JP2013225962A

JP2013225962A - 非接触電力伝送装置

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Publication number: JP2013225962A
Application number: JP2012096351A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Fujita; 篤志藤田; Hideki Sadakata; 秀樹定方; Takashi Kashimoto; 隆柏本; Daisuke Besso; 大介別荘
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2012-04-20
Publication date: 2013-10-31
Also published as: JP2016220532A; JP6152960B2

Abstract

【課題】無線通信によることなく、２次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することのできる非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】電力制御装置７からの供給電流により磁界を発生する地上側コイル１３と、電力制御装置７からの入力の大きさを検知するカレントトランス２３と、カレントトランス２３の検知信号に基づいて電力制御装置７から地上側コイル１３への供給電流を制御する給電装置側制御部６と、地上側コイル１３からの磁界により電力を受電する車両側コイル１５とを備え、給電装置側制御部６は、入力検知部２３の検知信号に基づいて所定値以上の入力変化を検知した際に、地上側コイル１３への電流供給を停止させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両の充電等に用いられる非接触電力伝送装置に関する。

図１１は、従来の非接触電力伝送装置１０６の構成を示す模式図である。図１１において、地上側の電源１０９の電源盤に接続された給電装置（１次側）Ｆが、電気推進車両に搭載された受電装置（２次側）Ｇに対し、給電時において、物理的接続なしに空隙空間であるエアギャップを介して対向するよう配置される。このような配置状態で、給電装置Ｆに備わる１次コイル１０７（給電コイル）に交流電流が与えられ、磁界が発生すると、受電装置Ｇに備わる２次コイル１０８（受電コイル）に誘導起電力が生じ、これによって、１次コイル１０７から２次コイル１０８へと電力が非接触で伝達される。

受電装置Ｇは、例えば車載のバッテリー１１０に接続され、上述したようにして伝達された電力がバッテリー１１０に充電される。このバッテリー１１０に蓄積された電力により車載のモータ１１１が駆動される。なお、非接触給電処理の間、給電装置Ｆと受電装置Ｇとの間では、例えば無線通信装置１１２により必要な情報交換が行われる。

図１２は、給電装置Ｆおよび受電装置Ｇの内部構造を示す模式図である。特に、図１２（ａ）は、給電装置Ｆを上方から、また、受電装置Ｇを下方から見たときの内部構造を示す模式図である。図１２（ｂ）は、給電装置Ｆおよび受電装置Ｇを側方から見たときの内部構造を示す模式図である。

図１２において、給電装置Ｆは、１次コイル１０７、１次磁心コア１１３、背板１１５、およびカバー１１６等を備える。受電装置Ｇは、簡単に述べると、給電装置Ｆと対称的な構造を有しており、２次コイル１０８、２次磁心コア１１４、背板１１５、カバー１１６等を備え、１次コイル１０７と１次磁心コア１１３の表面、および２次コイル１０８と２次磁心コア１１４の表面は、それぞれ、発泡材１１８が混入されたモールド樹脂１１７にて被覆固定されている。

ここで、このような従来の給電装置Ｆの１次コイル１０７と、受電装置Ｇの２次コイル１０８との関係について、図１３の模式図を用いて説明する。図１３に示すように、１次コイル１０７および２次コイル１０８は、複数の素線が束ねられたリッツワイヤ１２１、１２２がスパイラル状に巻回されて形成されている。地上側の給電装置Ｆの１次コイル１０７は、車両が所定の駐車スペースに駐車された状態にて、車両に搭載された受電装置Ｇの２次コイル１０８と対向するように配置されている。１次コイル１０７と２次コイル１０８とが対向されて、１次コイル１０７から発生する磁界が２次コイル１０８に広範囲にわたって鎖交することにより、非接触での電力電送が行われる。

特開２００８−８７７３３号公報

従来の非接触電力伝送装置では、図１３に示すように、１次コイル１０７と２次コイル１０８間にはエアギャップが存在しているため、受電装置Ｇでの電圧、電流、電力等の情
報を、無線通信装置１１２で給電装置Ｆへ送信している。無線通信装置１１２では、情報の処理や、混信を防止するための暗号化処理、機器認証処理等を並行処理しているため、無線通信速度には一定の制限が生じる。

