JP2015100154A - 非接触電力伝送システム - Google Patents

Abstract

【課題】コイル間にある異物を正確に検知することができる非接触電力伝送システムを提供する。
【解決手段】非接触電力伝送システムは、異物５００を検知する異物検知装置（レーダセンサ１１０）と、送電装置（送電コイル３００）の表面に設けられたマーカ３１０と、制御部（センサＥＣＵ１２０）とを備える。制御部（センサＥＣＵ１２０）は、マーカ３１０の位置と検知した異物５００との相対的な位置関係に基づいて、異物５００の位置を検知する。
【選択図】図４

Description

本発明は非接触電力伝送システムに関する。

従来より、送電装置の送電コイルと受電装置の受電コイルとの間で非接触で電力伝送を行なう、非接触電力伝送システムが提案されている。

国際公開２０１２／０９０３４１号パンフレットは、受電コイルと送電コイルとの間に異物があるか否かを判断するために、異物検知手段が設けられたシステムを提案する。異物検知手段は、赤外線を検知する赤外線センサ、超音波を異物に向けて発信し、その反射波を測定することにより異物までの距離や方向を検知する超音波センサ、電磁波を異物に向けて発信し、その反射波を測定することにより異物までの距離や方向を検知するレーダなどの少なくとも１つを備える。

国際公開２０１２／０９０３４１号パンフレット 特開２０１３−１５４８１５号公報 特開２０１３−１４６１５４号公報 特開２０１３−１４６１４８号公報 特開２０１３−１１０８２２号公報 特開２０１３−１２６３２７号公報

国際公開２０１２／０９０３４１号パンフレットの異物検知手段においては、どの範囲に異物があるかを正確に検知することは困難である。そのため、受電コイルおよび送電コイルの間（コイル間）よりも外側にある送受電の障害にならないものについても検知してしまうなどの問題がある。

本発明の目的は、コイル間にある異物を正確に検知することができる非接触電力伝送システムを提供することである。

本発明は、要約すると、送電装置と、送電装置から非接触で電力を受ける受電装置と、異物を検知する異物検知装置と、送電装置の表面に設けられたマーカと、制御部とを備える非接触電力伝送システムである。制御部は、マーカの位置と検知した異物との相対的な位置関係に基づいて、異物の位置を検知する。

上記構成の非接触電力伝送システムでは、マーカが送電装置の表面に設けられており、マーカの位置は既知である。さらに、マーカとの相対的な位置関係によって異物の位置が検知されるので、異物の位置が正確に検知される。これにより、たとえば、異物が送電装置（の送電コイル）と受電装置（の受電コイル）との間に位置するか否かを正確に検知することができる。

本発明によると、コイル間にある異物を正確に検知することができる。

車両を上方より見た図である。 車両を側方より見た図である。 センサの概略構成を説明するための図である。 実施の形態１に係るセンサによる異物の検知を説明するための図である。 円筒形上のマーカを説明するための図である。 衝立形状のマーカを説明するための図である。 半球形状のマーカを説明するための図である。 実施の形態１において、異物検知のために実行される処理を説明するためのフローチャートである。 蓋の後端部に設けられるマーカの一例を説明するための図である。 実施の形態２に係るセンサによる異物の検知を説明するための図である。 センサの検出領域を説明するための図である。 実施の形態２において、異物検知のために実行される処理を説明するためのフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

［実施の形態１］
図１は、実施の形態に係る非接触電力伝送システムの全体の概要を説明するための図である。非接触電力伝送システム１は、代表的には、車両１０の充電に用いられる。図１は、車両１０を上方より見た図であり、たとえば車両１０の前方に、センサ１００が設けられている。センサ１００は、主に、異物を検知するために用いられる。センサ１００が異物を検知しようとする範囲は、たとえば車両１０の後方の目標検知エリア２００の内側である。目標検知エリア２００は、後述の送電コイル３００および受電コイル４００を含むように設定される。図１において、車両１０の充電のために、車両１０（の受電コイル４００）が送電コイル３００に位置合わせされた状態が示されている。センサ１００は、レーダセンサ１１０とセンサＥＣＵ１２０とを含む。これについては、後に図３を参照して説明する。

