JP2015164368A

JP2015164368A - 異物検出装置、送電装置、受電装置、および無線電力伝送システム

Info

Publication number: JP2015164368A
Application number: JP2014039460A
Authority: JP
Inventors: 脩平新明; Shuhei Shinmyo; 宏餅川; Hiroshi Mochikawa; 晃久松下; Akihisa Matsushita; 竹内　文章; Fumiaki Takeuchi; 文章竹内
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-02-28
Filing date: 2014-02-28
Publication date: 2015-09-10

Abstract

【課題】簡易な構成でコイル間の異物を精度よく検出でき、金属だけでなく、動物等も検出できるようにすること。【解決手段】異物検出装置１０３は、送電装置１０１から受電装置１０２へ非接触の状態で電力を共振により無線で伝送する無線電力伝送システムに適用され、送電装置１０１に備えられる送電コイル１１と受電装置１０２に備えられる受電コイル１２との間の領域の温度を検出する赤外線温度センサ２５を備え、赤外線温度センサ２５の検出結果に基づいてコイル間の異物を検出するものである。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、コイル間の異物を検出する異物検出装置、送電装置、受電装置、および無線電力伝送システムに関する。

送電コイルと受電コイルとを使用し無線により非接触で電力を伝送する無線電力伝送システムは、電極の露出がなく摩耗による性能劣化がないこと、水分の多い環境でも安全に伝送できることなど、多くの利便性を有する。そのため、近年ではＩＣカード、携帯電話、電動歯ブラシ、シェーバーなど多くの機器に採用されている。近年では、電気自動車（ＥＶ）などにも応用して、数ｋＷオーダーの電力を伝送することで、コネクタを接続せずに充電できるシステムの実現を目指して開発が行われている。

図６に一般的な無線電力伝送システムの概略構成を示す。

図６に示すように、送信側は、送電回路１、周波数制御装置２、および送電用コイル３を備え、受電側は、受電用コイル４および受電回路５を備えている。受電回路５には負荷Ｌが接続される。

送信側では、送電回路１が周波数制御装置２により設定された周波数に応じた高周波電力を生成し、送電コイル３を通じて共振により電力を無線で受電側へ伝送する。受電側では、受電回路５が送信側の送電コイル３から伝送されてくる電力を、受電コイル４を通じて受電し、受電した電力を負荷Ｌに供給する。

送電コイル３および受電コイル４は、それぞれ導体を巻いて構成され、対向して配置される。この場合、コイル間には異物が入らないことが望ましい。

もしコイル間に金属が入りこんだ場合、誘導加熱によって金属が発熱してしまう。それと同時に伝送した電力が熱エネルギーに変換されてしまうため、伝送効率が低下してしまう。更には、金属だけでなく猫などの動物が入り込むことも考えられる。

このようなことから、無線電力伝送システムにおいてコイル間の異物を検出することは重要なことである。

特開２０１０−１１９２４６号公報

異物を検出する技術としては、送電と受電の電力差が大きい場合や、伝送効率が低下する場合に、異物があると判定する手法がある。しかし、このような手法は、金属が入り込んだ場合には有効であるが、大容量無線電力伝送における周波数帯域は水に吸収されない帯域であるため、動物が進入した場合には電磁波が動物に吸収されることはなく、動物を検知できない。更には、電力の差や伝送効率を検出・計算することが必要となり、また、検出・計算において一定以上の精度が要求される。

例えば、コイル間の伝送効率は、コイル間の結合係数ｋとコイルのＱ値によって決まり、ｋ、Ｑが既知の場合は、理論的な伝送効率が求まることから、実際の伝送効率と比較して、そこに乖離がある場合に異物があるものとみなすことができる。また、送電電力と受電電力の間に乖離がある場合も同様である。

しかしながら、そのような手法は判定が電力に基づくものであるため、理論的な伝送効率が正確に求まっていること、送電電力、受電電力を精度よく検出できることが必要である。既述のように、ｋ、Ｑが既知である場合は理論効率を求めることができるが、未知の場合は不可能である。Ｑはコイル特有のものなので、ある程度把握することが可能であるが、温度により変化する特性があり、精度よく検出することは難しい。ｋを送電前に低電圧でスイープすること等によって検出する手法が提案されているが、スイープする時点で異物が混入されていた場合、やはり正確なｋを検出するのは困難である。

