JP2014147242A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩磁界を低減するとともに、防磁手段の損失による発熱を抑制し、部品点数又は体積を小さくし、高効率の電力伝送を可能とする非接触電力伝送装置を提供する。
【解決手段】電気推進車両に備えられたバッテリに接続される車両側コイルに電力を伝送する地上側コイルと、前記地上側コイルの第１方向に隣接する金属壁とを備え、前記第１方向は、前記車両を上方から見たときにおいて、前記車両の４つの外周辺のうち前記車両側コイルから一番近い外周辺が存在する方向であり、前記金属壁は、前記一番近い外周辺に沿って延在している非接触電力伝送装置
【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７は、従来の給電システムの全体構成図である。図７において、この給電システムは、電動車両１００と、給電装置２００を備える。電動車両１００は、二次自己共振コイル１１０と、二次コイル１２０と、シールドボックス１９０と、整流器１３０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ１４０と、蓄電装置１５０とを含む。
二次自己共振コイル１１０は、例えば車体下部に配設される。二次自己共振コイル１１０は、両端がオープン（非接続）のＬＣ共振コイルであり、給電装置２００の一次自己共振コイル２４０と電磁場を介して共鳴することにより給電装置２００から電力を受電する。ここで、二次自己共振コイル１１０及び二次コイル１２０は、シールドボックス１９０内に格納される。シールドボックス１９０は、例えば直方体の箱状に形成されるが、二次自己共振コイル１１０及び二次コイル１２０の形状に合わせて円柱状や多角柱状に形成されてもよい。そして、二次自己共振コイル１１０が一次自己共振コイル２４０から受電するときに一次自己共振コイル２４０と対向する面（図７では下面）が開口され、その他の部分は、二次自己共振コイル１１０及び二次コイル１２０を覆うように配設される。シールドボックス１９０は、例えば銅で構成してもよいし、安価な部材で構成してその内面又は外面に電磁波遮蔽効果を有する布やスポンジ等を貼付してもよい。
以上のような構成で、電磁気遮蔽材であるシールドボックス１９０は、受電用共鳴器である二次自己共振コイル１１０及び二次コイル１２０周囲に配設され、受電用共鳴器が受電可能なように一方向のみが開口されるため、電磁気遮蔽が可能になるとする。

特開２０１１−９１９９９号公報

このような電気推進車両への給電等に用いられる非接触送受電装置においては、電力伝送を行うため、コイルに高周波電流が供給され、電磁界を放射することになる。送電部のコイルから放射した電磁界は、全てが受電部のコイルに到達し、給電電力に変換されるものではなく、相当量の電磁界が漏洩していくことになる。この漏洩する電磁界は、電磁気遮蔽材に渦電流等による損失を発生させ、電磁気遮蔽材の発熱や電力伝送効率の低下の原因になる。特に、受電部のコイルの周囲を覆うように電磁気遮蔽材を設けた場合、図７のように受電部のコイルが略円状となっていると、漏洩する電磁界によって電磁気遮蔽材に渦電流ループが形成され、局部的な損失発生につながる。

本発明の目的は、上記課題を解決することにあって、漏洩する電磁界を低減しつつ、電磁気遮蔽材等の防護手段の損失を抑制し、低コストの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、本発明の一の態様にかかる非接触電力伝送装置は、電気推進車両に備えられたバッテリに接続される車両側コイルに電力を伝送する地上側コイルと、前記地上側コイルの第１方向に隣接する金属壁とを備え、前記第１方向は、前記車両を
上方から見たときにおいて、前記車両の４つの外周辺のうち前記車両側コイルから一番近い外周辺が存在する方向であり、前記金属壁は、前記一番近い外周辺に沿って延在している。

本発明によれば、特に磁界が漏洩しやすい方向である電力伝送を行うコイルから見た車両端部方向に防磁手段を設けることによって、より効率的に漏洩磁界を低減するとともに、防磁手段の損失による発熱を抑制し、部品点数又は体積を小さくし、高効率の電力伝送を実現することが可能である。

本発明の実施の形態にかかる非接触電力伝送装置の概略構成図 地上側コイル及び車両側コイルの構成例 図１の非接触電力伝送装置における車両後方拡大図及び磁界分布図 非接触電力伝送装置の概略構成図（変形例１） 非接触電力伝送装置の概略構成図（変形例２） 非接触電力伝送装置の概略構成図（変形例３） 従来の非接触受電装置および非接触送電装置を示す図

本発明の一の態様にかかる非接触電力伝送装置は、地上側及び車両側に電力伝送を行うコイルを備え、車両を上方から見て車両外周部で形成される略長方形の領域に対し、車両側に取り付けられた前記コイルから見て最も近くなる略長方形の領域の辺の方向に防磁手段を構成する。

