JP2015023752A - 非接触給電装置用の異物検出装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電性異物がないときに異物検出用のコイルに発生する誘導電圧を低減することができ、これにより導電性異物の有無を検出する異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる非接触給電装置用の異物検出装置と方法を提供する。
【解決手段】送電コイル３と受電コイル４との間に位置する検出コイル１２と、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを検出し、これから送電コイル３と受電コイル４との間に位置する導電性異物７の有無を検出する検出ユニット１４と、を備える。検出コイル１２は、矩形形状に折り曲げられた１つの導電線１３からなり、この導電線１３は、送電コイル３と受電コイル４との間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物７が存在しないときに発生する基準電圧Ｖ０が０又は最小になるように配置されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、非接触給電装置用の異物検出装置と方法に関する。

近年、電動モータと内燃機関を備えたハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が実用化されている。また、電動モータのみを備えた電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）も実用化されている。

電気自動車などに非接触給電を行う非接触給電装置は、給電側の１次コイルと受電側の２次コイルとを磁気結合させて給電側から受電側に非接触で電力を伝送するものである。
かかる非接触給電装置は、例えば特許文献１、２が開示されている。

特許文献１の非接触給電装置は、１次コイルと２次コイルの軸線がそれぞれ鉛直かつ同一軸になっている。この形式の非接触給電装置を「サーキュラー型」と呼ぶ。
また特許文献２の非接触給電装置は、１次コイルと２次コイルの軸線が互いに平行に位置している。この形式の非接触給電装置を「ソレノイド型」と呼ぶ。

非接触給電は、電磁誘導方式、電波方式、磁界共鳴方式の３つの方式に大別される。
電磁誘導方式は、２つの隣接するコイルの一方に電流を流すと発生する磁束を媒体として他方のコイルに起電力が発生する電磁誘導を用いたものである。
電波方式は、電流を電磁波に変換しアンテナを介して送受信するものである。
磁界共鳴方式は、電磁誘導方式と同様に磁束を媒体とするが、電気回路の共振現象を積極的に利用し、コイルに流れる誘導電流を増幅するものである。

上述した非接触給電装置において、金属異物が１次コイルと２次コイルの間に混入した場合、金属異物に渦電流が発生し、ジュール熱により発熱する可能性がある。
そのため、このような異物を検出する非接触給電装置が、例えば特許文献３に開示されている。

特許文献３の非接触給電装置は、上述した電磁誘導方式の非接触給電装置であり、第１のコイルと第２のコイルとの間に第３のコイルを設け、第３のコイルに生じる誘導電圧に基づき、第１のコイルと第２のコイルとの間の異物を検出するものである。

特開２０１０−２２６８８９号公報 特開２０１３−９０３９２号公報 特開２０１２−２４９４０１号公報

第１のコイルと第２のコイルとの間に第３のコイルを設け、第３のコイルに生じる誘導電圧を検出する場合、第１のコイルと第２のコイルとの間に異物が存在しない状態でも誘導電圧が発生する。
そのため、異物がないときの誘導電圧の存在により、第３のコイルによる異物の検出が困難又は誤検出する可能性があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、導電性異物がないときに異物検出用のコイルに発生する誘導電圧を低減することができ、これにより導電性異物の有無を検出する異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる非接触給電装置用の異物検出装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルと、
前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する検出ユニットと、を備え、
前記検出コイルは、矩形形状に折り曲げられた１つの導電線からなり、
前記導電線は、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物が存在しないときに発生する誘導電圧が０又は最小になるように配置されている、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出装置が提供される。

複数の前記検出コイルが、同一平面上において互いに重ならずかつ平行に位置する。

前記検出ユニットは、検出コイルに発生する誘導電圧を検出する検出部と、検出された誘導電圧を導電性異物が存在しないときの基準電圧と比較して導電性異物の有無を判定する判定部とを有する。

また、本発明によれば、送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルを、矩形形状に折り曲げられた１つの導電線で構成し、
前記導電線を送電コイルと受電コイルとの間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物が存在しないときに前記検出コイルに発生する誘導電圧が０又は最小になるように配置し、
前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出方法が提供される。

前記検出コイルを前後ないし左右に並行移動、もしくは垂直軸まわりに回転させつつ、検出コイルに発生する誘導電圧を計測し、前記誘導電圧の計測値が０又は最小になる位置と回転角に位置決めする。

