JP2015008547A - Non-contact power charger - 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充電装置に関する。 The present invention relates to a non-contact charging device used for charging an electric propulsion vehicle such as an electric vehicle or a plug-in hybrid vehicle.
図12は、従来の非接触充電装置106の構成を示す模式図である。図12において、地上側の電源109の電源盤に接続された非接触給電装置(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1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2次コイル108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。
FIG. 12 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional
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13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13(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13(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. 13 is a schematic diagram illustrating the internal structure of the power feeding device F and the power receiving device G. In particular, FIG. 13A 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. 13B 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13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、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、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。
In FIG. 13, 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1次コイル107、2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、1次,2次コイル107,108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、1次,2次コイル107,108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は車両下方に配置されるため、車両を駐車する際に給電装置Fに乗り上げる可能性がある。このような加重に耐えるため背板115は金属物で構成されることが望ましいが、金属製の背板115を1次コイル近傍に配置すると誘起電圧が発生し感電の危険が生じる。また、給電装置Fは屋外に設置されるためカバー116の外側に金属物質が接近する可能性もあるが、1次コイル近傍では感電する危険が生じる。また、1次コイル近傍に金属物質が配置されると1次コイルと金属物質間の浮遊容量に流れる漏洩電流が増大する。
Since the power feeding device F is disposed below the vehicle, there is a possibility of riding on the power feeding device F when the vehicle is parked. In order to withstand such a load, it is desirable that the
特に、給電装置Fは図12に示すように、大地上に接触するように設置された場合、1次コイルと大地間の浮遊容量に流れる漏洩電流29が大きくなり、感電だけでなくノイズが増大するなどの課題もある。また、漏電遮断機が誤動作するなど動作も不安定となる。仮に、大地上に設置されない場合でも金属製背板27への漏洩電流による感電対策として商用電源6のアースラインと金属製背板27とを接続する場合、前述した問題と同様に漏洩電流がアースラインに流れることによってノイズが増大するといった問題がある。
In particular, as shown in FIG. 12, when the power feeding device F is installed so as to be in contact with the ground, the
また、受電装置Gにおいても走行中の振動に耐えるため、背板および背板と車体の接続部は金属製が望ましいが同様に感電の危険が生じるといった課題がある。また2次コイル近傍に金属物質が配置されると図12に示すように2次コイルと金属物質間の浮遊容量に流れる漏洩電流30が増大するなど、感電だけでなく、ノイズが増大するなどの課題もある。
Further, in order to withstand vibration during traveling in the power receiving device G, the back plate and the connecting portion between the back plate and the vehicle body are preferably made of metal. Further, when a metal material is disposed in the vicinity of the secondary coil, the
それゆえに、本発明は、1次および2次コイルの近傍に配置される金属物質への誘起電圧だけでなく、漏洩電流も抑制可能な非接触充電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 charging device capable of suppressing not only an induced voltage to a metal material disposed in the vicinity of the primary and secondary coils but also a leakage current.
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、商用電源から高周波交流電流を発生させる電力変換回路と、入力された前記高周波交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルの近傍に配置される電界シールドと、前記電界シールドを電力変換回路に接続する接続手段とを備えている。 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, and the power feeding device is input with a power conversion circuit that generates a high-frequency alternating current from a commercial power source. A primary coil that generates a magnetic flux by the high-frequency alternating current, an electric field shield disposed in the vicinity of the primary coil, and connection means for connecting the electric field shield to a power conversion circuit.
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2次コイルから入力された電力を整流してバッテリーに出力する2次側整流回路と、前記2次コイルの近傍に配置される電界シールドと、前記電界シールドを前記2次側整流回路に接続する接続手段とを備えている。 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 that rectifies the electric power input from the secondary coil and outputs it to the battery, an electric field shield disposed in the vicinity of the secondary coil, and the electric field shield for the 2 Connecting means for connecting to the secondary side rectifier circuit.