このような構成により、特に磁界が漏洩しやすい方向である電力伝送を行うコイルから見た車両端部方向に防磁手段を設けることによって、より効率的に漏洩磁界を低減するとともに、防磁手段の損失による発熱を抑制し、部品点数又は体積を小さくし、高効率の電力伝送を実現することが可能である。

（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、本発明にかかる非接触電力伝送装置の概略図である。図１において、（ａ）は上方から見た概略図である。点線で示している部分は、上方からは見えないが車両１底面側に配置されているものである。図１（ｂ）は側面から見た概略図である。
車両１は、後部車輪２が輪止め３に突き当たる状態で駐車スペースに後進して駐車されている。
車両１の後部の底面には、車両側コイル４が吊り下げるように接続されている。車両側コイル４出力は車両１のバッテリ５に接続されている。また、車両側コイル４出力の電圧、電流、電力等の検知、車両コントロール部６からの電力伝送開始／停止指令、送電電力値の指令等の受信と地上側の非接触電力伝送装置への送信のため、車両側コイル４と車両コントロール部６には、非接触電力伝送装置の車両側コントロール部７が接続されている。車両側コイル４の下方には対向するような位置に地上側コイル８が駐車スペース上に配置されている。地上側コイル８には電力線９の一方の端が接続されており、もう一方の端は電源装置１０に接続されている。
車両１を上方から見て車両１外周部で形成される略長方形１１の４辺のうち、車両１側に取り付けられた車両側コイル４から見て最も近くなる１辺が存在する方向は、車両１後方、電源装置１０方向となる。その方向には、駐車スペース上に、防磁手段として働くアル
ミ製の金属壁１２を車両１後端に平行に、かつ地面と車両１底面で構成される空間を覆うような高さまで設置する。
以上のような構成において、非接触電力伝送装置の動作について説明する。車両側コントロール部７と電源装置１０は無線により情報通信を行っている。車両１が正規の位置に駐車し、搭乗者がナビゲーションシステム等を介して電力伝送開始の操作を行うと、車両コントロール部６は非接触電力伝送装置の車両側コントロール部７に電力伝送開始指令を有線通信で送信する。車両側コントロール部７は、その指令に基づいて電源装置１０へ電力伝送開始指令を無線通信で送信する。電源装置１０は、電力伝送開始指令を受信すると、電力伝送動作を開始する。
電源装置１０は商用電源（図示せず）に接続されている。電力伝送動作時は、電源装置１０内部に搭載されている力率改善手段（図示せず）によって商用電源電圧が力率を低下させることなく直流電圧に変換される。直流電圧は同じく電源装置１０内部に搭載されているインバータ（図示せず）へ供給され、インバータは高周波スイッチング動作により直流電圧を１００ｋＨｚ程度の高周波電圧に変換する。１００ｋＨｚ高周波電圧は、電源装置１０に接続された電力線９を介して地上側コイル８に供給される。
地上側コイル８には、共振動作を行うための共振コンデンサ（図示せず）が接続されており、その地上側コイル８と共振コンデンサの共振周波数が約１００ｋＨｚになるよう設定されているため、インバータから供給される１００ｋＨｚ高周波電圧によって大きな高周波電流が地上側コイル８に流れる。
地上側コイル８に流れる高周波電流により、地上側コイル８から高周波磁界が発生する。この高周波磁界に誘導されて、地上側コイル８と対向して配置されている車両側コイル４には誘起電圧が発生する。誘起電圧に起因する電流を整流して直流電圧に変換し、バッテリ５へ供給することによって、地上側コイル８と車両側コイル４間を非接触で電力伝送が可能となる。
図２は、地上側コイル８と車両側コイル４の構成の例である。図２（ａ）は、電線１３を平面渦巻き状に巻き回すことによって地上側コイル８と車両側コイル４を構成する例である。図２（ａ）の矢印は、地上側コイル８と車両側コイル４近傍に発生する磁束のイメージを示している。磁束は、地上側コイル８、車両側コイル４の中心から外周方向へ放射するように分布するが、角度（放射方向）による偏りは小さい。平面渦巻きの軸を中心に、地上側コイル８から発生する磁束は、車両側コイル４を鎖交することにより車両側コイル４に誘起電圧を発生させるが、全ての磁束が車両側コイル４を鎖交するわけではなく、地上側コイル８及び車両側コイル４の中心から外周方向へ磁束が放射され、漏洩磁界となる。
図２（ｂ）は、磁性体１４周囲に電線１３を巻き回すことによって地上側コイル８と車両側コイル４を構成する例である。図２（ｂ）の矢印は、図２（ａ）と同じく磁束のイメージを示している。磁束は、磁性体１４の端面から垂直方向へ放射するように分布する。特に、電線１３で覆われていない方向の磁性体１４からの放射が大きくなり、磁束の分布も偏ったものになる。図２（ａ）と同じく、地上側コイル８から発生するが車両側コイル４へ鎖交しない磁束は放射され、漏洩磁界となる。
図３は、図１に示す車両１の後部拡大図である。図３の矢印は、磁束のイメージを示している。図２に示したような地上側コイル８及び車両側コイル４から放射される磁束は、一部が車両１外へ放射するよう分布する。アルミ製の金属壁１２は、車両１後端に平行に、かつ地面と車両１底面で構成される空間を覆うような高さまで設置されている。
金属壁１２を通過して放射しようとする磁束は、金属壁１２内部に誘導される誘起電圧に基づいて発生する渦電流が２次的に発生する磁束によって打ち消され、車両１底部で閉じ込められるように分布する。すなわち、金属壁１２は防磁手段として作用している。
金属壁１２内部に発生する渦電流は、金属壁１２の固有抵抗や、渦電流周波数等によって決まる金属壁１２の高周波抵抗との作用により損失を生じさせる。しかしながら、金属壁１２は、車両１後方で地上側コイル８及び車両側コイル４から一定距離離れて配置されているため、放射される磁束は一定程度減衰し、金属壁１２によって流れる渦電流及びそれ
による損失も抑制されて実用上問題になることはない。また、地上側コイル８から車両側コイル４へ電力伝送する際の効率低下も抑制される。
なお、金属壁１２は、地上側コイル８及び車両側コイル４から発生する磁束の周波数と金属壁１２の固有抵抗から決まる表皮深さよりも厚い形状であることが望ましい。金属壁１２が薄い場合、渦電流が薄い層内に集中して流れて損失増加の原因になる、漏洩磁界が透過してしまって十分な防磁効果が得られなくなる等の問題が生じる。望ましくは、金属壁１２は表皮深さの２倍以上の厚みであるとよい。
本実施の形態では、金属壁１２を車両１後方に設置する例を挙げたが、これに限定するものではない。図４は、図１に加えて、車両１側面方向にも金属壁１２を設けた例である。非接触電力伝送装置は、送電側と受電側の間に空間が存在するため、コイル形状、構成による磁界分布の違いはあるが、本質的に周辺近傍への漏洩磁界は発生する。車両側コイル４が最も近くなる車両１後方だけに金属壁１２を設置しても漏洩磁界が大きなレベルだった場合には、車両１側面方向にも金属壁１２を設けてもよい。なお、車両１前方は、地上側コイル８、車両側コイル４に対して十分距離が離れており漏洩磁界が減衰するため、車両１側面方向への金属壁１２設置に対しては優先度が低いと言える。
また、図５に示すように、金属壁１２を車両１に設置してもよい。この場合、金属壁１２は防磁手段として働くだけでなく、車両１が別の車両に後突される等の際の防護手段として車両側コイル４を破損から保護する役割も果たす。これにより、後突時に車両側コイル４が破損して内部の高電圧部品が露出することなく、安全に使用することが可能となる。また、図６に示すように、金属壁１２を地上側コイル８に接続する構成で設置してもよい。この場合、金属壁１２固定が容易となり、施工性が向上する。
加えて、図１と図５、図５と図６等の組合せにより、それぞれの例単独で得られる効果をさらに高めることが可能である。所望する漏洩磁界低減効果が得られるよう、それぞれの例で挙げた構成を組み合わせればよい。