上記本発明の装置と方法によれば、送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルを備えることによって、送電コイルと受電コイルの間又はその近傍に導電性異物が混入した場合に誘導電圧を生じさせることが可能になる。
また、検出コイルが矩形形状に折り曲げられた１つの導電線からなり、この導電線は、送電コイルと受電コイルとの間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物が存在しないときに発生する誘導電圧が０又は最小になるように配置されているので、導電性異物がないときに検出コイルに発生する誘導電圧（すなわち基準電圧）は０又は最小になる。
従って、導電性異物がないときに検出コイルに発生する誘導電圧（すなわち基準電圧）を低減することができ、これにより異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる。

本発明の異物検出装置を備えた非接触給電装置の構成図である。 導電性異物が混入した場合の説明図である。 本発明の第１実施形態による検出コイルの構成図である。 本発明の第２実施形態による検出コイルの構成図である。 本発明の異物検出方法のフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の異物検出装置１０を備えた非接触給電装置２の構成図である。本発明の異物検出装置１０は、非接触給電装置用の異物検出装置１０である。
この図において、非接触給電装置２は、送電コイル３から受電コイル４に非接触に給電を行う。

また、この図における非接触給電装置２は、交流電源２ａ、送電側整流器２ｂ、インバータ２ｃ、及び送電コイル３を有する。送電側整流器２ｂは、交流電源２ａからの交流電力を直流電力に変換する。インバータ２ｃは、送電側整流器２ｂからの直流電力を高周波の交流電力に変換する。送電コイル３は、インバータ２ｃからの交流電力により高周波の磁界を発生させ、この磁界により受電コイル４に交流電力を生じさせる、つまり非接触で給電が行われる。

さらに、受電装置１は、受電コイル４、受電側整流器５、及び車載バッテリ６を有する。受電コイル４に生じた交流電力は、受電側整流器５で直流電力に変換される。この直流電力は車載バッテリ６に充電される。

図２は、導電性異物７が混入した場合の説明図である。
送電コイル３と受電コイル４との非接触給電は、例えば図２（Ａ）に示すように、送電コイル３に電流を流すことによって磁束（この例においては上向きの磁束）を発生させ、これによって受電コイル４に誘導電流を発生させることによって行われる。

ここで、図２（Ｂ）に示すように、例えば送電コイル３と受電コイル４の間又はその近傍（具体的には、車両の下であって送電コイル３に流れる電流によって磁束が発生する範囲内）に導電性異物７が混入した場合、この導電性異物７に磁束が通ることになる。この場合、図２（Ｃ）に示すように、導電性異物７に渦電流が発生し、ジュール熱によって発熱する可能性がある。
そのため、送電コイル３と受電コイル４の間又はその近傍に導電性異物７が混入した場合には、これを検知する必要があった。

図１において、本発明の異物検出装置１０は、検出コイル１２と検出ユニット１４を備える。

図３は、本発明の第１実施形態による検出コイル１２の構成図である。
この例における送電コイル３及び受電コイル４は、水平方向に延びる鉄芯３ａ、４ａを中心に巻かれている。なお本発明はこれに限定されず、送電コイル３及び受電コイル４が垂直方向に延びる鉄芯３ａ、４ａを中心に巻かれてもよい。

検出コイル１２は、図３に示すように、送電コイル３と受電コイル４との間に位置するコイルであり、この例においては、水平方向に対して矩形形状に折り曲げられた１つの導電線１３からなる。１つの導電線１３の両端部１３ａ、１３ｂは、図示しない信号線を介して検出ユニット１４に接続されている。この信号線は、磁界の影響を受けないように配置する。
この検出コイル１２は、送電コイル３又は受電コイル４に近接した位置に設けることが好ましいが、送電コイル３と受電コイル４の中間位置に設けてもよい。

また、図３における検出コイル１２は、１つの導電線１３が、送電コイル３と受電コイル４との間に発生する互いに反対方向の磁束（図で上向きと下向き）を等量含むように囲み、導電性異物７が存在しないときに発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように配置されている。
すなわち、送電コイル３と受電コイル４との間には、矩形形状の内部に上方向への磁束（図中の右側の磁束）と、下方向への磁束（図中の左側の磁束）とが存在している。そのため、矩形形状の内部において上方向への磁束と下方向の磁束とが等量含まれるように検出コイル１２を設けることにより、磁束の向きも考慮すると導電線１３で囲まれた領域内での磁束の和が０又は最少になる。
この構成によって、導電性異物７が存在しない場合においては、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）を０又は最小にすることができる。