更には、高い精度で送電電力、受電電力を検出・計算し、伝送効率を求める必要があるが、現行の効率計測装置では商用周波数で１％未満の精度である。大容量無線電力伝送における周波数帯域は数十〜数百ｋＨｚと高周波であり、より厳しい環境となる。また、数ｋＷの伝送の場合、１％未満の精度でしか効率を検出できないとなると、数十Ｗの損失を計測できないことになり、それが熱に変換されることを考えると、安全性に関して不安が残る。

加えて、上記の電力により異物を検出する手法は、コイル間に金属が混入した場合しか検知することはできない。大容量無線電力伝送における周波数帯域の電磁波は水には吸収されにくく、動物が進入したとしても検出されない。

本発明が解決しようとする課題は、簡易な構成でコイル間の異物を精度よく検出でき、金属だけでなく、動物等も検出することを可能にする異物検出装置、送電装置、受電装置、および無線電力伝送システムを提供することにある。

実施形態によれば、送電装置から受電装置へ非接触の状態で電力を共振により無線で伝送する無線電力伝送システムに適用される異物検出装置であって、前記送電装置に備えられる送電コイルと前記受電装置に備えられる受電コイルとの間の領域の温度を検出する赤外線温度センサを備え、当該赤外線温度センサの検出結果に基づいてコイル間の異物を検出することを特徴とする異物検出装置が提供される。

本発明の実施形態によれば、簡易な構成でコイル間の異物を精度よく検出でき、金属だけでなく、動物等も検出することができる。

本発明の一実施形態に係る無線電力伝送システムの構成の一例を示す図。同実施形態における赤外線温度センサの一配置例を示す図。同実施形態における赤外線温度センサの別の配置例を示す図。同実施形態における判定部の構成の一例を示す図。同実施形態における動作の一例を示すフローチャート。一般的な無線電力伝送システムの構成を示す図。

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る無線電力伝送システムの構成の一例を示す図である。

図１に示されるように、無線電力伝送システムは、送電装置１０１と受電装置１０２とを含む。送電装置１０１は、例えば駐車場などに設置される。一方、受電装置１０２は、例えば電気自動車（ＥＶ）などの車両に設置される。

送電装置１０１は、電源部２１および送電部２２を有する。送電部２２は、送電コイル１１を備えている。一方、受電装置１０２は、受電部２３および電力蓄電部（バッテリ）２４を有する。受電部２３は、受電コイル１２を備えている。

送電装置１０１側では、電源部２１から供給される高周波電力を送電部２２が送電コイル１１を通じて共振により電力を無線で受電装置１０２側へ伝送する。受電装置１０２側では、受電部２３が送信装置１０１側の送電コイル１１から伝送されてくる電力を、受電コイル１２を通じて受電し、受電した電力を電力蓄積部２４に供給する。

また、本実施形態の無線電力伝送システムには、コイル間の異物を検出するための機能である異物検出装置１０３が設けられる。異物検出装置１０３は、赤外線温度センサ２５、温度検出部２６、判定部２７を含み、また、送電操作部２８、通知部２９を更に含むものとしてもよい。異物検出装置１０３を構成する機能の全てもしくはその一部は、１つのユニットに収めた形で送信装置１０１もしくは受電装置１０２に備えるようにしてもよいし、あるいは単独で所定の場所に設置するようにしてもよい。

赤外線温度センサ２５は、１つまたは複数のセンサからなり、例えば送電コイル１１と受電コイル１２の少なくともいずれか一方に設置される。この赤外線温度センサ２５は、送電コイル１１と受電コイル１２との間の所定領域内の温度分布を捉え、アナログ信号として温度検出部２６へ送り出す。なお、赤外線温度センサ２５の設置にあたっては、赤外線温度センサ２５をコイル１１，１２に直接取り付けるのではなく、赤外線温度センサ２５を支持する別の部材をコイルに取り付けることにより、赤外線温度センサ２５がコイル１１，１２から離間した状態となるように設置してもよい。