本発明によれば、特に磁界が漏洩しやすい方向である電力伝送を行うコイルから見た車両端部方向に防磁手段を設けることによって、より効率的に漏洩磁界を低減するとともに、防磁手段の損失による発熱を抑制し、部品点数又は体積を小さくし、高効率の電力伝送を実現することが可能である。従って、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適用出来る。

１ 車両
２ 後部車輪
３ 輪止め
４ 車両側コイル
５ バッテリ
６ 車両コントロール部
７ 車両側コントロール部
８ 地上側コイル
９ 電力線
１０ 電源装置
１１ 車両１外周部で形成される略長方形
１２ 金属壁（防磁手段）
１３ 電線
１４ 磁性体

Claims (6)

1. 電気推進車両に備えられたバッテリに接続される車両側コイルに電力を伝送する地上側コイルと、
   前記地上側コイルの第１方向に隣接する金属壁とを備え、
   前記第１方向は、前記車両を上方から見たときにおいて、前記車両の４つの外周辺のうち前記車両側コイルから一番近い外周辺が存在する方向であり、
   前記金属壁は、前記一番近い外周辺に沿って延在している非接触電力伝送装置。
2. 前記金属壁は、前記地上側コイルが設置されるケースとは別に設置される請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記金属壁は、前記地上側コイルが設置されるケースと一体で設置される請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記金属壁は、前記車両に設置される請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記金属壁は、さらに前記車両を上方から見たときにおいて、前記車両の４つの外周辺のうち前記車両側コイルから二番目に近い外周辺に沿って延在している請求項１乃至４のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記金属壁は、前記地上側コイルと、前記地上側コイル周辺に設置される非接触電力電送装置の電源装置との間に設置される請求項１乃至３又は５のいずれか１項に記載の非接触電力伝送装置。

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