また、受電装置Ｇにおいて、何らかの不具合が発生した場合、速やかに給電装置Ｆからの電力伝送を停止する必要がある。例えば、一般に受電装置Ｇとバッテリー１１０の間には、他機器との切り替えを行うためのリレー等が配設されている。電力伝送中に、何らかの不具合により他機器との切り替えリレーが開放状態となり、受電装置Ｇが負荷開放状態になったにも関わらず、無線通信速度が間に合わず、給電装置Ｆからの電力伝送が継続されて、受電装置Ｇ内部の過電圧状態となって破損に至る可能性がある。

また、無線通信そのものに不具合が発生する場合も考慮して、受電装置Ｇの過電圧状態を含む異常状態については給電装置Ｆ単体で検知し、対処することが望ましい。

従って、本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、電源の入力を検知し、入力の大きさの変化幅が所定値以上であった場合、１次コイルへの電流供給を停止させることによって、受電装置の破損を防止できる非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の一の態様にかかる非接触電力伝送装置は、電源からの供給電流により磁界を発生する１次コイルと、前記電源からの入力の大きさを検知する入力検知部と、前記入力検知部の検知信号に基づいて前記電源から前記１次コイルへの供給電流を制御する制御部と、前記１次コイルからの磁界により電力を受電する２次コイルとを備え、前記制御部は前記入力検知部の検知信号に基づいて所定値以上の入力変化を検知した際に、前記１次コイルへの電流供給を停止させる構成とする。

１次コイルと２次コイルは、間隔を有して対向しているため、１次コイルから見た２次コイルとの磁気結合度は低く、見かけ上のインピーダンスは小さい状態になっている。つまり、共振の先鋭度（Ｑ）が高く、入力電力や出力電力等の周波数特性が非常に急峻となる。

整流部と負荷であるバッテリー等を接続するようなリレーに不具合が発生し、突然負荷開放となった場合や、２次コイルの短絡破壊等が発生した場合等、１次コイルから見た見かけ上のインピーダンスが変化した際には、急激に入力電力が増加したり、減少する。

本発明によれば、電源への入力電力等の入力の大きさを検知する入力検知部と、その検知信号に基づいて電源から１次コイルへ供給する電流を制御する制御部を備えており、制御部は所定値以上の入力の大きさの変化を検知した場合、１次コイルへの電流供給を停止させるため、無線通信によることなく、２次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することができる。

本発明の実施の形態にかかる非接触電力伝送装置のブロック図図１の非接触電力伝送装置の外観図図１の非接触電力伝送装置の外観図地上側コイルユニットおよび車両側コイルユニットの断面図正常動作時、異常動作時の入力電力の周波数特性の変化を示すグラフ給電装置側制御部が認識する入力電流及び入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示すグラフ入力検知部の変形例１のブロック図給電装置側制御部が認識する入力電流及び入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示す変形例２のグラフ非接触電力伝送装置の変形例３のブロック図給電装置側制御部が認識する入力電流及び入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示す変形例４のグラフ従来の非接触電力伝送装置の構成を示す模式図図１１の給電装置（受電装置）に対向して配置される受電装置（給電装置）の内部構造を示す図図１２の給電装置および受電装置の断面図

このような構成により、制御部は所定値以上の入力の大きさの変化を検知した場合、１次コイルへの電流供給を停止させるよう電源を制御するため、無線通信によることなく、２次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することができる。

（実施の形態）
以下、本発明の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

図１は、本発明に係る非接触電力伝送装置のブロック図である。また、図２および図３は車両が駐車スペースに設置された状態の外観図である。図１、図２および図３に示されるように、非接触電力伝送装置は、例えば駐車スペースに設置される給電装置１と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置８とで構成される。