この例におけるように、送電コイル３及び受電コイル４が、水平方向に延びる鉄芯３ａ、４ａを中心に巻かれており、かつ左右対称な形状を有している場合には、図３中のＡ−Ａ’軸の左右に上方向への磁束（図中の右側の磁束）と、下方向への磁束（図中の左側の磁束）とが対称に発生するので、導電線１３の矩形形状の中心がＡ−Ａ’軸上にあり、かつ矩形形状がＡ−Ａ’軸の左右に対称となるように検出コイル１２を設ければよい。

なお、図１に示すように車両用の非接触給電装置２においては、送電コイル３は、地面側に設けられており、受電コイル４は、車両の底部に設けられている。
そのため、この場合における導電性異物７は、送電コイル３の上（又はその近傍）に位置して混入する場合が多い。従ってこれを考慮して、送電コイル３に近い位置に検出コイル１２を設けることが好ましい。

検出ユニット１４は、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを検出し、これから送電コイル３と受電コイル４との間に位置する導電性異物７の有無を検出する。

検出ユニット１４は、好ましくは、記憶装置と演算装置を含むコンピュータ（ＰＣ）であり、検出部１４ａと判定部１４ｂを有する。
検出部１４ａは、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを検出する。
判定部１４ｂは、検出された誘導電圧Ｖを導電性異物７が存在しないときの基準電圧Ｖ０と比較して導電性異物７の有無を判定する。
導電性異物７が存在しないときの基準電圧Ｖ０は、記憶装置に予め記憶するのがよい。

上述した構成により、検出コイル１２に誘導電圧Ｖが生じたことを検知することが可能になり、送電コイル３と受電コイル４の間又はその近傍に導電性異物７が混入した場合に、これを検知することができる。

図４は、本発明の第２実施形態による検出コイル１２の構成図である。
図４は４個の検出コイル１２が存在する場合を例示し、それぞれの検出コイル１２は１つの導電線１３からなる。
それぞれの導電線１３は、送電コイル３と受電コイル４との間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物７が存在しないときに発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように配置されている。
また、この例における４個の検出コイル１２は、同一平面上において互いに重ならずかつ平行に位置している。

すなわち、送電コイル３と受電コイル４との間の検出コイル１２には、その矩形形状の内部に上方向への磁束（図中の右側の磁束）と、下方向への磁束（図中の左側の磁束）とが存在している。そのため、矩形形状の内部において上方向への磁束と下方向の磁束とが等量含まれるように、それぞれの検出コイル１２を設ける。
この構成によって、導電性異物７が存在しない場合においては、それぞれの検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）を０又は最小にすることができる。

上述の構成によれば、複数の検出コイル１２が存在するので、どの検出コイル１２が導電性異物７を検出したかを判別することにより、送電コイル３と受電コイル４との間に導電性異物７が存在しているか否かのみではなく、水平方向おけるどの位置に存在しているのかを検知することが可能になる。
なお、この実施形態においては、検出コイル１２ごとに電圧計測を行う必要があるため、それぞれに検出ユニット１４を設けるか、複数個所の電圧計測が可能な検出ユニット１４を用いる必要がある。さらに、判定部１４ｂは、検出コイル１２ごとの電圧変化について検知する必要がある。

この例におけるように、送電コイル３及び受電コイル４が、水平方向に延びる鉄芯３ａ、４ａを中心に巻かれており、かつ左右対称な形状を有している場合には、図４中のＢ−Ｂ’軸の左右に上方向への磁束（図中の右側の磁束）と、下方向への磁束（図中の左側の磁束）とが対称に発生する。従ってこの場合には、それぞれの導電線１３の矩形形状の中心がＢ−Ｂ’軸上にあり、かつ矩形形状がＢ−Ｂ’軸の左右に対称となるようにそれぞれの検出コイル１２を設ければよい。
すなわち、それぞれの検出コイル１２は平行に位置している。さらに、これらの複数の検出コイル１２を互いに重ならないように配置することにより、導電性異物７の水平方向の位置を有効に識別することが可能になる。

図５は、本発明の異物検出方法のフローチャートである。
本発明の異物検出方法は、Ｓ１〜Ｓ４の各ステップ（工程）からなる。この方法における検出コイル１２は、矩形形状に折り曲げられた１つの導電線１３で構成されており、導電線１３は送電コイル３と受電コイル４との間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲む。

