JP2016007087A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触で電力の授受を行う非接触給電装置において、放射ノイズを効果的に抑制する。【解決手段】磁気的結合により受電コイルとの間で非接触で電力の授受を行う送電コイル１２は、所定平面内で渦巻き状に巻回された構造を有している。そして、この送電コイル１２は、その内側端子と直列接続する第１のコンデンサ１３ｉと、その外側端子と直列接続する第２のコンデンサ１３ｏと、を有している。この場合、第１のコンデンサ１３ｉの静電容量Ｃｉと第２のコンデンサ１３ｏの静電容量Ｃｏとの比Ｃｉ／Ｃｏが、所定の関係に設定されている。【選択図】図３

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

従来より、一対のコイルの磁気的結合によって非接触で電力の供給を行う非接触給電装置が知られている（例えば特許文献１参照）。この非接触給電装置は、電気自動車といった電動車両への適用が進められている。例えば、給電スタンドなどの駐車スペースには、交流電源に接続する一方のコイルが設置され、電動車両には、バッテリに接続する他方のコイルが設置されている。そして、駐車スペース側のコイルを一次コイル、電動車両側のコイルを二次コイルとして利用することにより、駐車スペース側の交流電源から車両側のバッテリへと、一方のコイル及び他方のコイルを経由して電力を供給することができる。

特開２０１１−７２０７４号公報

しかしながら、非接触給電装置では、漏洩電流の影響により、これがノイズ源となり、周囲に放射ノイズが現れるという不都合がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、非接触で電力の授受を行う非接触給電装置において、放射ノイズを効果的に抑制するである。

かかる課題を解決するために、本発明の非接触給電装置は、磁気的結合により相手方のコイルとの間で非接触で電力の授受を行うコイルが、所定平面内で渦巻き状に巻回された構造を有している。そして、このコイルは、その内側端子と直列接続する第１のコンデンサと、その外側端子と直列接続する第２のコンデンサと、を有している。この場合、コイルの内径をＤｉ、コイルの外径をＤｏとしたときに、第１のコンデンサの静電容量Ｃｉと第２のコンデンサの静電容量Ｃｏとの比が下式を満たす関係に設定されている。

本発明によれば、コイルの両端にコンデンサをそれぞれ直列接続し、かつ、一対のコンデンサの静電容量比を適切に設定している。これにより、漏洩電流の発生を抑制することができるので、放射ノイズを効果的に抑制することができる。

非接触給電システムの構成を模式的に示すブロック図 漏洩電流の概念を示す説明図 非接触給電システムの構成を概略的に示す回路図 静電容量比と、漏洩電流及び放射ノイズとの関係を示す説明図

図１は、本実施形態に係る非接触給電システムの構成を模式的に示すブロック図である。非接触給電システムは、地上側ユニットである給電装置１００と、車両側ユニットを含む電動車両（以下単に「車両」という）２００とを備え、給電装置１００から非接触で電力を供給し、車両２００に設けられるバッテリ２８を充電するシステムである（非接触給電装置）。

給電装置１００は、車両２００の駐車スペースを備える充電スタンドなどに設置されており、車両２００に対して電力を供給する。この給電装置１００は、電力制御部１１と、送電コイル１２と、無線通信部１４と、制御部１５とを主体に構成されている。

電力制御部１１は、交流電源３００から送電される交流電力を、高周波の交流電力に変換し、送電コイル１２に送電するための回路である。この電力制御部１１は、整流部１１１と、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路１１２と、インバータ１１３と、センサ１１４とを備えている。

整流部１１１は、交流電源３００に電気的に接続され、交流電源からの出力交流電力を整流する。ＰＦＣ回路１１２は、整流部１１１からの出力波形を整形することで力率を改善するための回路であり、整流部１１１とインバータ１１３との間に接続されている。インバータ１１３は、平滑コンデンサやＩＧＢＴ等のスイッチング素子、ＰＷＭ制御回路等を含む電力変換装置であり、制御部１５からの制御信号に基づいて、直流電力を高周波の交流電力に変換し、送電コイル１２に供給する。センサ１１４は、ＰＦＣ回路１１２とインバータ１１３との間に接続され、電流や電圧を検出する。

送電コイル１２は、車両２００側の受電コイル２２に対して非接触で電力を供給するためのコイルであり、金属等の導電体からなる導線を所定平面内で渦巻き状に巻回した構造を有している。この送電コイル１２は、車両２００を駐車する駐車スペースといった目的箇所に設けられており、車両２００が駐車スペースの規定位置に駐車した場合、車両２００側の受電コイル２２の下方に対峙する。

無線通信部１４は、車両２００側に設けられた無線通信部２４と、双方向に通信を行う。無線通信部１４と無線通信部２４との間の通信周波数には、インテリジェンスキーなどの車両周辺機器で使用される周波数より高い周波数が設定されているため、無線通信部１４と無線通信部２４との間で通信を行っても、車両周辺機器は、当該通信による干渉を受けにくい。無線通信部１４及び無線通信部２４との間の通信には、例えば各種の無線ＬＡＮ方式が用いられ、遠距離に適した通信方式が用いられている。