本発明によれば、非接触充電装置の給電装置や受電装置は、それぞれ電界シールドと接続手段により電力変換回路または整流回路の安定電位に接続されることにより、1次および2次コイル近傍に配置される金属物質への誘起電圧を抑制することが可能となる。 According to the present invention, the power feeding device and the power receiving device of the non-contact charging device are arranged in the vicinity of the primary and secondary coils by being connected to the stable potential of the power conversion circuit or rectifier circuit by the electric field shield and the connecting means, respectively. It is possible to suppress the induced voltage on the metal material.
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、商用電源から高周波交流電流を発生させる電力変換回路と、入力された前記高周波交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルの近傍に配置される電界シールドと、前記電界シールドを電力変換回路に接続する接続手段とを備えている。 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 generates a high-frequency alternating current from a commercial power source, and the input high-frequency alternating current A primary coil for generating magnetic flux, an electric field shield disposed in the vicinity of the primary coil, and connection means for connecting the electric field shield to a power conversion circuit.
また、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2次コイルから入力された電力を整流してバッテリーに出力する2次側整流回路と、前記2次コイルの近傍に配置される電界シールドと、前記電界シールドを前記2次側整流回路に接続する接続手段とを備えている。 Another embodiment of the present invention is 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 magnetic flux generated in a primary coil on the power feeding device side. A secondary coil that is generated, a secondary side rectifier circuit that rectifies power input from the secondary coil and outputs the rectified power to a battery, an electric field shield disposed in the vicinity of the secondary coil, and the electric field shield. Connecting means for connecting to the secondary side rectifier circuit.
このような構成によれば、電力伝送中に1次および2次コイルに高周波交流電流が流れ各コイルに高電圧が発生しても、1次および2次コイルの近傍に配置された金属物質への誘起電圧を抑制でき、感電などの事故を未然に防止でき安全性が向上する。 According to such a configuration, even when high-frequency alternating current flows through the primary and secondary coils during power transmission and a high voltage is generated in each coil, the metallic material disposed near the primary and secondary coils Induction voltage can be suppressed, accidents such as electric shock can be prevented, and safety is improved.
また、1次および2次コイルと金属物質間の浮遊容量に流れる漏洩電流を低減し、放射ノイズを抑制することができる。 Moreover, the leakage current which flows into the stray capacitance between the primary and secondary coils and the metal material can be reduced, and radiation noise can be suppressed.
電界シールドは抵抗率の低い物質、例えば非磁性ステンレス、アルミ、銅などを用いることが望ましい。抵抗率が低い物質を用いることで、送電コイルから発生する磁束と電界シールドが磁気結合して誘導加熱されても発熱量が少なく安全性の高い電解シールドとすることができる。また誘導加熱されないように誘導電流が流れるループをカットする形状とすることで、電界シールド自体の温度上昇を防止することができる。 The electric field shield is preferably made of a low resistivity material such as non-magnetic stainless steel, aluminum, or copper. By using a substance having a low resistivity, even if the magnetic flux generated from the power transmission coil and the electric field shield are magnetically coupled and induction-heated, it is possible to provide a highly safe electrolytic shield with a small amount of heat generation. Further, by making the shape in which the loop through which the induction current flows is cut so as not to be induction-heated, the temperature rise of the electric field shield itself can be prevented.
さらに、電界シールドは、1次および2次コイルに流れる高周波電流の周波数と上記材質で決まる誘導電流の浸透深さと同等以下の厚みとすることで、誘導加熱による温度上昇を防止することができる。 Furthermore, the electric field shield has a thickness equal to or less than the penetration depth of the induction current determined by the frequency of the high-frequency current flowing through the primary and secondary coils and the above-described material, thereby preventing a temperature rise due to induction heating.
