JP2015008548A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

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Yoshihiro Sakamoto
芳弘 阪本
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Abstract

【課題】非接触電力伝送装置に用いられる給電装置及び受電装置において異物の侵入を確実に検知する。【解決手段】受電装置４に非接触で電力を供給する給電装置２であって、給電装置２は、交流電流によって磁束を発生する一次コイル４４と、一次コイル４４を覆うカバー４０と、カバー４０上に存在する物体を検知する異物検知手段１４と、異物検知手段１４の検知電極と一次コイル間にシールド電極とを備える。カバー４０上に存在する物体を検知可能な異物検知手段１４とシールド電極４５により電力伝送中の磁界と異物検知手段１４の検知電極パターンとの磁気結合を抑制し、検知電極に電力伝送の磁界起因のノイズが重畳することなく確実に異物を検出することができる。【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等の充電に用いられる非接触電力伝送装置に関する。
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。
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。
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。
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。
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。
特開２００８−８７７３３号公報
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。
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。
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、前記静電容量センサの検知電極と１次コイル間にシールド電極と、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。
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、前記静電容量センサの検知電極と２次コイル間に配置されるシールド電極とを備えている。
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と、シールド電極とを備え、静電容量センサの検知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。
本発明に係る非接触電力伝送装置のブロック図 図１の非接触充電装置の外観図 静電容量センサである異物検知手段のブロック図 給電装置の部分断面図 （Ａ）異物検知と伝送電力制御を示すフローチャート（Ｂ）異物侵入処理のフローチャート 異物検知手段の電極構成例を示す外観図 異物検知手段の別の電極構成例を示す外観図 従来の非接触電力伝送装置の構成を示す模式図 図８の給電装置（受電装置）に対峙して配置される受電装置（給電装置）の内部構造を示す模式図
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、給電装置が、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、前記静電容量センサの検知電極と１次コイル間にシールド電極と、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。
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と前記シールド電極を配置した。
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、前記受電装置が、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、前記静電容量センサの検知電極と１次コイル間にシールド電極とを備える。
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。
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。
さらに、前記シールド電極により電力伝送中の磁界と静電容量センサの検知電極パターンとの磁気結合を抑制し、検知電極に電力伝送の磁界起因のノイズが重畳することなく確実に異物を検出することができる。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シールド電極パターン構成とすることで、シールド電極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。
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。
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及び図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。
給電装置２は、商用電源６に接続され整流回路を含む電源箱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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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とコイルと前記静電容量センサとの磁気結合を抑制するシールド電極４５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、検知電極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。
異物検知手段１４（その検知電極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の検知電極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。
なお、異物検知手段１４の検知電極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。
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検知電極３０に印加する。これにより、検知電極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。
Figure 2015008548
数式１において、ε０は真空の誘電率、εｒは比誘電率、Ｓは検知電極３０と異物３８の対極する最小面積、ｄは検知電極３０と異物３８の間の距離である。
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。
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。
また、異物検知手段１４のシールド電極は、電力伝送中の磁界と静電容量センサの検知電極との磁気結合を抑制し、検知電極に電力伝送の磁界起因のノイズが重畳することなく確実に異物を検出することができる。このシールド電極は回路の安定電位に接続する構成としてもよい。例えば電源箱８の整流回路の出力端や、商用電源のアース、大地などである。
また、シールド電極と検知電極間には絶縁物が充填される。例えば、低誘電率の樹脂、特に空気より低い誘電率が望ましい。また、空気であっても良い。その際に充填される空気は水分を含まないものとすることが望ましく、カバーと背板で囲まれる空間内に吸湿材などを同梱する構成が良い。
このような構成において、異物３８が検知電極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。
図６及び図７は、異物検知手段１４の検知電極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検知電極３０を一次コイル４４上近辺に配置する。
検知電極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、検知電極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、複数の分割した検知電極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。
また、図７のように複数の検知電極３０を分割配置した場合、検知電極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。さらに、各検知電極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。
図６及び図７において、シールド電極は検知電極と同様の形状をしている。シールド電極は、検知電極以上の面積を覆うようにコイルと検知電極間に配置される構成としても良い。
次に、図５（Ａ）および図５（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。
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、そのコイルユニット１８がコイルユニット１２に対向するように停止し、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、検知電極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。
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。
ステップＳ４においては、制御部１６が異物検知手段１４の検知電極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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
以上のように、本発明に係る非接触電力伝送装置に用いられる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。
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 検知電極
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
４５ シールド電極

Claims (3)

  1. 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、前記静電容量センサの検知電極と１次コイル間にシールド電極とを備え、
    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。
  2. 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、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
  3. 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、前記静電容量センサの検知電極と二次コイル間に配置されるシールド電極とを備える非接触電力伝送装置。
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