図２は、車両１０を側方より見た図である。図２に示すように、送電コイル３００は、地上に配置される。送電コイル３００は、送電装置または送電装置の一部である。受電コイル４００は、車両１０の後方に搭載される。受電コイル４００は、受電装置または受電装置の一部である。なお、送電コイル３００は、たとえばケース（ボビンケース）に、コンデンサ（図示しない）とともに収容される。受電コイル４００も同様に、たとえばボビンケースに、コンデンサとともに収容される。受電コイル４００とコンデンサも、伝送周波数において共振するように設計され、共振強度を示すＱ値は、１００以上であることが好ましい。

非接触電力伝送は、送電コイル３００と受電コイル４００とが対向した（位置合わせされた）状態で行なわれる。非接触電力伝送において、たとえば、送電コイル３００から受電コイル４００に非接触で電力が伝送され、車両１０（のバッテリ）が充電される。

送電コイル３００から受電コイル４００に非接触で電力が伝送されているとき、つまりバッテリの充電中に、送電コイル３００および受電コイル４００の両コイル間に異物があると、充電効率が低下するといった問題が生じる。非接触電力伝送システム１では、充電中にセンサ１００が異物を検知すると、充電が停止される。

ここで、センサ１００が、コイル間の外側にある異物を検知してしまうと、充電効率の低下などの問題が生じないにもかかわらず充電が停止されてしまう。そのため、センサ１００には、異物の位置を正確に把握し、コイル間にある異物を正確に検知することが要求される。

そこで電力伝送システム１において、異物の位置を正確に把握するために、送電コイル３００の上面にマーカが設けられる。そして、マーカの位置と、センサ１００が検知した異物との相対的な位置関係にもとづいて、異物の位置が検知される。マーカは、送電コイル３００の上面以外の、送電コイルの表面に設けられてもよい。たとえば、送電コイル３００が車両１０に搭載され、地上に受電コイル４００に向けて電力伝送がなされるようなケースでは、送電コイル３００の底面にマーカが設けられることとなる。

図３は、センサ１００を説明するための図である。図３に示すように、センサ１００は、異物検知装置であるレーダセンサ１１０と、制御部であるセンサＥＣＵ１２０とを含む。レーダセンサ１１０は、電磁波レーダの機能を利用して対象物をセンシングする。レーダセンサ１１０は、異物を検知するためのミリ波や準ミリ波のレーダビームを、検知エリアに向けて照射する。センサＥＣＵ１２０は、レーダセンサ１１０を制御する。充電ＥＣＵ１３０は、充電ＥＣＵ１３０は、非接触電力伝送システム１に含まれ、車両１０（図１など）の充電動作などを制御する制御部である。充電ＥＣＵ１３０は、たとえば車両１０に搭載されてもよい。。センサＥＣＵ１２０は、充電ＥＣＵ１３０と通信可能に構成され、これによりセンサＥＣＵ１２０は、車両１０の充電の制御も行なうことができる。

図４は、センサ１００による異物５００の検知を説明するための図である。図４に示すように、目標検知エリア２００は、破線の円で囲まれた領域（半径＝ｒ）である。目標検知エリア２００には、送電コイル３００が含まれる。送電コイル３００の上面には、マーカ３１０が設けられる。マーカ３１０は、電磁波をポイントで反射する性質を備えるように構成された突起物であり、レーダセンサ１１０によって検知される。マーカ３１０の形状などについては、後に図５〜図８を参照して説明する。

送電コイル３００の上面は、一辺の長さがＬａの正方形である。ここで、図４に示すようにセンサ１００がＸ＝０となるＸＹ座標を用いると、送電コイル３００と受電コイル４００（図１）との間の領域（以下、「コイル間領域」という場合もある）が、ＸＹ座標で表される。ＸＹ座標のＸ軸およびＹ軸は、正方形の送電コイル３００の上面の辺に沿ってそれぞれ与えられることが好ましい。

実施の形態１において、マーカ３１０は、送電コイル３００の既知の位置、たとえば中央に設けられる。図４において、マーカ３１０は、送電コイル３００の中央からずれた位置にあるように示されているが、これは、車両に搭載されるセンサ１００が、地上に配置される送電コイル３００の位置を正確に把握できないことを説明している。

マーカ３１０の位置および異物５００の位置がレーダセンサ１１０によって検出されれば、マーカ３１０の検出位置基準（ＸＹ座標の原点）とした、異物５００の位置がＸＹ座標で求められる。つまり、異物５００のマーカ３１０に対する位置、換言すれば異物５００の送電コイル３００（の中央）に対する位置が正確に把握される。これにより、センサ１００（のセンサＥＣＵ１２０）は、異物５００の位置を正確に把握することができる。

