JP2015008549A - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】非接触電力伝送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110と、入力された交流電流により磁束を発生する一次コイル122と、前記一次コイル122を覆うカバー121を備え、前記受電装置110へと非接触で電力を供給する給電装置101と、前記カバー121周辺に存在する異物を検知する異物検知手段106と、前記異物検知手段106の出力に応じて異物の有無を判定する異物有無判定手段107を備え、前記異物有無判定手段107は、前記受電装置110と前記給電装置101の状態に応じて異物の有無の判定しきい値を変更するため、前記一次コイル122からの交流磁界等の影響を抑え、前記給電装置101と前記受電装置110間への異物を確実に検知することが出来る。
【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6の構成を示す模式図である。図8において、地上側の電源9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7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8に誘導起電力が生じ、これによって、1次コイル7から2次コイル8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10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10に充電される。この車載バッテリー10に蓄積された電力により車載のモータ11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12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、1次コイル7、1次磁心コア13、背板15、及びカバー16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8、2次磁心コア14、背板15、カバー16等を備え、1次コイル7と1次磁心コア13の表面、および2次コイル8と2次磁心コア14の表面は、それぞれ、発泡材18が混入されたモールド樹脂17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15とカバー16間にモールド樹脂17が充填され、内部の1次コイル7、2次コイル8、更には1次磁心コア13、2次磁心コア14の表面が、被覆固定されている。モールド樹脂17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7,8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7,8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17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16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16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、1次コイル7と2次コイル8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1次コイル7,2次コイル8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、受電装置と、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を備え、前記受電装置へと非接触で電力を供給する給電装置と、前記カバー周辺に存在する異物を検知する異物検知手段と、前記異物検知手段の出力に応じて異物の有無を判定する異物有無判定手段と、を備え、前記異物有無判定手段は、前記受電装置と前記給電装置の状態に応じて異物の有無の判定しきい値を変更する構成とした。
また、本発明の別の態様は、受電装置と給電装置の位置関係を検知する位置検知手段を備え、前記位置検知手段の検知出力に応じて異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更する構成とした。
また、本発明の別の態様は、給電装置の出力の大きさを検知する出力検知手段を備え、前記出力検知手段の検知出力に応じて異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更する構成とした。
また、本発明の別の態様は、異物検知手段は静電容量検知方式センサとした。
本発明によれば、非接触電力伝送装置は、カバー近辺への物体の侵入を検知可能な静電容量検知方式センサ等の異物検知手段を備え、受電装置と給電装置の位置関係や、入力電力、出力電力、一次コイル電流等、給電装置の出力の大きさに応じて、異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更することが出来るため、異物の存在を確実に検知することが可能となる。
本発明に係る電力制御装置を備えた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 静電容量検知方式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 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 (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 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、受電装置と、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を備え、前記受電装置へと非接触で電力を供給する給電装置と、前記カバー周辺に存在する異物を検知する異物検知手段と、前記異物検知手段の出力に応じて異物の有無を判定する異物有無判定手段とを備え、前記異物有無判定手段は、前記受電装置と前記給電装置の状態に応じて異物の有無の判定しきい値を変更する構成とした。
また、本発明の別の態様は、前記受電装置と前記給電装置の位置関係を検知する位置検知手段を備え、前記位置検知手段の検知出力に応じて異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更する構成とした。
