JP2015008546A - Non-contact power transmission device - Google Patents
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Abstract
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等の充電に用いられる非接触電力伝送装置に関する。 The present invention relates to a non-contact power transmission device used for charging an electric propulsion vehicle such as an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle.
図8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8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峙するよう配置される。このような配置状態で、給電装置Fに備わる一次コイル107に交流電流が与えられ磁束が形成されると、受電装置Gに備わる二次コイル108に誘導起電力が生じ、これによって、一次コイル107から二次コイル108へと電力が非接触で伝達される。
FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional non-contact
受電装置Gは、例えば車載バッテリー110に接続され、上述したようにして伝達された電力が車載バッテリー110に充電される。この車載バッテリー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。
The power receiving device G is connected to the in-
図9は、給電装置F及び受電装置Gの内部構造を示す模式図である。特に、図9(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9(b)は、給電装置F及び受電装置Gを側方から見たときの内部構造を示す模式図である。 FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the internal structure of the power feeding device F and the power receiving device G. In particular, FIG. 9A is a schematic diagram illustrating an internal structure when the power feeding device F is viewed from above and the power receiving device G is viewed from below. FIG. 9B is a schematic diagram illustrating an internal structure when the power feeding device F and the power receiving device G are viewed from the side.
図9において、給電装置Fは、一次コイル107、1次磁心コア113、背板115、及びカバー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、二次コイル108、2次磁心コア114、背板115、カバー116等を備え、一次コイル107と1次磁心コア113の表面、および二次コイル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。
In FIG. 9, the power feeding device F includes a
すなわち、給電装置F,受電装置G共に、背板115とカバー116間にモールド樹脂117が充填され、内部の一次コイル107、二次コイル108、更には1次磁心コア113、2次磁心コア114の表面が、被覆固定されている。モールド樹脂117は、例えばシリコン樹脂製よりなり、このように内部を固めることにより、一次コイル107、二次コイル108を位置決め固定し、その機械的強度を確保すると共に、放熱機能も発揮する。すなわち、一次コイル107、二次コイル108は、励磁電流が流れジュール熱により発熱するが、モールド樹脂117の熱伝導により放熱され、冷却される。
That is, in both the power feeding device F and the power receiving device G, the
給電装置Fや受電装置Gは基本的に屋外に設置されるため、カバー116上に異物が載ってしまうことも考えられる。特に、異物の一例である金属物が電力伝送の最中にカバー116に載り、そのまま放置しておくと、この金属物が過熱されてしまう。また、特に、一次コイル107と二次コイル108の間に、磁束が鎖交可能なループ状の導電体であるような異物が挿入されると、導電体両端に起電力が発生してしまう。侵入した異物が過剰に昇温すると、給電装置Fや受電装置Gに故障などの被害をもたらす可能性がある。以上のことから、電力伝送の最中には一次コイル107、二次コイル108の間への異物の侵入を確実に検知することが求められる。
Since the power feeding device F and the power receiving device G are basically installed outdoors, it is conceivable that foreign matter may be placed on the
それゆえに、本発明は、異物の侵入を確実に検知することが可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a non-contact power transmission device that can reliably detect the intrusion of foreign matter.
上記目的を達成するために、本発明は、受電装置へと非接触で電力を供給する給電装置であって、前記給電装置は、入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルを覆うカバーと、前記カバー周辺に存在する物体を検知する静電容量センサとを備え、前記静電容量センサは、前記磁束により生じる渦電流の流路を遮る不連続部を有する電極パターン構成とした。 In order to achieve the above object, the present invention provides a power feeding device that supplies power to a power receiving device in a contactless manner, the power feeding device including a primary coil that generates magnetic flux by an input alternating current, and the primary An electrode pattern configuration including a cover that covers the coil and a capacitance sensor that detects an object existing around the cover, the capacitance sensor having a discontinuous portion that blocks a flow path of eddy current generated by the magnetic flux It was.