また、接続手段は所定のインピーダンスを介して電力変換回路または2次側整流回路に接続される。このインピーダンスは電界シールドと回路を接続するラインのインピーダンスであり、非常に小さいため電界シールド自体が接続された電力変換回路または2次側整流回路の安定電位とすることができる。 The connecting means is connected to the power conversion circuit or the secondary rectifier circuit via a predetermined impedance. This impedance is an impedance of a line connecting the electric field shield and the circuit, and is very small, so that it can be a stable potential of the power conversion circuit or the secondary side rectifier circuit to which the electric field shield itself is connected.
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充電装置のブロック図である。また、図2及び図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及び図3に示されるように、非接触充電装置は、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 contactless charging apparatus according to the present invention. Moreover, FIG.2 and FIG.3 is an external view of the state in which the vehicle was installed in the parking space. As shown in FIGS. 1, 2, and 3, the non-contact charging device includes a
給電装置2は、商用電源6に接続される1次側整流回路8と、インバータ部10と、制御部(例えば、マイコン)16とを備えた電力変換回路17と、1次側コイル18と1次側電界シールド14とを備えたコイルユニット12と、1次側電界シールド14と1次側整流回路の出力端を接続する接続手段25とを備えている。
The
一方、受電装置4は、2次側コイル19と、2次側電界シールド20とを備えたコイルユニット21と、2次側整流回路22と、負荷(バッテリー)23と、制御部(例えば、マイコン)24と、2次側電界シールド20と2次側整流回路22とを接続する2次側接続手段26とを備えている。
On the other hand, 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、1次側整流回路8の入力端に接続され、1次側整流回路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21の出力端は2次側整流回路22の入力端に接続され、2次側整流回路22の出力端はバッテリー23に接続されている。また、1次側電界シールド14は1次側整流回路8の出力端(高電位側または低電位側のいずれか一方)に接続手段25で接続している。
In the
また、コイルユニット12は地上に敷設され、電力変換回路17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21は、例えば車体底部(例えば、シャーシ)に取り付けられる。
Further, the
制御部16は制御部24と無線通信を行い、制御部24は、検知したバッテリー23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、バッテリー23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21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21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、取り出した電力でバッテリー23を充電する。
As shown in FIG. 2, when power is supplied from the
図4にコイルユニット12の側面の断面図を示す。
FIG. 4 is a sectional view of the side surface of the
図4に示されるように1次側コイル18と、金属製の背板27と、コイルユニット12の上部および側面を覆うカバー28と、を備える。図4では1次側電界シールド14は1次側コイル18を覆うように配置される。このように高周波高電圧を発生する1次側コイル18の外部を接続手段25で1次側整流回路8の出力端に接続されて安定電位となっている1次側電界シールド14で覆うことで、1次側コイル18の近傍に金属物質があっても誘起電圧を抑制することが可能となり、安全性を向上することができる。
As shown in FIG. 4, the
また、図5に示されるように地上コイルユニット周囲に金属物質が挿入する可能性が低い場合、1次側コイル18と金属製背板27との間にのみ1次側電界シールド14を配置しても良い。
Further, as shown in FIG. 5, when the possibility of inserting a metal substance around the ground coil unit is low, the primary side
さらに、図6に示されるようにコイルユニット12上部には金属物質が挿入される可能性は低いが、側面近傍に金属物質が挿入される可能性がある場合は1次側コイル18の側面と、1次側コイル18と金属製背板27との間にのみ1次側電界シールド14を配置しても良い。
Furthermore, as shown in FIG. 6, it is unlikely that a metal material will be inserted into the upper part of the
図4〜図6に示されるように1次側コイル18と背板27間に1次側電界シールド14を配置することで、コイルユニット12を図2に示すように屋外の大地(大地上に設置されたコンクリートやアスファルトも同様)に設置した場合、金属製背板27は大地(アース)電位となるが、1次側コイル18と大地間の浮遊容量に流れる漏洩電流i0は図11のように減少し、発生するノイズを抑制することが可能となる。からまた漏電遮断機の誤動作も抑制できる。