赤外線温度センサ２５の具体的な配置例を、図２および図３に示す。

例えば図２に示されるように送電コイル１１と受電コイル１２のそれぞれに単一のセンサを設ける形態としてもよい。但し、この場合は広範囲の面計測が可能なセンサを採用し、サーモグラフィ等の形態で温度分布情報を得られるようにすることが望ましい。このようにすると、異物をより一層高精度に捉えることが可能となる。

また、図３に示されるように送電コイル１１と受電コイル１２のいずれか一方に複数のセンサを平面状に設ける形態としてもよい。この場合、面計測を行う高価なセンサを用いるのではなく、点計測を行うセンサを複数個用いる。また、複数個のセンサは、平面状に均等な間隔をおいて配置する。このようにすると、コストを抑えつつ、広範囲を計測でき、サーモグラフィ等の形態に近い温度分布情報を得ることができる。また、センサの数を増やすことにより、一層精度の高い温度分布情報を得ることができる。

なお、複数のセンサを配置する位置は、図３の例に限られない。所定領域内の温度分布を捉えることができるのであれば、例えば送電コイル１１の四隅に配置するようにしてもよい。以下では、赤外線温度センサ２５が図３のように複数のセンサが平面状に均等な間隔をおいて配置されているものとして説明する。

温度検出部２６は、赤外線温度センサ２５を構成する各センサから送らてくる温度分布のアナログ信号をデジタル信号に変換して判定部２７へ送り出す。

判定部２７は、温度検出部２６から送られてくる温度分布のデジタル信号に基づき、コイル間に異物があるか否かを判別する。

この判定部２７は、２つの判定機能を備えている。第１の判定機能は、所定領域内の温度分布の中に異常な温度を示す部分が存在するか否かを、異常温度の判定基準となる閾値（異常温度検出閾値）を用いて判別し、存在する場合にコイル間に異物があると判定する機能である。第２の判定機能は、所定領域内の温度分布の中に一定以上の温度の偏りが存在するか否かを、温度偏在の判定基準となる閾値（温度偏在検出閾値）を用いて判別し、存在する場合にコイル間に異物があると判定する機能である。この第２の判定機能においては、例えば、温度検出部２６から送られてくる情報から、各センサにより検出される所定領域内の各部の温度の平均値を求め、その平均値に上記温度偏在検出閾値をマージンとして加算した値を超える温度の部分が存在するか否かを判別し、存在する場合にコイル間に異物があると判定するように構成してもよい。

送電操作部２８は、判定部２７の判定結果に応じて、送電部２２による送電の開始、中止、再開等の操作を行う。例えば、送電開始前において判定部２７によりコイル間に異物が無いと判定された場合に、送電を開始させる。また、送電中において判定部２７によりコイル間に異物があると判定された場合には、送電を中止させる。また、送電中止後に、判定部２７によりコイル間に異物がないと判定された場合には、送電を再開させる。なお、送電操作部２８から送電部２２への通信は、有線と無線のいずれを用いてもよい。

通知部２９は、判定部２７によりコイル間に異物があると判定された場合に、異物があることを音声（アラーム音、アナウンス等）もしくは表示（ディスプレイ画面、ＬＥＤ、ランプ等）により周囲に通知する。

なお、前述の判定部２７で使用する異常温度検出閾値や温度偏在検出閾値については、以下のように変形実施してもよい。

ｉ）それぞれの閾値をアラーム音等発生用の閾値と送電停止用の閾値とに分ける
アラーム音等による通知は、送電を実際に停止する前に行うことが望ましい。そのため、異常温度検出閾値に関しては、各部の温度のいずれか（もしくは各部の温度の平均値）が例えば８０度を超えたら、送電を維持したままアラーム音等を発生させ、更に、例えば１００度を超えたら送電を停止させるように設定する。温度偏在検出閾値に関しても、同様に設定する。例えば各部の温度のいずれかが、例えば「各部の温度の平均値＋１０度」を超えたら送電を維持したままアラーム音等を発生させ、更に、例えば「各部の温度の平均値＋２０度」を超えたら送電を停止させるように設定する。

ii）それぞれの閾値を送電前と送電中とで変える
コイル間に侵入する動物等の検出は、送電中だけでなく、送電前においても確実に行えるようにすることが望まれる。しかし、コイル間の温度は、送電前は低く、送電後に上昇する傾向にある。そのため、異常温度検出閾値に関しては、送電前と送電中とで閾値を変える。例えば冬場であれば、送電前の異常温度検出閾値を３０度程度に設定することで、コイル間に動物が進入した場合にその体温を検出できるようにし、送電を開始しないようにする。送電後は異常温度検出閾値を例えば１００度に設定する。また、夏場であれば、送電前の異常温度検出閾値を冬場よりも高い例えば４０度程度に設定し、送電後は異常温度検出閾値を例えば１００度に設定する。