また、本発明の別の態様は、給電装置側から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、前記受電装置は、前記給電装置側の一次コイルで発生した磁束に応じて起電力を発生する二次コイルと、前記二次コイルを覆うカバーと、前記カバー周辺に存在する物体を検知する静電容量センサとを備えている。 According to another aspect of the present invention, there is provided a power receiving device that receives power supply contactlessly from the power feeding device side, and the power receiving device generates an electromotive force according to a magnetic flux generated by a primary coil on the power feeding device side. A secondary coil, a cover that covers the secondary coil, and a capacitance sensor that detects an object present around the cover.
本発明によれば、非接触電力伝送装置の給電装置や受電装置は、カバー近辺への物体の侵入を検知可能な静電容量センサを備え、静電容量センサの電極を電力伝送中の磁界による渦電流を抑制するパターンを有する構成としているので、異物の存在を確実に検知することが可能となる。 According to the present invention, a power feeding device or a power receiving device of a non-contact power transmission device includes a capacitance sensor that can detect the intrusion of an object near the cover, and the electrode of the capacitance sensor is caused by a magnetic field during power transmission. Since the configuration has a pattern that suppresses eddy currents, the presence of a foreign object can be reliably detected.
本発明の一態様は、受電装置へと非接触で電力を供給する給電装置であって、前記給電装置は、入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルを覆うカバーと、前記カバー周辺に存在する物体を検知する静電容量センサとを備え、前記静電容量センサは、前記磁束により生じる渦電流の流路を遮る不連続部を有する電極パターン構成とした。 One embodiment of the present invention is a power supply device that supplies power to a power receiving device in a contactless manner, and the power supply device includes a primary coil that generates magnetic flux by an input alternating current, and a cover that covers the primary coil. And an electrostatic capacitance sensor that detects an object existing around the cover, and the electrostatic capacitance sensor has an electrode pattern configuration having a discontinuous portion that blocks a flow path of eddy current generated by the magnetic flux.
本発明の別の一態様は、前記静電容量センサは、複数の前記電極パターンを配置した。 In another aspect of the present invention, the capacitance sensor has a plurality of the electrode patterns.
本発明の別の一態様は、給電装置側から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、前記受電装置は、前記給電装置側の一次コイルで発生した磁束に応じて起電力を発生する二次コイルと、前記二次コイルを覆うカバーと、前記カバー周辺に存在する物体を検知する静電容量センサとを備える。 Another aspect of the present invention is a power receiving device that receives power supply in a contactless manner from the power feeding device side, and the power receiving device generates an electromotive force according to magnetic flux generated in a primary coil on the power feeding device side. A secondary coil, a cover that covers the secondary coil, and a capacitance sensor that detects an object present around the cover.
このような構成によれば、静電容量センサを用いて給電装置または受電装置のカバー上の静電容量の変化を検知することでカバー上に物体が存在することを確実に検知できる。また、静電容量センサを使用することで、物体(異物)が昇温に至る可能性のあるカバー上の広い領域を容易かつ確実に検知することができる。よって、侵入した異物の過剰な昇温を防止でき、機器の故障など拡大被害を未然に防止でき、安全性が向上する。 According to such a configuration, it is possible to reliably detect the presence of an object on the cover by detecting a change in capacitance on the cover of the power feeding device or the power receiving device using the capacitance sensor. Further, by using the capacitance sensor, it is possible to easily and reliably detect a wide area on the cover where an object (foreign matter) may reach a temperature rise. Therefore, excessive temperature rise of the invading foreign matter can be prevented, and expansion damage such as equipment failure can be prevented in advance, and safety is improved.
また、前記磁束により生じる渦電流の流路を遮る不連続部を有する電極パターン構成とすることで、静電容量センサ自体の昇温を抑制でき、検知精度を維持することができる。 Further, by using an electrode pattern configuration having a discontinuous portion that blocks the flow path of eddy current generated by the magnetic flux, the temperature rise of the capacitance sensor itself can be suppressed, and the detection accuracy can be maintained.