As shown in FIG. 4 to FIG. 6, by arranging the primary
図7および図8に示されるように背板27の強度が問題なければ、地上コイルユニット周囲に金属物質が挿入される可能性がある方向のみ1次側電界シールド14を配置しても良い。
As shown in FIGS. 7 and 8, if the strength of the
以上のように、1次側電界シールド14を配置することにより、安全性を向上するだけでなく、1次または2側次コイルと金属物質間の浮遊容量に流れる漏洩電流を低減し、放射ノイズを抑制することができる。
As described above, the primary-side
コイルユニット21の2次側電界シールド20においても同様であるが、1次側電界シールド14と2次側電界シールド20の形状が異なっても何ら問題ない。
The same applies to the secondary-side
1次側コイル18および2次側コイル19に流れる高周波電流によって、近傍に配置される金属製の電界シールドが誘導加熱されないような形状としている。電界シールドの上部概観図を図9に示す。1次側コイル18および2次側コイル19と対向するように配置される電界シールドが、図9(a)に示される形状の場合、図中の誘導電流が流れ誘導加熱されてしまう。
The metal electric field shield disposed in the vicinity is not induction-heated by the high-frequency current flowing through the
そのため、図9(b)に示されるように誘導電流の流れる経路をカットした形状としている。図9(b)に示される形状からさらにカット数を増やしても良い。 Therefore, as shown in FIG. 9B, the path through which the induced current flows is cut. The number of cuts may be further increased from the shape shown in FIG.
また、1次および2次コイルの内周部よりも内側、およびコイルの外周部より外側は磁束量が多く特に誘導加熱されやすいため、図11のような形状の場合には、電界シールドの内径をコイルの内径以上、電界シールドの外形をコイルの外形以下となるようにしている。図10に形状を示す。図10に示されるような形状とすることで電界シールドの温度上昇を抑制することができる。 Further, since the amount of magnetic flux is large on the inner side than the inner peripheral part of the primary and secondary coils and on the outer side of the outer peripheral part of the coil, the inner diameter of the electric field shield is increased in the case of the shape shown in FIG. Is equal to or greater than the inner diameter of the coil and the outer shape of the electric field shield is equal to or smaller than the outer shape of the coil. The shape is shown in FIG. By making the shape as shown in FIG. 10, the temperature rise of the electric field shield can be suppressed.
さらに、1次側または2次側いずれか一方にのみ電界シールドを配置しても良い。 Furthermore, an electric field shield may be arranged only on either the primary side or the secondary side.
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充電装置の給電装置及び受電装置では、給電装置から受電装置への給電中にコイル近傍に配置される金属物質への誘起電圧を抑制可能となり、感電事故を防止することができる。またコイルと金属物質間の浮遊容量に流れる漏洩電流を抑制することが可能となり、放射ノイズを低減することが可能となる。 As described above, in the power feeding device and the power receiving device of the non-contact charging device according to the present invention, it is possible to suppress the induced voltage on the metal substance disposed in the vicinity of the coil during power feeding from the power feeding device to the power receiving device. Can be prevented. In addition, it is possible to suppress the leakage current flowing in the stray capacitance between the coil and the metal material, and to reduce radiation noise.
以上のような構成とすることにより、安全性向上と低ノイズ化が実現できるようになり、電気推進車両の受電装置への給電等に有用である。 With the configuration as described above, safety can be improved and noise can be reduced, which is useful for feeding power to a power receiving device of an electric propulsion vehicle.
2 給電装置
4 受電装置
6 商用電源
8 1次側整流回路
10 インバータ部
12 コイルユニット
14 1次側電界シールド
16 制御部
17 電力変換回路
18 1次側コイル
20 2次側電界シールド
21 車両側コイルユニット
22 2次側整流回路
23 バッテリー
24 受電装置側制御部
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