また、本発明の別の態様は、前記給電装置の出力の大きさを検知する出力検知手段を備え、前記出力検知手段の検知出力に応じて異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更する構成とした。
また、本発明の別の態様は、前記異物検知手段は静電容量検知方式センサとした。
このような構成によれば、静電容量検知方式センサ等の異物検知手段を用いて給電装置の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、受電装置と給電装置の位置関係や、入力電力、出力電力、一次コイル電流等、給電装置の出力の大きさに応じて、一次コイルから出力される交流磁界の大きさが変化し、それによって異物検知手段から異物有無判定手段への出力信号が変化する。この構成によれば、異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更することが出来るため、異物の存在を確実に検知することが可能となる。
さらに、静電容量検知方式センサを使用する場合、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。
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、本発明に係る給電装置を備えた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101と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置110とで構成される。
給電装置101は、商用電源102に接続される電源箱103と、インバータ部104と、一次コイルユニット105と、異物検知手段106と、異物有無判定手段である給電装置側制御部(例えば、マイコン)107と、出力検知手段でもある給電電力検知手段108と、位置検知手段109とを備えている。
一方、受電装置110は、二次コイルユニット111と、整流部112と、負荷(バッテリー)113と、制御部(例えば、マイコン)114と、出力検知手段でもある出力電力検知手段115と、位置検知手段116とを備えている。
給電装置101において、商用電源102は、低周波交流電源である200V商用電源であり、電源箱103の入力端に接続され、電源箱103の出力端はインバータ部104の入力端に接続され、インバータ部104の出力端は一次コイルユニット105に接続されている。商用電源102から供給される電圧及び電流は、給電電力検知手段108によって検知され、その検知信号は制御部107に出力される。
一方、受電装置110においては、二次コイルユニット111の出力端は整流部112の入力端に接続され、整流部112の出力端は負荷113に接続されている。負荷113に供給される電圧及び電流は、出力電力検知手段115によって検知され、その検知信号は受電装置側制御部114に出力される。
また、一次コイルユニット105は地上に敷設され、電源箱103は、例えば一次コイルユニット105から所定距離だけ離隔した位置に立設される。一方、二次コイルユニット111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107は、受電装置側制御部114からの指令によって位置検知手段116から発生された一定周波数の高周波磁界を受信する位置検知手段109の受信磁界レベルから、一次コイルユニット105と二次コイルユニット111の位置関係を把握する。適切な位置関係にあると判断されたときには、制御部107は、無線通信を通じて受電装置側制御部114へ通知を行う。
受電装置側制御部114は、車両の制御装置(図示せず)へ有線通信を行い、充電可能であることを伝達する。車両の制御装置(図示せず)は、充電可能であるとの通知を受け取り、かつ使用者の操作を検知すると、受電装置側制御部114に対して、充電開始指令を出力する。
受電装置側制御部114は、検知した負荷113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107に送信する。制御部107は、出力電力検知手段115で検知された電圧、電流で演算される出力電力を、無線通信によって受電装置側制御部114から受信しつつ、出力電力と電力指令値とを比較し、所定の出力電力が得られるようにインバータ部104を駆動して給電電力を調製する。
給電中、受電装置側制御部114は受電電力を検知し、負荷113に過電流や過電圧がかからないように、制御部107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101から受電装置110に給電するに際し、二次コイルユニット111は、車両を適宜移動させることで一次コイルユニット105に対向して配置され、制御部107がインバータ部104を駆動制御することで、一次コイルユニット105と二次コイルユニット111との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置110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113を充電する。
異物検知手段106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101の一次コイルユニット105に設けられる。なお、異物検知手段106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106のブロック図である。異物検知手段106は、異物との間の静電容量を測定する静電容量検知方式センサであって、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106は、電極117と、電圧供給部118と、C/V変換部119と、信号処理部120とを備える。
異物検知手段106(その電極117)は、具体的には、図4に示されるように、一次コイルユニット105のカバー121の裏側に設置されている。一次コイルユニット105のカバー121は、一次コイル122を保護するために、一次コイル122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106の電極117は、カバー121上に存在する異物123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121の裏側、すなわち、カバー121と一次コイル122との間に設置されている。
なお、異物検知手段106の電極117は、外部に露出しないようにカバー121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106の電圧供給部118は、グラウンド(GND)電位を基準とする所定の電位を電極117に印加する。これにより、電極117と異物123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 2015008549