レーダセンサ１１０は、レーダセンサ１１０からマーカ３１０までの距離Ｒ０と、レーダセンサ１１０を基準としたマーカ３１０の角度θ_０とを検出する。また、レーダセンサ１１０は、レーダセンサ１１０から異物５００までの距離Ｒ１と、レーダセンサ１１０を基準とした異物５００の角度θ１とを検出する。つまり、マーカ３１０および異物５００の位置が、レーダセンサ１１０を原点とした極座標で取得される。レーダセンサ１１０は、異物５００のレーダセンサ１１０に対する速度（相対速度Ｖ１）も検出する。

実施の形態１において、マーカ３１０は、さままざまな形状で、送電コイルの表面（たとえば上面）に設けられる。これについて、図５〜図７を参照して説明する。

図５は、円筒形上のマーカを説明するための図である。図５では、円筒形状のマーカ３１０Ａが、蓋３０１Ａに設けられる。蓋３０１Ａは、送電コイルを収容するボビンケースの蓋であるため、マーカ３１０Ａは、送電コイルの上面に設けられると言える。マーカ３１０Ａは、蓋３０１Ａに一体に形成されてもよい。

図６は、衝立形状のマーカを説明するための図である。図６では、衝立形状のマーカ３１０Ｂが、蓋３０２Ｂに設けられ、または形成される。

図７は、半球形状のマーカを説明するための図である。図７では、半球形状のマーカ３１０Ｃが、蓋３０１Ｃに設けられ、または形成される。

図８は、実施の形態１において、異物検知のために実行される処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、充電時などに所定のメインルーチンから呼び出され、サブルーチンとして実行される。このフローチャートの処理は、図４などに示すセンサＥＣＵ１２０によって実行される。

図４および図８を参照して、はじめに、ステップＳ１０１において、マーカ３１０の検出情報（Ｒ０，θ０）が取得される。次に、ステップＳ１０２において、異物５００の検出情報（Ｒ１，θ１）および相対速度（Ｖ１）が取得される。

ステップＳ１０３において、マーカ３１０の座標変換が行なわれ、マーカ３１０の位置がＸＹ座標で表される。具体的に、ｘ０＝Ｒ０ｓｉｎθ０、ｘ０＝Ｒ０ｃｏｓθ０として算出される。

ステップＳ１０４において、異物５００の座標変換が行なわれ、異物５００の位置がＸＹ座標で表される。このとき、マーカ３１０の検出情報のうちθ０が利用され、異物５００の位置は、ｘ１＝Ｒ１ｓｉｎ｜θ１−θ０｜、ｙ１＝Ｒ１ｓｉｎ｜θ１−θ０｜として算出される。

次に、ステップＳ１０５において、異物５００の相対速度Ｖ１がＶ０を下回るか否かが判断される。Ｖ０は、異物が静止物であるか否かを判別するためのしきい値であり、異物の相対速度がＶ０よりも小さいと静止物として扱われ、異物の相対速度がＶ０以上であると動体物として扱われる。Ｖ１がＶ０を下回る場合（ステップＳ１０５でＹＥＳ）、ステップＳ１０６に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ１０５でＮＯ）、ステップＳ１０９に処理が進められる。

ステップＳ１０６において、Ｙ軸方向におけるマーカ３１０と異物５００との間の距離（｜ｙ０−ｙ１｜）が、送電コイル３００の一辺の半分の長さ（Ｌａ／２）以下であるか否かが判断される。｜ｙ０−ｙ１｜≦（Ｌａ／２）の場合（ステップＳ１０６でＹＥＳ）、異物がコイル間領域にある可能性があると判断され、ステップＳ１０７に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ１０６でＮＯ）、異物はコイル間領域にないと判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ１０６において、Ｘ軸方向におけるマーカ３１０と異物５００との間の距離（｜ｘ０−ｘ１｜）が、送電コイル３００の一辺の半分の長さ（Ｌａ／２）以下であるか否かが判断される。（｜ｘ０−ｘ１｜）≦（Ｌａ／２）の場合（ステップＳ１０７でＹＥＳ）、ステップＳ１０８に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ１０７でＮＯ）、異物はコイル間領域にないと判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ１０８において、コイル間領域に静止物である異物が存在すると判断される。この場合、充電（給電）は停止される。その後、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ１０９において、ＸＹ座標の原点から異物５００までの距離√（ｘ１^２＋ｙ１^２）が目標検知エリア２００の半径ｒ以下であるか否かが判断される。具体的には、距離の二乗（ｘ１^２＋ｙ１^２）が半径の二乗（ｒ^２）以下であるか否かが判断される。（ｘ１^２＋ｙ１^２）≦ｒ^２の場合（ステップＳ１０９でＹＥＳ）、ステップＳ１１０に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ１０９でＮＯ）、異物はコイル間領域にないと判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ１１０において、コイル間領域に動体物である異物５００（侵入物）があると判断される。この場合、充電は停止される。