給電装置１は、交流電源２に接続される１次側整流回路３と、インバータ部４と、地上側コイルユニット５と、制御部（例えば、マイコン）６と、入力検知部（例えば、入力電流を検知するカレントトランス）２３とを備え、１次側整流回路３とインバータ部４とで高周波電源である電力制御装置７を構成している。また、受電装置８は、車両側コイルユニット９と、電力を整流する整流部である２次側整流回路１０と、負荷であるバッテリー１１と、制御部（例えば、マイコン）１２とを備えている。

給電装置１において、交流電源２は、低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、１次側整流回路３の入力端に接続され、１次側整流回路３の出力端はインバータ部４の入力端に接続され、インバータ部４の出力端は地上側コイルユニット５に接続されている。一方、受電装置８においては、車両側コイルユニット９の出力端は２次側整流回路１０の入力端に接続され、２次側整流回路１０の出力端はバッテリー１１に接続されている。

また、地上側コイルユニット５は地上に敷設され、電力制御装置７は、例えば地上側コイルユニット５から所定距離だけ離隔した位置に立設される（図２参照）。一方、車両側コイルユニット９は、例えば車体底部（例えば、シャーシ）に取り付けられる。

地上に敷設された地上側コイルユニット５内部には、１次コイルである地上側コイル１３と、地上側共振コンデンサ１４が配置されている。地上側コイル１３と地上側共振コンデンサ１４は直列接続されており、それぞれの他方の端子はインバータ部４出力端に接続されている。

同様に、車体底部に取り付けられた車両側コイルユニット９内部には、２次コイルである車両側コイル１５と、車両側共振コンデンサ１６が配置されている。車両側コイル１５と車両側共振コンデンサ１６は直列接続されており、それぞれの他方の端子は２次側整流回路１０の入力端に接続されている。

地上側コイル１３と地上側共振コンデンサ１４の共振周波数、車両側コイル１５と車両側共振コンデンサ１６の共振周波数は、ほぼ同一となるように設定されている。具体的には、本実施の形態では、地上側コイル１３、及び車両側コイル１５の巻き数は３０ターンとしている。なお、後述する図４では、地上側コイル１３および車両側コイル１５の巻き数は簡略化して記載している。

図４は、本実施の形態の非接触電力伝送装置の地上側コイルユニット５と車両側コイルユニット９における、特に地上側コイル１３と車両側コイル１５の部分の断面図である。図４に示すように、地上側コイルユニット５は、地上側に固定されたベース１７と、ベース１７上に配置された地上側コイル１３と、地上側コイル１３を覆う筐体であるカバー１８とを備えている。車両側コイルユニット９は、車体に固定されたベース１９と、ベース１９上に配置された車両側コイル１５と、車両側コイル１５を覆う筐体であるカバー２０とを備えている。

地上側コイル１３は、コイル線２１をスパイラル状に複数回巻回することにより形成されており、同様に車両側コイル１５は、コイル線２２をスパイラル状に複数回巻回することにより形成されている。地上側コイル１３と車両側コイル１５は、それぞれ平板円形状で、ほぼ同じ外径、内径になるようにしている。地上側コイル１３および車両側コイル１５のコイル線２１、２２は、リッツワイヤを用いているが、他の導電線を用いてもよい。

上記構成において、給電装置側制御部６は、受電装置側制御部１２と無線通信を行い、受電装置側制御部１２は、検知したバッテリー１１の残電圧に応じて電力指令値を決定し、決定した電力指令値を給電装置側制御部６に送信する。また同時に、バッテリー１１の電圧及び電流と、それらから演算される受電電力を給電装置側制御部６に送信する。給電装置側制御部６は、受信した電力指令値と実際の受電電力を比較し、給電装置１の定格入力電力を超えない範囲で、電力指令値通りの受電電力が得られるようにインバータ部４を駆動する。