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117と異物123の対極する最小面積、dは電極117と異物123の間の距離である。
異物検知手段106のC/V変換部119は、静電容量C1を電圧値に変換する。ここでは、異物123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119は変換する。
異物検知手段106の信号処理部120は、C/V変換部119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101の制御部107に送信する。
制御部107は、出力された信号と、内部に設定している異物有無の判定しきい値を比較し、異物有無の判定しきい値を検知出力信号が超えている場合、異物があると判断して、異物あり時の所定の動作モードに移行する。すなわち、制御部107は、異物有無判定手段でもある。
このような構成において、異物123が電極117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106の静電容量の測定値が増加し、異物123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106を適当に設ければ、給電装置101のカバー121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5及び図6は、異物検知手段106の電極117の構成例を示す外観図である。異物検知手段106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122とほぼ同様の範囲に設けた電極117を使用して異物の侵入検知を行う。
電極117自体にも一次コイル122の磁束により、渦電流が流れて昇温等の不具合が発生するが、図5に示されるように、電極117に切れ目124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6に示されるように、複数の分割した電極117を一次コイル122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6のように複数の電極117を分割配置した場合、電極117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117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。
次に、図7(A)および図7(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7(A)のフローチャートのステップS1において、受電装置110を搭載した車両が、その二次コイルユニット111が一次コイルユニット105に対向するように停止する。
その際、制御部107は、受電装置側制御部114からの指令によって位置検知手段116から発生された一定周波数の高周波磁界を受信する位置検知手段109の受信磁界レベルから、一次コイルユニット105と二次コイルユニット111の位置関係を把握する。適切な位置関係にあると判断した場合には、ステップS2において、異物検知手段106が静電容量測定動作を開始し、異物検知手段106の測定した静電容量は制御部107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106の静電容量測定部分には、電極117が用いられており、一次コイルユニット105を覆うカバー121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。
ステップS3において、位置検知手段109、116の受信磁界レベルから、制御部107が一次コイルユニット105と二次コイルユニット111間の距離が大きいと判断した場合、あらかじめ記憶されているデータテーブルに基づいて、異物有無判定しきい値を補正する。これは、給電時に一次コイル122から発生する高周波磁界が大きくなって、その影響により検知誤差が大きくなること、異物検知手段106に二次コイルユニット111が遠ざかるため、その金属部品の影響が小さくなることを補正することを目的としている。そのため、一次コイルユニット105と二次コイルユニット111間の距離が大きければ大きいほど、補正された異物有無判定しきい値が大きくなるといった比例関係の補正ではなく、データテーブルとして制御部107が保持することが必要になる。
このデータテーブルは、一次コイルユニット105と二次コイルユニット111の位置関係、すなわち位置検知手段109、116の受信磁界レベルに応じて設定されており、受電装置、給電装置の状態に応じて異物の有無の判定しきい値を変更することになる。
その後、ステップS4において、制御部107は、受電装置側制御部114から電力指令値を受信すると、インバータ部104に電力伝送開始を指示し、一次コイルユニット105から二次コイルユニット111への電力供給を開始する。
ステップS5においては、制御部107は、受電装置側制御部114から受信した出力電力に応じて、あらかじめ記憶されているデータテーブルに基づいて、異物有無判定しきい値を補正する。これは、出力電力や負荷の状態に応じて変化する、一次コイル122からの高周波磁界の周波数と、異物検知手段106の電圧供給部118の動作周波数が近い場合に検知誤差が大きくなること、一次コイル122からの高周波磁界が大きく、出力電力が大きい場合に検知誤差が大きくなることを補正することを目的としている。このデータテーブルは、出力検知手段である出力電力検知手段115の検知出力に応じて設定されている。
ステップS6においては、制御部107が異物検知手段106の電極117による静電容量の測定値(測定静電容量)の初期値からの変化量と異物有無判定しきい値を比較し、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。
ステップS6において、測定静電容量の初期値からの変化量が異物有無判定しきい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S7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S6において、測定静電容量の初期値からの変化量が異物有無判定しきい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S8において、制御部107はインバータ部104に電力伝送を継続させる。