図８のフローチャートによると、マーカとの相対的な位置関係によって異物の位置が検知される。その結果、異物の位置が正確に検知される。また、異物の相対速度によって侵入物の有無についても判断される。

［実施の形態２］
実施の形態１では、マーカが送電コイルの上面の中央（蓋の中央）に突起形状で配置されている場合について説明した。一方、マーカは、たとえば、蓋の後端部に帯形状に設けられてもよい。

図９は、蓋の後端部に設けられるマーカの一例を説明するための図である。図９では、壁形状のマーカ３１０Ｄは、蓋３０１Ｄの端部、すなわち送電コイル上面の端部に設けられ、または形成される。マーカは、蓋の後端部でなく、蓋の前端部に設けられてもよい。

図１０は、マーカが帯形状に設けられた場合のセンサ１００による異物５００の検知を説明するための図である。送電コイル３００の（蓋の）後端部には、帯形状（長さＬａ）のマーカ３１０Ｄが設けられている。センサ１００によって検出されるマーカ３１０Ｄの位置情報は、距離Ｒ０、角度±θ０となる。異物５００の検出情報は、距離Ｒ１，角度θ１である。

図１１は、センサ１００の検出領域を説明するための図である。図１１に示すように、センサ１００の検出エリアには、送電コイル３００の外側（コイル間領域の外側）の領域Ｉ〜領域ＩＶが含まれる。センサ１００は、異物５００が、送電コイル３００の上面（つまりコイル間領域）にあるか否かだけでなく、領域Ｉ〜領域ＩＶのいずれにあるかを判断することも可能になる。これについては、次に図１２のフローチャートを参照して説明する。

図１２は、実施の形態２において、異物検知のために実行される処理を説明するためのフローチャートである。このフローチャートは、充電時などに所定のメインルーチンから呼び出され、サブルーチンとして実行される。このフローチャートの処理は、図４に示すセンサＥＣＵ１２０によって実行される。

図１０〜図１２を参照して、はじめに、ステップＳ２０１において、マーカ３１０Ｄの検出情報（Ｒ０，θ０）が取得される。次に、ステップＳ２０２において、異物５００の検出情報（Ｒ１，θ１，Ｖ１）が取得される。

ステップＳ２０３において、異物５００の相対速度Ｖ１がＶ０を下回るか否かが判断される。Ｖ１がＶ０を下回る場合（ステップＳ２０３においてＹＥＳ）、ステップＳ２０４に処理が進められる。一方、Ｖ１がＶ０以上の場合（ステップＳ２０３においてＮＯ）、ステップＳ２０７に処理が進められる。

ステップＳ２０４およびステップＳ２０５において、次にそれぞれ説明するように、異物が目標検知エリア２００内にあるか否かが判断される。

ステップＳ２０４において、θ０の絶対値（｜θ０｜）がθ１以下であるか否かが判断される。｜θ０｜≦θ１の場合（ステップＳ２０４でＹＥＳ）、異物が目標検知エリア２００内にある可能性があると判断され、ステップＳ２０５に処理が進めらる。そうでない場合（ステップＳ２０４でＮＯ）、異物は目標検知エリア２００内にないと判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ２０５において、Ｒ１が、（Ｒ０−Ｌａ）以上かつＲ０以下であるか否かが判断される。（Ｒ０−Ｌａ）≦Ｒ１≦Ｒ０の場合（ステップＳ２０５でＹＥＳ）、ステップＳ２０６に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ２０５でＮＯ）、異物は目標検知エリア２００内にないと判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ２０６において、検知エリア２００内に異物（静止物）があると判断され、その後、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ２０７〜ステップＳ２１１において、次にそれぞれ説明するように、異物が領域Ｉ〜領域ＩＶにあるか否かが判断される。ステップＳ２０７およびステップＳ２０８において、異物が領域ＩＩＩ，ＩＶ内にあるか否かが判断される。ステップＳ２０９〜ステップＳ２１１において、異物が領域Ｉ，ＩＩ内にあるか否かが判断される。