以下、本発明の実施の形態について、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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments.
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。図2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および図2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2と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置4とで構成される。
FIG. 1 is a block diagram of a non-contact power transmission apparatus according to the present invention. FIG. 2 is an external view of the vehicle installed in the parking space. As shown in FIGS. 1 and 2, the non-contact power transmission device includes a
給電装置2は、商用電源6に接続される電源箱8と、インバータ部10と、コイルユニット12と、異物検知手段14と、制御部(例えば、マイコン)16とを備えている。一方、受電装置4は、コイルユニット18と、整流部20と、負荷(バッテリー)22と、制御部(例えば、マイコン)24とを備えている。
The
給電装置2において、商用電源6は、低周波交流電源である200V商用電源であり、電源箱8の入力端に接続され、電源箱8の出力端はインバータ部10の入力端に接続され、インバータ部10の出力端はコイルユニット12に接続されている。一方、受電装置4においては、コイルユニット18の出力端は整流部20の入力端に接続され、整流部20の出力端は負荷22に接続されている。
In the
また、コイルユニット12は地上に敷設され、電源箱8は、例えばコイルユニット12から所定距離だけ離隔した位置に立設される。一方、コイルユニット18は、例えば車体底部(例えば、シャーシ)に取り付けられる。
The
制御部16は制御部24と無線通信を行い、制御部24は、検知した負荷22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制御部16に送信する。制御部16は、コイルユニット12で検知した給電電力と、受信した電力指令値とを比較し、電力指令値が得られるようにインバータ部10を駆動する。
The
給電中、制御部24は受電電力を検知し、負荷22に過電流や過電圧がかからないように、制御部16への電力指令値を変更する。
During power feeding, the
図2に示されるように、給電装置2から受電装置4に給電するに際し、コイルユニット18は、車両を適宜移動させることでコイルユニット12に対向して配置され、制御部16がインバータ部10を駆動制御することで、コイルユニット12とコイルユニット18との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置4は、高周波の電磁場より電力を取り出し、取り出した電力で負荷22を充電する。
As shown in FIG. 2, when power is supplied from the
異物検知手段14は、高周波の電磁場領域及びその近傍に異物があるかどうかを検知するためのもので、図2に示されるように、例えば給電装置2のコイルユニット12に設けられる。なお、異物検知手段14の詳細については後述する。
The foreign matter detection means 14 is for detecting whether there is a foreign matter in the high-frequency electromagnetic field region and the vicinity thereof, and is provided, for example, in the
なお、本発明における「異物」とは、高周波の電磁場領域に侵入してくる可能性のある人や物などの物体で、特に電磁界により昇温して拡大被害をもたらす可能性のある金属片などのことである。 The “foreign matter” in the present invention is an object such as a person or an object that may enter a high-frequency electromagnetic field region, and in particular, a metal piece that may cause an increase in damage due to an increase in temperature due to an electromagnetic field. And so on.