具体的には、給電装置側制御部６は、地上側コイル１３と地上側共振コンデンサ１４の共振周波数、車両側コイル１５と車両側共振コンデンサ１６の共振周波数から所定の幅離れた高い周波数でインバータ部４の駆動を開始する。共振周波数から離れた高い周波数で駆動を開始するのは、共振周波数から外れているために、地上側コイル１３及びインバータ部４から見たインピーダンスが高くなり、出力電力を低く抑えて、駆動開始直後の過渡的な過負荷動作状態（過電圧や過電流）を回避することができるためである。

その後、給電装置側制御部６は、インバータ部４の駆動周波数を徐々に低下させ、共振周波数へ近づけていく。地上側コイル１３及びインバータ部４から見たインピーダンスが低下し、徐々に受電電力が上昇する。

給電中、受電装置側制御部１２は受電電力を検知し、バッテリー１１に過電流や過電圧がかからないように、給電装置側制御部６への電力指令値を変更する。

また、給電装置１において、入力検知部であるカレントトランス２３は、給電装置１に入力される入力電流の大きさに応じた電圧を出力し、その後出力電圧を整流する回路（図示せず）を経由して、給電装置側制御部６に入力電流の大きさに応じた検知信号が出力する。給電装置側制御部６は、検知信号から入力電流の大きさを認識し、給電装置１が接続される商用電源の電圧とから入力電力を推定し、定格入力電力を超えないよう、自律的に受電装置８への送電電力を制限するべく、インバータ部４を制御する。入力電力が定格入力電力を超えた場合、または受電装置８の受電電力が電力指令値を超えた場合には、インバータ部４の駆動周波数を高くし、また、入力電力が定格入力電力に達しておらず、受電装置８の受電電力も電力指令値に達していない場合には、インバータ部４の駆動周波数を低くする。

図２および図３に示されるように、給電装置１から受電装置８に給電するに際し、車両側コイルユニット９は、車体（車両）を適宜移動させることで地上側コイルユニット５に対向して配置され、給電装置側制御部６がインバータ部４を駆動制御することで、地上側コイル１３から高周波磁界が発生する。車両側コイル１５には、対向して配置される地上側コイル１３の磁界によって誘導起電力が発生し、車両側コイル１５に高周波電流が誘起される。受電装置８は、この高周波電流を利用して電力を取り出し、取り出した電力でバッテリー１１を充電する。

このとき、給電装置側制御部６と受電装置側制御部１２は、外部からのノイズ等による誤動作、混信を防ぐため、互いにペアリングし、認証信号を送受信しながら情報のやり取りを行う。また同時に、他者による無線通信の傍受や、故意に送信される誤情報の受信を防ぐため、情報は暗号化して無線通信され、受信側では復号化の処理を行う。そのため、給電装置側制御部６と受電装置側制御部１２の無線通信部分は、処理が非常に集中している。また、無線通信速度を増加させた場合、無線通信周波数帯域が広がって、同じ周波数帯で通信している他チャンネルの無線通信に影響を及ぼしたり、給電装置側制御部６及び受電装置側制御部１２の無線通信部分の発熱増加につながる可能性がある。

従って、他の無線通信への影響を抑制しつつ、外来ノイズから受ける影響も低減しなければならず、無線通信でやり取りできる情報量と速度には限度が生じる。

一方、地上側コイル１３と車両側コイル１５は対向しているものの距離があいているため、地上側コイル１３から見た車両側コイル１５との磁気結合度は低く、見かけ上のインピーダンスは小さい状態になっている。つまり、共振の先鋭度（Ｑ）が高く、入力電力や出力電力等の周波数特性が非常に急峻である。

例えば、車両側コイル１５がレアショートや断線等によりインダクタンスが変化した場合、車両側部品の不具合により開放／短絡となった場合等、地上側コイル１３から見た見かけ上のインピーダンスが変化することによって、入力電力、出力電力等の周波数特性が変化し、インバータ部４が動作している周波数で急激に入力電力が増加したり、減少したりする。