図7(B)のフローチャートは、図7(A)のフローチャートにおけるステップS7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、測定静電容量の初期値からの変化量と異物有無判定二次しきい値との比較をして、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。
異物有無判定しきい値に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異物有無判定二次しきい値とする。
ステップS22において、測定静電容量の初期値からの変化量が異物有無判定二次しきい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107が、一次コイルユニット105から二次コイルユニット111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、測定静電容量の初期値からの変化量が異物有無判定二次しきい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7(A)のフローチャートのステップS9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S11に移り、制御部107はインバータ部104に電力伝送終了を指示し、一次コイルユニット105から二次コイルユニット111への電力供給を停止し、異物検知手段106は静電容量測定動作を終了する。
ステップS9において、電力伝送の中断指示がない場合、ステップS10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S5に戻り、充電が完了している場合にはステップS11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101は、カバー121上に存在する物体を検知可能な異物検知手段(静電容量検知方式センサ)106を備えているので、一次コイルユニット105と二次コイルユニット111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101の一次コイルユニット105に静電容量検知方式センサ106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110の二次コイルユニット111に静電容量検知方式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101の一次コイルユニット105および受電装置110の二次コイルユニット111に静電容量検知方式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。
なお、図3では、静電容量検知方式センサの静電容量検知方式として、C/V変換部119によって静電容量変化を検知する場合を示したが、これに限定するものではない。例えば、異物がないときの周辺との静電容量と共振するような周波数の電圧を電極117に印加しておき、異物123が近付いたときの静電容量変化によって共振周波数が変化し、電圧振幅が変化することから静電容量変化を検知しても良い。
また、同様に、異物がないときの周辺との静電容量と共振するような周波数の電圧を電極117に印加しておき、異物123が近付いたときの静電容量変化によって共振周波数が変化し、流れる電流が変化することから静電容量変化を検知しても良い。
また、電極117は、カバー121の裏側に配置される構成を示したが、これに限定されるものではない。例えば、電極117がカバー121内部に埋設されるような構成であっても良い。この場合、異物と電極117間の距離を小さく出来るため、検知感度が向上し、さらに安定して異物検知を行うことが出来る。
また、異物検知手段106は、静電容量検知方式センサに限定されるものではない。例えば、一次コイルユニット105のカバー121の内側に接触するようシート状の感温センサを設け、カバー121上の異物温度上昇により異物有無を検知するものであっても良い。
なお、図5及び図6では、電極117が一定の面積を持つ場合を示したが、これに限定するものではない。例えば、一次コイル122から発生する高周波磁界によって渦電流が発生しないよう、帯状の電極を設置して、その端部をループ上にはせず、電気的に開放するようにすれば良い。
また、電極117に細かくスリットを入れて、電気的にはつながっているが、渦電流が流れるループが制限されるような形状であっても良い。
また、図7(A)および図7(B)のフローチャートに示す処理では、異物有無判定しきい値と異物有無判定二次しきい値との2つの判定基準を設けて、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、例えば異物有無判定しきい値と異物有無判定二次しきい値を同一として、1つの判定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。
101 給電装置
106 静電容量検知方式センサ(異物検知手段)
107 制御部(異物有無判定手段)
108 給電電力検知手段(出力検知手段)
109 位置検知手段
110 受電装置
115 出力電力検知手段(出力検知手段)
116 位置検知手段
121 カバー
122 一次コイル

Claims (5)

  1. 受電装置と、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を備え、前記受電装置へと非接触で電力を供給する給電装置と、前記カバー周辺に存在する異物を検知する異物検知手段と、前記異物検知手段の出力に応じて異物の有無を判定する異物有無判定手段とを備え、前記異物有無判定手段は、前記受電装置と前記給電装置の状態に応じて異物の有無の判定しきい値を変更する構成とした非接触電力伝送装置。
  2. 前記受電装置と前記給電装置の位置関係を検知する位置検知手段を備え、前記位置検知手段の検知出力に応じて異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更する構成とした請求項1に記載の非接触電力伝送装置。
  3. 前記給電装置の出力の大きさを検知する出力検知手段を備え、前記出力検知手段の検知出力に応じて異物有無判定手段の異物有無の判定しきい値を変更する構成とした請求項1に記載の非接触電力伝送装置。
  4. 前記異物検知手段は静電容量検知方式センサとした、請求項1から3のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
  5. 前記受電装置の出力電力を検知する出力検知手段を備え、前記出力検知手段の検知出力に応じて異物有無判定手段の異物有無判定しきい値を変更する構成とした請求項1に記載の非接触電力伝送装置。
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