図3は異物検知手段14のブロック図である。異物検知手段14は、異物との間の静電容量を測定する静電容量センサであって、測定する静電容量の変化に基づいて、異物を検知するように構成されている。そのために、異物検知手段14は、電極30と、電圧供給部32と、C/V変換部34と、信号処理部36とを備える。
FIG. 3 is a block diagram of the foreign matter detection means 14. The foreign matter detection means 14 is a capacitance sensor that measures the capacitance between the foreign matter and is configured to detect the foreign matter based on a change in the measured capacitance. For this purpose, the foreign matter detection means 14 includes an
異物検知手段14(その電極30)は、具体的には、図4に示されるように、コイルユニット12のカバー40の裏側に設置されている。コイルユニット12のカバー40は、一次コイル44を保護するために、一次コイル44を上方から覆うように取り付けられている。異物検知手段14の電極30は、カバー40上に存在する異物38との間の静電容量を測定できるように、さらに外部から保護されるように、カバー40の裏側、すなわち、カバー40と一次コイル44との間に設置されている。
Specifically, the foreign matter detection means 14 (its electrode 30) is installed on the back side of the
なお、異物検知手段14の電極30は、外部に露出しないようにカバー40内に組み込まれてもよい。
Note that the
図3に示すように、異物検知手段14の電圧供給部32は、グラウンド(GND)電位を基準とする所定の電位を電極30に印加する。これにより、電極30と異物38との間に静電容量C1が発生し、その静電容量C1は、数式1で表現される。
As shown in FIG. 3, the
数式1において、ε0は真空の誘電率、εrは比誘電率、Sは電極30と異物38の対極する最小面積、dは電極30と異物38の間の距離である。
In
異物検知手段14のC/V変換部34は、静電容量C1を電圧値に変換する。ここでは、異物38とGND電位との間の静電容量をC2とした場合、静電容量C1+C2を対応する電圧値にC/V変換部34は変換する。
The C /
異物検知手段14の信号処理部36は、C/V変換部34によって変換された電圧値に対応する信号、すなわち測定した静電容量に対応する信号を、図1に示されるように、給電装置2の制御部16に送信する。
As shown in FIG. 1, the
このような構成において、異物38が電極30に接近すれば、数式1の距離dが小さくなり、c1が大きくなる。その結果、異物検知手段14の静電容量の測定値が増加し、異物38の侵入を検知することができる。したがって、異物検知手段14を適当に設ければ、給電装置2のカバー40上に存在する異物の侵入を確実に検知することができる。
In such a configuration, when the
図6及び図7は、異物検知手段14の電極30の構成例を示す外観図である。異物検知手段14は、侵入した異物が磁束により過剰に昇温するなどの不具合を防止するため、一次コイル44から二次コイルへ電力伝送する磁束の分布範囲を検知するよう電極30を一次コイル44上近辺に配置する。
6 and 7 are external views showing a configuration example of the
電極30は一次コイル44の磁束にさらされ、渦電流が流れて昇温等の不具合が発生するが、図6に示されるように、電極30に切れ目42を設けて流路を寸断することで、渦電流の発生を防止できる。図7に示されるように、複数の分割した電極30を一次コイル44とほぼ同様の範囲に配置しても、同様に渦電流による昇温等の不具合を防止しながら十分な検知範囲を確保することができる。
The
また、図7のように複数の電極30を分割配置した場合、電極30個々の検知結果を対比することで、異物の侵入位置や大きさを識別することが可能となる。また、各電極30の検知結果が同様の変化傾向を示す場合は、全体に関連した経時変化などによる影響と判断され、異物侵入の判断基準の修正をすることで検知精度を高められる。
In addition, when a plurality of
次に、図5(A)および(B)のフローチャートを参照しながら、異物検知と伝送電力制御について説明する。 Next, foreign object detection and transmission power control will be described with reference to the flowcharts of FIGS.