図５は、横軸が周波数、縦軸が入力電力を示したグラフである。例えば、車両側コイル１５がレアショートにより短絡した場合、インダクタンスが小さくなるために、共振周波数が高くなり、入力電力の周波数特性が周波数の高い方へ変化する。そのため、インバータ部４が同じ周波数での動作を継続すると、急激に入力電力が増加する。一方、受電装置８の部品が開放破壊した場合、地上側コイル１３から見たインピーダンスが変化し、共振
周波数が低くなり、入力電力の周波数特性が周波数の低い方へ変化する。そのため、この場合は急激に入力電力が減少する。

前述の不具合等により受電装置８が受電する電力、電圧、電流も大きく変化するため、受電装置側制御部１２は、電力、電圧、電流の変化を検知して無線通信によって給電装置側制御部６へ情報伝達することは可能である。

しかしながら、異常時における受電装置８が受電する電力、電圧、電流の変化は、数１００μｓｅｃ程度の非常に速い変化であり、他の通信への影響を抑制しつつ相互認証や暗号化、復号化を行う無線通信が、電力、電圧、電流の変化する速度よりも十分早い速度を確保することは困難である。無線通信による情報伝達が間に合わなかった場合、過剰な入力電力による２次的な給電装置１や受電装置８の部品損傷につながる虞がある。

本実施の形態では、給電装置１に、入力検知部であるカレントトランス２３を備えている。カレントトランス２３の検知信号は、給電装置側制御部６に入力される。図６は、給電装置側制御部６が認識している、給電動作中の入力電流と入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示したグラフである。図６に示すように、給電装置側制御部６は、所定の時間間隔で入力電流の大きさに応じた検知信号をＡＤ変換し、認識している。また、給電装置側制御部６は、所定の時間内に許容できる入力電流の変化幅のしきい値を内部に保持しており、今回ＡＤ変換して認識した入力電流と、それまでにＡＤ変換して認識した入力電流とを比較して、許容できる変化幅のしきい値を超えているかどうかの判定を行う。許容できる変化幅のしきい値を超えていた場合、給電装置側制御部６は、受電装置側制御部１２からの無線通信とは無関係に、すみやかにインバータ部４の駆動を停止し、受電装置８への給電を停止する。したがって、車両側コイル１５がレアショートや断線によりインダクタンスが変化した場合、車両側部品の不具合により開放／短絡となった場合等、地上側コイル１３から見た見かけ上のインピーダンスが変化することによって、入力電力が急激に増加／減少したり、受電装置８が受電する電力が急激に増加／減少しても、確実に受電装置８への給電を停止することが可能である。

本実施の形態では、入力検知部にカレントトランス２３を使用した例を挙げたが、例えば図７に示すように、交流電源２と給電装置１を接続する電力ラインに直列に抵抗２４を挿入し、抵抗２４端子間に発生する電圧を検知することにより入力の大きさを検知してもよい。給電装置１に応じた適切な入力検知部を設置すればよい。

また、給電装置側制御部６は、入力の大きさの許容できる変化幅のしきい値を超えていた場合、すみやかにインバータ部４の駆動を停止する例を挙げたが、これに限定するものではない。図８は、図６と同様に、給電装置側制御部６が認識している、給電動作中の入力電流と入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示したグラフである。

例えば、受電装置８とバッテリー１１の間には、車両側機器であるヒーター等が接続され、車両側の制御部によって動作／停止される場合にも、地上側コイル１３から見た見かけ上のインピーダンスが変化するため、同様の入力電力や受電電力等の変化が発生する。ただし、部品不具合等による開放／短絡と比較して、変化が小さいために入力の大きさの変化も小さくなる。従って、給電装置側制御部６は、入力の大きさを許容できる変化幅の第１のしきい値と、第１のしきい値よりも許容できる変化幅を大きくした第２のしきい値を有し、車両側機器の動作等によって入力の大きさの変化幅が第１のしきい値を超え、第２のしきい値を超えなかった場合には、インバータ部４の駆動を停止せず、入力電力が小さくなるよう制御を行い、部品不具合等によって入力の大きさの変化幅が第２のしきい値を超えた場合には、速やかにインバータ部４の駆動を停止する制御を行うことによって、給電装置１の停止回数を削減し、安定した給電を継続することが可能となる。