ステップＳ２０７において、θ１が（−θ０−α）以上かつ（θ０＋α）であるか否かが判断される。（−θ０−α）≦θ１≦（θ０−α）の場合（ステップＳ２０７でＹＥＳ）、異物が領域ＩＩＩ，ＩＶ内にある可能性があると判断され、ステップＳ２０８に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ２０７でＮＯ）、ステップＳ２０９に処理が進められる。

ステップＳ２０８において、Ｒ１が（Ｒ０−Ｌａ）以上かつＲ０以下であるか否かが判断される。（Ｒ０−Ｌａ）≦Ｒ１≦Ｒ０の場合（ステップＳ２０８でＹＥＳ）、異物が領域ＩＩＩ，ＩＶ内にあると判断され、ステップＳ２１２に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ２０８でＮＯ）、異物は領域ＩＩＩ、ＩＶ内にないと判断され、ステップＳ２０９に処理が進められる。

ステップＳ２０９において、θ０の絶対値（｜θ０｜）がθ１以下であるか否かが判断される。｜θ０｜≦θ１の場合（ステップＳ２０９でＹＥＳ）、異物が領域Ｉ、ＩＩ内にある可能性があると判断され、ステップＳ２１０に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ２０９でＮＯ）、異物は領域Ｉ、ＩＩ内にないと判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ２１０において、Ｒ１がＲ０以上かつ（Ｒ０−２／Ｌａ＋ｒ）以下であるか否かが判断される。Ｒ０≦Ｒ１≦（Ｒ０−２／Ｌ１＋ｒ）の場合（ステップＳ２１０でＹＥＳ）、異物が領域ＩＩ内にあると判断され、ステップＳ２１１に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ２１０でＮＯ）、異物が領域Ｉ内にあると判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ２１１において、Ｒ１が（Ｒ０−Ｌａ／２−ｒ）以上かつ（Ｒ０−Ｌａ）以下であるか否かが判断される。（Ｒ０−Ｌ１／２−ｒ）≦Ｒ１≦（Ｒ０−Ｌａ）の場合（ステップＳ２１１でＹＥＳ）、異物が検知エリア２００内にあると判断され、ステップＳ２１２に処理が進められる。そうでない場合（ステップＳ２１１でＮｏ）、異物は検知エリア２００内にないと判断され、メインルーチンに処理が戻される。

ステップＳ２１２において、侵入物（動体物）があると判断され、その後メインルーチンに処理が戻される。

図１２のフローチャートによると、異物が動体物（侵入物）の場合、異物がコイル間領域だけでなく領域Ｉ〜ＩＶを含めたいずれの領域内にいるかを判断することができる。これにより、たとえば、異物がコイル間領域から領域Ｉ〜ＩＶのいずれかに移動したのであれば、間もなく目標検知エリア２００から出て行くであろうと予測できる。逆に、異物が領域Ｉ〜ＩＶのいずれかに出現したのであれば、間もなくコイル間領域に侵入する可能性があると予測できる。このような異物の挙動の予測を、たとえば、車両の充電制御にフィードバックすることも考えられる。

最後に、本発明の実施の形態について総括する。
図１および図４を参照して、非接触電力伝送システム１は、異物５００を検知する異物検知装置（レーダセンサ１１０）と、送電装置（送電コイル３００）の表面に設けられたマーカ３１０と、制御部（センサＥＣＵ１２０）とを備える。制御部（センサＥＣＵ１２０）は、マーカ３１０の位置と検知した異物５００との相対的な位置関係に基づいて、異物５００の位置を検知する。

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 非接触電力伝送システム、１０ 車両、１００ センサ、１１０ レーダセンサ、１２０ センサＥＣＵ、１３０ 充電ＥＣＵ、２００ 目標検知エリア、３００ 送電コイル、３０１Ａ，３０１Ｃ，３０１Ｄ，３０２Ｂ 蓋、３１０，３１０Ａ，３１０Ｂ，３１０Ｃ，３１０Ｄ マーカ、４００ 受電コイル、５００ 異物。

Claims (1)

1. 送電装置と、
   前記送電装置から非接触で電力を受ける受電装置と、
   異物を検知する異物検知装置と、
   前記送電装置の表面に設けられたマーカと、
   制御部とを備え、
   前記制御部は、前記マーカの位置と検知した異物との相対的な位置関係に基づいて、異物の位置を検知する、非接触電力伝送システム。

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