図5(A)のフローチャートのステップS1において、受電装置4を搭載した車両が、受電装置4のコイルユニット18がコイルユニット12に対向するように停止すると、制御部16が制御部24から電力指令値を受信する。電力指令値が受信されると、制御部16は、ステップS2において、異物検知手段14が静電容量測定動作を開始し、異物検知手段14の測定した静電容量は制御部16に入力され、初期値として記憶される。例えば、異物検知手段14の静電容量測定部分には、電極30が用いられており、コイルユニット12を覆うカバー40上における電磁場領域を検知領域として静電容量を測定する。
In step S <b> 1 of the flowchart of FIG. 5A, when the vehicle on which the
その後、ステップS3において、制御部16は、インバータ部10に電力伝送開始を指示し、コイルユニット12からコイルユニット18への電力供給を開始する。
Thereafter, in step S <b> 3, the
ステップS4においては、制御部16が異物検知手段14の電極30による静電容量の測定値(測定静電容量)と初期設定値を比較し、侵入してくる異物による静電容量の変化があるかを判定する。なお、測定精度による変動などのばらつき要因に配慮した一定値を初期値に加えた値を初期設定値とし、異物侵入の判断に含まれるばらつき要因を排除する。
In step S4, the
ステップS4において、測定静電容量が初期設定値を超えている場合には、異物の侵入があると判定され、異物の過熱による拡大被害を防止するため、ステップS5に移行し、伝送電力を制御するための異物処理を行う。ステップS4において、測定静電容量が初期設定値以下である場合には異物の侵入がないと判定され、ステップS6において、制御部16はインバータ部10に電力伝送を継続させる。
In step S4, when the measured capacitance exceeds the initial setting value, it is determined that foreign matter has entered, and in order to prevent expansion damage due to overheating of the foreign matter, the process proceeds to step S5 to control transmission power. Foreign matter processing is performed. In step S4, when the measured capacitance is equal to or less than the initial setting value, it is determined that no foreign substance has entered, and in step S6, the
図5(B)のフローチャートは、図5(A)のフローチャートにおけるステップS5の異物処理の詳細を示している。異物処理では、まず、ステップS21において、異物侵入を表示や音などの告知手段により告知する。次にステップS22において、測定静電容量と設定値との比較をして、経時変化要因の排除や危険度を含めた詳細な判断をする。 The flowchart in FIG. 5B shows details of the foreign substance processing in step S5 in the flowchart in FIG. In the foreign matter processing, first, in step S21, the entry of the foreign matter is notified by a notification means such as a display or sound. Next, in step S22, the measured capacitance and the set value are compared, and a detailed determination including the elimination of the factors that change with time and the risk level is made.
経時変化要因とは、機器の温度上昇や気候変動など計測中の環境変化による静電容量の変動を意味する。 A time-dependent change factor means a change in capacitance due to an environmental change during measurement such as a temperature rise of a device or a climate change.
初期値には経時変化要因に配慮した一定値を加えた値や異物侵入時の静電容量を設計データから求めた危険限度値などを設定値とする。 As the initial value, a value obtained by adding a constant value in consideration of a factor of change with time, a danger limit value obtained from design data for the capacitance when a foreign object enters, and the like are set values.
ステップS22において、測定静電容量が設定値を超えていると判定された場合には、ステップS23に移行し、制御部16が、コイルユニット12からコイルユニット18への伝送電力を所定量(例えば、1/2)落とす、あるいは電力伝送を停止するなどの伝送電力を抑制する制御を行う。さらに、ステップS24において、異物侵入により伝送電力を制御していることを表示や音などの告知手段により告知して、異物処理を終了する。
In step S22, when it is determined that the measured capacitance exceeds the set value, the process proceeds to step S23, and the
一方、ステップS22において、測定静電容量が設定値を超えていないと判定された場合には、ステップS23、ステップS24を迂回して異物処理を終了する。 On the other hand, if it is determined in step S22 that the measured capacitance does not exceed the set value, the foreign substance processing is terminated bypassing steps S23 and S24.
図5(A)のフローチャートのステップS7では、人による異物排除や車の使用などの理由により、電力伝送を中断する指示がある場合、ステップS9に移り、制御部16はインバータ部10に電力伝送終了を指示し、コイルユニット12からコイルユニット18への電力供給を停止し、異物検知手段14は静電容量測定動作を終了する。
In step S7 in the flowchart of FIG. 5A, if there is an instruction to interrupt power transmission due to the removal of foreign matter by a person or the use of a vehicle, the process proceeds to step S9, and the
ステップS7において、電力伝送の中断指示がない場合、ステップS8に移り、充電が完了したかどうかを判定し、充電が完了していない場合には、ステップS4に戻り、充電が完了している場合には、ステップS9において電力供給を終了するとともに、異物検知動作を終了する。 In step S7, when there is no instruction to interrupt power transmission, the process proceeds to step S8, where it is determined whether charging is completed. If charging is not completed, the process returns to step S4, and charging is completed. In step S9, the power supply is terminated and the foreign object detection operation is terminated.