なお、上述したｉ）とii）とは、組み合わせて実施してもよい。

図４は、判定部２７の構成の一例を示すブロック図である。

判定部２７は、異常温度判定部４１、平均温度計算部４２、温度偏在検出閾値設定部４３、比較部４４、およびＯＲ処理部４５を備えている。異常温度判定部４１は、前述した第１の判定機能に相当する。また、比較部４４は、前述した第２の判定機能に相当する。

赤外線温度センサ２５を構成する各センサにより計測された温度計測値は、温度検出部２６でアナログ信号からデジタル値に変換された後、ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔＮ（Ｎ：センサの数）として判定部２７に導入される。判定部２７では、ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔＮのそれぞれに対し、二段階の判定を行う。

最初に、異常温度判定部４１が、各センサの温度計測値ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔＮの中に異常な温度を示すものが存在するか否かを、温度偏在検出閾値を用いて判別する。異常温度判定部４１は、異常温度の閾値を超えるものが１つも無ければ、「０」を出力するが、異常温度の閾値を超えるものが１つでもあれば、「１」を出力する。その結果はＯＲ処理部４５へ送られる。

次に、平均温度計算部４２が各センサの温度計測値ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔＮの平均値Ｔ_ａｖｅを算出する。一方で、温度偏在検出閾値設定部４３には、平均値Ｔ_ａｖｅに対する温度偏差の許容幅（マージン）を示す温度偏在検出閾値Ｔ_{ｍａｒｇｉｎ}が予め設定されている。比較部４４は、各センサの温度計測値ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔＮの中に温度偏在を示すものが存在するか否かを、平均値Ｔ_ａｖｅに温度偏在検出閾値Ｔ_{ｍａｒｇｉｎ}を加算した値「Ｔ_ａｖｅ＋Ｔ_{ｍａｒｇｉｎ}」を用いて判別する。比較部４４は、「Ｔ_ａｖｅ＋Ｔ_{ｍａｒｇｉｎ}」を超えるものが１つも無ければ、「０」を出力するが、「Ｔ_ａｖｅ＋Ｔ_{ｍａｒｇｉｎ}」を超えるものが１つでもあれば、「１」を出力する。その結果はＯＲ処理部４５へ送られる。

ＯＲ処理部４５は、異常温度判定部４１と比較部４４の双方から「０」を受けている間は、コイル間に異物は無いものとみなし、「０」を出力するが、異常温度判定部４１と比較部４４の少なくとも一方から「１」を受けた場合には、コイル間に異物があることを示す「１」を出力する。

なお、ここでは点計測を行うセンサを複数個用いた場合を想定しているが、サーモグラフィ等の面計測を行うセンサを１個用いる場合も同様の処理となる。点計測を行うセンサを複数個用いる場合は、センサの数を増やせば計測点の数も同じ数だけ増加し、精度をより高めることが可能となる。サーモグラフィ等の面計測を行うセンサの場合は、分解能がより高いものを採用することにより、精度をより高めることが可能となる。

次に、図５のフローチャートを参照して、本実施形態の動作について説明する。

操作者から運転指令があると（ステップＳ１１）、異物検出装置１０３による送電開始前の温度計測が行われ（ステップＳ１２）、判定部２７が、赤外線温度センサ２５から温度検出部２６を通じて送られてくる温度分布の情報に基づき、異常温度もしくは温度偏在があるか否かを判定する（ステップＳ１３）。

ここで、判定部２７は、異常温度もしくは温度偏在があると判定した場合には、コイル間に異物があるものとみなし、通知部１７がコイル間に異物がある旨の表示等を行う（ステップＳ１８）。この後、操作者から運転再開指令があると（ステップＳ１９）、ステップＳ１２以降の処理が繰り返される。

