动频率、由地面侧线圈13与车辆侧线圈15的形状或位置关系等所决定的磁耦合状态、电池11的电压等，相对于频率的接受电力特性通常是具备1个峰值的单峰特性，但有时会成为具备2个峰值的双峰特性。

图11是接受电力的频率特性成为双峰特性时的地面侧线圈13及车辆侧线圈15的周边磁场分布的示意图。在接受电力成为双峰的2个频率中，如图11A所示在较高侧的频率下，相对于地面侧线圈13的磁场，车辆侧线圈15的磁场以在水平方向上加强的相位而产生。即，流经车辆侧线圈15的电流是以在水平方向上加强地面侧线圈13的磁场的相位流动。

另一方面，如图11B所示在较低侧的频率下，来自地面侧线圈13的磁场以贯穿相向的车辆侧线圈15的方式而分布，车辆侧线圈15的磁场以在水平方向上抵消地面侧线圈13的磁场的相位而产生。即，流经车辆侧线圈15的电流以在地面侧线圈13的水平方向上抵消的相位流动。

以低频侧的频率使逆变器单元4工作的方式能有效抑制辐射干扰。

在本实施方式中，使构成车辆侧线圈15的绞合线22形成为扁平状的椭圆形状剖面。由此，能够增加相同线圈外径形状下的匝数，确保绞合线22的剖面面积而抑制电阻增加。流经车辆侧线圈15的电流是由电池11的电压或所要求的充电功率来大致决定，因此若增加车辆侧线圈15的匝数，则绞合线22将变长，损失增加，发热变大。但是，本实施方式中，采用能够确保绞合线22的剖面面积的结构，因此能够抑制车辆侧线圈15的发热增加。

另外，例如在车辆侧线圈单元9需要轻量化的情况下，也可如图12所示，减少车辆侧线圈15的绞合线22的单线23的数量，减少绞合线22的剖面面积，增加车辆侧线圈15的匝数。此时，与绞合线22的剖面面积的减少相应地，电阻增加，因此车辆侧线圈15的发热将增加，但能够抑制车辆侧线圈15的重量增加。

另外，本实施方式中，列举了由1层构成车辆侧线圈15的绞合线22卷绕成平板圆形状的结构例，但并不限定于此。例如，在使车辆侧线圈单元9小型化的情况下，为了增加车辆侧线圈15的匝数，也可如图13所示，将车辆侧线圈15的绞合线22层叠卷绕成多段。通过采用此结构，既能抑制车辆侧线圈15的外径大小，又能增加匝数。该结构中，车辆侧线圈15的相邻的匝(圈)间的电压比起单层匝有所增加，因此为了提高绝缘性，优选采用在绞合线22的更外层设置特氟龙(注册商标)等的绝缘层24(图14所示)，或者在车辆侧线圈15的相邻的匝(圈)间设置树脂等的绝缘壁等的结构。

另外，本实施方式中，车辆侧线圈15与地面侧线圈13形成为大致相同的外径与内径，但例如也可使车辆侧线圈15的面积(构成为平板圆形状的圆的部分的面积)＞地面侧线圈13的面积。该结构中，即使在车辆侧线圈15与地面侧线圈13偏离而相向时，地面侧线圈13的磁场也容易到达车辆侧线圈15，泄漏磁场得以减少，除此以外，还能够抑制电力传输效率的下降。

此外，上述说明中，以绞合线22为扁平而具有椭圆形状剖面的结构为例进行了说明，但也可使绞合线22形成为长方形状剖面。

另外，通过将地面侧线圈13及车辆侧线圈15的外形形状形成为圆形状的示例进行了说明，但也可形成为多边形状的外形形状。

上述说明中，以供电装置1被设置在地面侧，受电装置8搭载于车辆的情况为例进行了说明，但本发明也能够适用于受电装置被设置在地面侧，供电装置被设置在车辆侧的结构。

此外，通过将上述各种实施方式中的任意实施方式适当组合，能够起到各自具有的效果。

在2012年4月10日申请的日本特愿第2012-088975号的专利申请所包含的说明书、附图和说明书摘要的公开内容，全部被引用到本申请中。

工业实用性

根据本发明，能够减轻供电装置与受电装置之间的位置偏离的影响，能够抑制非接触电力传输时的供电效率(送电效率)的降低，因此能够适用于例如用于电动汽车或插电式混合动力车之类的电力驱动车辆的充电等的非接触电力传输装置的供电装置及受电装置。

Claims (4)

1.非接触电力传输装置，包括：

供电装置，其具有通过来自电源的供应电流产生磁场的初级线圈；以及

受电装置，其具有通过来自所述初级线圈的磁场接受电力的次级线圈，

所述初级线圈和所述次级线圈通过卷绕线圈线而形成，

将所述次级线圈的匝数设定成大于所述初级线圈的匝数。

2.如权利要求1所述的非接触电力传输装置，

对于所述次级线圈的线圈线，将所述次级线圈的径向宽度设定成小于与径向正交的方向的宽度。

3.如权利要求1所述的非接触电力传输装置，

将所述次级线圈的线圈线的直径设定成小于所述初级线圈的直径。

4.如权利要求1所述的非接触电力传输装置，

将所述次级线圈的线圈线卷绕成多段。