本実施の形態によれば、給電装置2は、カバー40上に存在する物体を検知可能な異物検知手段(静電容量センサ)14を備えているので、コイルユニット12とコイルユニット18との間への異物の侵入を確実に検知することが可能となる。
According to the present embodiment, since the
上述の説明では、給電装置2のコイルユニット12に静電容量センサ14が設置されている場合について一例として説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されない。このような場合に代えて、例えば、受電装置4のコイルユニット18に静電容量センサが設置されているような場合であっても良い。さらに、給電装置2のコイルユニット12および受電装置4のコイルユニット18に静電容量センサがそれぞれ設置されているような場合であっても良い。
In the above description, the case where the
また、図5(A)および図5(B)のフローチャートに示す処理では、初期設定値と設定値との2つの温度基準を設けて、段階的に異物検知等の処理を行う場合について説明したが、例えば設定値を初期設定値として、1つの温度基準により異物検知等の処理を行っても良い。 Further, in the processing shown in the flowcharts of FIGS. 5A and 5B, the case where two temperature references, ie, the initial setting value and the setting value, are provided and processing such as foreign object detection is performed step by step has been described. However, for example, processing such as foreign object detection may be performed based on one temperature reference with a set value as an initial set value.
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施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。 It is to be noted that, by appropriately combining arbitrary embodiments of the various embodiments described above, the effects possessed by them can be produced.
以上のように、本発明に係る非接触電力伝送装置では、給電装置から受電装置への給電のための電磁場領域近辺に侵入した異物を確実に検知できるようにしたので、例えば、人や物が不注意にあるいは誤って近づく可能性がある電気推進車両の受電装置への給電等に有用である。 As described above, in the non-contact power transmission device according to the present invention, foreign objects that have entered the vicinity of the electromagnetic field region for power feeding from the power feeding device to the power receiving device can be reliably detected. This is useful for feeding power to a power receiving device of an electric propulsion vehicle that may be inadvertently or accidentally approached.
2 給電装置
4 受電装置
6 商用電源
8 電源箱
10 インバータ部
12 コイルユニット
14 異物検知手段
16 制御部
18 コイルユニット
20 整流部
22 負荷(バッテリー)
24 制御部
30 電極
32 電圧供給部
34 C/V変換部
36 信号処理部
38 異物
40 カバー
42 電極の切れ目
44 一次コイル
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記給電装置は、
入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、
前記一次コイルを覆うカバーと、
前記カバー周辺に存在する物体を検知する静電容量センサとを備え、
前記静電容量センサは、前記磁束により生じる渦電流の流路を遮る不連続部を有する電極パターン構成とした非接触電力伝送装置。 A power supply device that supplies power to a power receiving device in a contactless manner,
The power supply device
A primary coil that generates magnetic flux by an input alternating current;
A cover covering the primary coil;
A capacitance sensor that detects an object existing around the cover;
The non-contact power transmission device, wherein the capacitance sensor has an electrode pattern configuration having a discontinuous portion that blocks a flow path of eddy current generated by the magnetic flux.
前記受電装置は、
前記給電装置側の一次コイルで発生した磁束に応じて起電力を発生する二次コイルと、
前記二次コイルを覆うカバーと、
前記カバー周辺に存在する物体を検知する静電容量センサとを備える非接触電力伝送装置。 A power receiving device that receives power supply contactlessly from the power feeding device side,
The power receiving device is:
A secondary coil that generates an electromotive force according to the magnetic flux generated in the primary coil on the power supply device side;
A cover covering the secondary coil;
A non-contact power transmission device comprising: a capacitance sensor that detects an object existing around the cover.
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