また、通常、図９に示すように、受電装置８とバッテリー１１間には、他の車両側機器との電気的干渉を避けるために、導通／遮断を切り替える接続部であるリレー２５が設けられる。このリレー２５は、受電装置側制御部１２によって導通／遮断を切り替えるよう制御されており、給電装置１から受電装置８への電力伝送中は導通され、それ以外には遮断されるようになっている。給電装置１から受電装置８への電力伝送中に、車両に衝撃が加わった場合や、受電装置側制御部１２の電源電圧が低下した場合等、リレー２５が導通すべきタイミングで遮断されてしまうと、バッテリー１１との接続が切断されるために地上側コイル１３から見た見かけ上のインピーダンスが大きく変化し、入力電力や受電電力等の変化が発生する。

このような場合であっても、給電装置側制御部６は検知が可能であり、問題なく停止することが可能であるため、受電装置８とバッテリー１１間に設置される導通／遮断を切り替える接続部であるリレー２５の誤動作検知を兼ねることができる。

また、受電装置８が受電する電力や、バッテリー１１の容量、地上側コイル１３と車両側コイル１５間の距離や磁気結合度によって、バッテリー１１電圧の変化速度が異なる。図１０は、図６および図８と同様に、給電装置側制御部６が認識している、給電動作中の入力電流と入力電流の変化幅の絶対値の時間変化を示したグラフである。

バッテリー１１電圧の変化は、地上側コイル１３から見た見かけ上のインピーダンス変化になるため、例えば給電装置側制御部６のインバータ部４の制御がバッテリー１１電圧の変化に対して遅い場合には、入力電力や受電電力等の変化が発生することになる。そのため、給電装置側制御部６は、正常動作で発生し得るバッテリー１１の電圧変化等による見かけ上のインピーダンス変化による入力の大きさの変化の時間に対して短い時間で発生する変化に対してしきい値を設定すれば、異常時だけを検知することが可能となる。例えば、正常動作で発生し得る所定の時間内の入力の大きさの変化幅に対して、給電装置側制御部６が持つ、所定の時間内に許容できる入力の大きさの変化幅のしきい値を大きく設定することによって異常時だけを検知することが可能となる。

なお、本実施の形態では、入力の大きさの変化により異常時を検知する例を挙げた。例えば、地上側コイル１３や車両側コイル１５に流れる電流、または発生する電圧を検知する場合、これらの電流、電圧は見かけ上のインピーダンスと入力電力に依存するものであるため、正常動作時に比べて何らかの不具合等により見かけ上のインピーダンスが下がった結果、入力電力の周波数特性が変化して入力電力が下がると、コイル電流、電圧の変化がほとんどなくなってしまい、異常時の検知ができない場合が生じる。そのため、入力の大きさで検知することが望ましい。

なお、上述の説明では、給電装置１が地上側に配置され、受電装置８が車両に搭載される場合を例として説明したが、受電装置が地上側に配置され、給電装置が車両側に配置される構成に対しても、本発明を適用できる。

なお、上記様々な実施の形態のうちの任意の実施の形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明によれば、無線通信によることなく、２次コイルや整流部等の異常を検知し、速やかに安全な動作に移行することができるため、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両の充電等に用いられる非接触電力伝送の給電装置および受電装置に適用できる。

２交流電源
６給電装置側制御部
７高周波電源（電力制御装置）
１０２次側整流回路
１１負荷（バッテリー）
１３１次コイル（地上側コイル）
１５２次コイル（車両側コイル）
２３入力検知部（カレントトランス）

Claims

電源からの供給電流により磁界を発生する１次コイルと、前記電源からの入力の大きさを検知する入力検知部と、前記入力検知部の検知信号に基づいて前記電源から前記１次コイルへの供給電流を制御する制御部と、前記１次コイルからの磁界により電力を受電する２次コイルとを備え、
前記制御部は、前記入力検知部の検知信号に基づいて所定値以上の入力変化を検知した際に、前記１次コイルへの電流供給を停止させる構成とした非接触電力伝送装置。