一方、ステップＳ１３において、判定部２７が、異常温度もしくは温度偏在は無い（温度は正常である）と判定した場合には、コイル間に異物は無いとみなし、送電操作部２８が送電部２２に対して送電を開始させる（ステップＳ１４）。

送電中においても、異物検出装置１０３による温度計測が行われ（ステップＳ１５）、判定部２７が、赤外線温度センサ２５から温度検出部２６を通じて送られてくる温度分布の情報に基づき、異常温度もしくは温度偏在があるか否かを判定する（ステップＳ１６）。

一方、ステップＳ１６において、判定部２７が、異常温度もしくは温度偏在は無い（温度は正常である）と判定した場合には、コイル間に異物は無いとみなし、ステップＳ１５以降の処理が繰り返される。

このように上記実施形態によれば、コストを抑えつつ、簡易な構成により、送電中だけでなく送電前においても動物等を検出ことができ、また、送電中における金属等による温度上昇をも検出することができる。更には、運転をより一層安全なものとすることができる。

以上詳述したように本発明の実施形態によれば、簡易な構成でコイル間の異物を精度よく検出でき、金属だけでなく、動物等も検出することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…送電回路、２…周波数制御装置、３…送電コイル、４…受電コイル、５…受電回路、Ｌ…負荷、１１…送電コイル、１２…受電コイル、２１…電源部、２２…送電部、２３…受電部、２４…電力蓄積部、２５…赤外線温度センサ、２６…温度検出部、２７…判定部、２８…送電操作部、２９…通知部、４１…異常温度判定部、４２…平均温度計算部、４３…温度偏在検出閾値設定部、４４…比較部、４５…ＯＲ処理部、５１…運転指令部、５２…送電前温度計測部、５３…温度判定部、５４…送電開始部、５５…送電中温度計測部、５６…送電中止部、５７…異物検出表示部、５８…運転再開指令部、１０１…送電装置、１０２…受電装置、１０３…異物検出装置。

Claims

送電装置から受電装置へ非接触の状態で電力を共振により無線で伝送する無線電力伝送システムに適用される異物検出装置であって、
前記送電装置に備えられる送電コイルと前記受電装置に備えられる受電コイルとの間の領域の温度を検出する赤外線温度センサを備え、当該赤外線温度センサの検出結果に基づいてコイル間の異物を検出することを特徴とする異物検出装置。
前記赤外線温度センサの検出結果に基づいてコイル間に異物があるか否かを判定する判定手段を更に備えたことを特徴とする請求項１に記載の異物検出装置。
前記判定手段は、
前記赤外線温度センサの検出結果から、所定領域内の温度分布の中に温度が所定値を超える部分が存在するか否かを判別し、存在する場合にコイル間に異物があると判定する手段を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の異物検出装置。
前記判定手段は、
前記赤外線温度センサの検出結果から、所定領域内の温度分布の中に一定以上の温度の偏りが存在するか否かを判別し、存在する場合にコイル間に異物があると判定する手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異物検出装置。
前記判定手段は、
前記赤外線温度センサの検出結果から、所定領域内の各部の温度の平均値を求め、その平均値に一定のマージンを加算した値を超える温度の部分が存在するか否かを判別し、存在する場合にコイル間に異物があると判定する手段を有することを特徴とする請請求項１乃至３のいずれか１項に記載の異物検出装置。
前記判定手段によりコイル間に異物があると判定された場合に、前記送電装置による送電を中止させる送電操作手段を更に具備することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の異物検出装置。
前記判定手段によりコイル間に異物があると判定された場合に、異物があることを音声もしくは表示により通知する通知手段を更に具備することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の異物検出装置。
前記赤外線温度センサは、平面状に配置された複数のセンサからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の異物検出装置。
前記赤外線温度センサは、面計測が可能な単一のセンサからなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の異物検出装置。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の異物検出装置を備えたことを特徴とする送電装置。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の異物検出装置を備えたことを特徴とする受電装置。
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の異物検出装置を備えたことを特徴とする無線電力伝送システム。