ステップＳ１では、送電コイル３と受電コイル４との間に検出コイル１２を位置決めする。より詳しくは、検出コイル１２を前後ないし左右に微小量の並行移動、もしくは垂直軸まわりに微小に回転させつつ、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを計測し、誘導電圧Ｖの計測値が０又は最小になる位置と回転角に位置決めする。以降、検出コイル１２の位置と回転角は固定しておく。
なお、位置決めした位置と回転角において検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）を計測し記憶する。

検出コイル１２の導電線１３は、送電コイル３と受電コイル４との間に発生する互いに反対方向の磁束（図で上向きと下向き）を等量含むように囲み、導電性異物７が存在しないときに検出コイル１２（すなわち、導電線１３の端部１３ａ−１３ｂ間）に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように配置されている。しかし、非接触給電装置２で発生する磁界が例えば周囲に存在する物質の影響で微小変化すると、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）は厳密には０又は最小からずれてしまう。ステップＳ１を実施することにより、磁界の微小変化があっても、誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が厳密に０又は最小となる位置と回転角に検出コイル１２を設置できる効果がある。

ステップＳ２では、検出コイル１２に生じる誘導電圧Ｖを検出する。

ステップＳ３では、ステップＳ２によって検出した誘導電圧Ｖから送電コイル３と受電コイル４との間の導電性異物７の有無を判断する。
具体的には、例えば、ステップＳ２において計測した誘導電圧Ｖと、ステップＳ１において計測した基準電圧Ｖ０との差が、所定の閾値を超えた場合に、送電コイル３と受電コイル４との間に導電性異物７が存在するものと判断する。

このステップＳ３において導電性異物７が存在すると判断した場合には、給電を停止する（ステップＳ４）。

上述した本発明の装置と方法によれば、送電コイル３と受電コイル４との間に位置する検出コイル１２を備えることによって、送電コイル３と受電コイル４の間又はその近傍に導電性異物７が混入した場合に誘導電圧Ｖを生じさせることが可能になる。
また検出コイル１２が矩形形状に折り曲げられた１つの導電線１３からなり、この導電線１３は、送電コイル３と受電コイル４との間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物７が存在しないときに発生する誘導電圧Ｖが０又は最小になるように配置されているので、導電性異物７がないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）は０又は最小になる。
従って、導電性異物７がないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）を低減することができ、これにより異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。例えば、本発明は磁界共鳴方式に限られず、電磁誘導方式等の非接触給電の他の方式にも適用可能なものである。また、送電コイル３及び受電コイル４の鉄心の有無に限定されない。

Ｖ 誘導電圧、Ｖ０ 基準電圧、
１ 受電装置、２ 非接触給電装置、２ａ 交流電源、
２ｂ 送電側整流器、２ｃ インバータ、
３ 送電コイル、３ａ 鉄芯、４ 受電コイル、４ａ 鉄芯、
５ 受電側整流器、６ 車載バッテリ、７ 導電性異物、
１０ 異物検出装置、１２ 検出コイル、１３ 導電線、
１３ａ 端部、１３ｂ 端部、
１４ 検出ユニット（コンピュータ）、
１４ａ 検出部、１４ｂ 判定部

Claims (5)

1. 送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルと、
   前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する検出ユニットと、を備え、
   前記検出コイルは、矩形形状に折り曲げられた１つの導電線からなり、
   前記導電線は、前記送電コイルと前記受電コイルとの間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物が存在しないときに発生する誘導電圧が０又は最小になるように配置されている、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出装置。
2. 複数の前記検出コイルが、同一平面上において互いに重ならずかつ平行に位置する、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置用の異物検出装置。
3. 前記検出ユニットは、検出コイルに発生する誘導電圧を検出する検出部と、検出された誘導電圧を導電性異物が存在しないときの基準電圧と比較して導電性異物の有無を判定する判定部とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置用の異物検出装置。
4. 送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルを、矩形形状に折り曲げられた１つの導電線で構成し、
   前記導電線を送電コイルと受電コイルとの間に発生する互いに反対方向の磁束を等量含むように囲み、導電性異物が存在しないときに前記検出コイルに発生する誘導電圧が０又は最小になるように配置し、
   前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出方法。
5. 前記検出コイルを前後ないし左右に並行移動、もしくは垂直軸まわりに回転させつつ、検出コイルに発生する誘導電圧を計測し、前記誘導電圧の計測値が０又は最小になる位置と回転角に位置決めする、ことを特徴とする請求項４に記載の非接触給電装置用の異物検出方法。

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