制御部１５は、給電装置１００を制御する機能を担っている。例えば、制御部１５は、電力制御部１１、送電コイル１２及び無線通信部１４を制御する。制御部１５は、無線通信部１４と無線通信部２４との間の通信により、電力供給を開始する旨の制御信号を車両２００側に送信したり、車両２００側からの電力を受給したい旨の制御信号を受信したりする。制御部１５は、センサ１１４の検出電流に基づいて、インバータ１１３のスイッチング制御を行い、送電コイル１２から供給される電力を制御する。この制御部１５としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。

車両２００は、受電コイル２２と、無線通信部２４と、充電制御部２５と、整流部２６と、リレー部２７と、バッテリ２８と、インバータ２９と、モータ３０と、通知部３２とを備えている。

受電コイル２２は、給電装置１００側の送電コイル１２から非接触で電力を受けるためのコイルであり、金属等の導電体からなる導線を渦巻き状に巻回して構造を有している。この受電コイル２２は、例えば、車両２００の底面（シャシ）等で後方の車輪の間といった目的箇所に設けられており、車両２００が駐車スペースの規定位置に駐車されると、給電装置１００側の送電コイル１２の上方に対峙する。

無線通信部２４は、給電装置１００側に設けられた無線通信部１４と、双方向に通信を行う。

整流部２６は、受電コイル２２に接続され、受電コイル２２で受電された交流電力を直流に整流する整流回路により構成されている。

リレー部２７は、充電制御部２５の制御によりオン及びオフが切り変わるリレースイッチを備えている。リレー部２７は、当該リレースイッチをオフにすることで、バッテリ２８を含む強電系と、充電の回路部となる受電コイル２２及び整流部２６の弱電系とを切り離すことできる。

バッテリ２８は、車両２００の電力源であり、例えば複数の二次電池を電気的に接続して構成されている。

インバータ２９は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子、ＰＷＭ制御回路等を含む電力変換装置であり、制御信号に基づいて、バッテリ２８から出力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力をモータ３０に供給する。モータ３０は、例えば三相の交流電動機により構成され、車両２００を駆動させるための駆動源である。

通知部３２は、警告ランプ、ナビゲーションシステムのディスプレイ又はスピーカ等により構成され、車室内のインストルメントパネル等に配置されている。この通知部３２は、充電制御部２５による制御に基づいて、ユーザに対して光、画像又は音等を出力する。

充電制御部２５は、バッテリ２８の充電を制御する機能を担っている。例えば、充電制御部２５は、無線通信部２４及び通知部３２を制御する。充電制御部２５は、無線通信部２４及び無線通信部１４の通信により、電力供給を開始する旨の制御信号を給電装置１００側から受信したり、電力を受給したい旨の制御信号を車両２００側に送信したりする。

また、図示を省略しているが、充電制御部２５は、車両２００全体を制御するコントローラとＣＡＮ通信網で接続されている。当該コントローラは、インバータ２９のスイッチング制御や、バッテリ２８の充電状態（ＳＯＣ）を管理している。充電制御部２５は、コントローラから得られるバッテリ２８のＳＯＣに基づいて満充電を判断した場合に、充電を終了する旨の制御信号を給電装置１００側に送信する。

本実施形態に係る非接触給電システムでは、送電コイル１２と受電コイル２２との間で、電磁誘導作用により非接触状態で高周波電力の送電を行う。言い換えると、送電コイル１２に電圧が加わると、送電コイル１２と受電コイル２２との間に磁気的な結合が生じ、送電コイル１２から受電コイル２２へ電力が供給される。

このような非接触給電システムにおいて、例えば、地上側ユニットである給電装置１００は、交流電源３００から電力が供給されることから、漏洩電流が発生し、この漏洩電流は、図２の破線で示すように、閉ループ内を流れることとなる。そして、この漏洩電流に起因して、これがノイズ源となり周囲に放射ノイズが現れることがある。ここで、給電装置１００による漏洩電流は僅かな量であるが、交流電源３００や給電装置１００といった
構成が大きいと、漏洩電流が流れる閉ループの面積が大きくなるため、放射ノイズのレベルが大きくなるといった不都合がある。また、漏洩電流に起因する放射ノイズは、地上側ユニットによって発生するのみならず、車両２００でも同様に発生する。

図３は、本実施形態に係る非接触給電システムの構成を概略的に示す回路図である。本実施形態では、漏洩電流に起因する放射ノイズの発生を抑制するために、送電コイル１２には、一対のコンデンサ、具体的には、第１のコンデンサ１３ｉ及び第２のコンデンサ１３ｏが接続されている。ここで、第１のコンデンサ１３ｉは、送電コイル１３の内側端子と直列接続され、一方、第２のコンデンサ１３ｏは、送電コイル１３の外側端子と直列接続されている。

ここで、第１のコンデンサ１３ｉ及び第２のコンデンサ１３ｏは、その静電容量の比が下式を満たすように設定されている。

同数式において、Ｃｉは、第１のコンデンサ１３ｉの静電容量であり、Ｃｏは、第２のコンデンサ１３ｏの静電容量である。また、Ｄｉは、送電コイル１２の内径であり、Ｄｏは、送電コイル１２の外径である。

以下、静電容量比の設定概念について説明する。まず、漏洩電流は、下式により求められる。

同数式において、ｉtotalは、送電コイル１２による漏洩電流の合計を示す。ここで、
ωは送電コイル１２の電流周波数に応じた定数であり、εは送電コイル１２と送電コイル１２を格納する筐体との間の誘電率である。ｄはコイルと筐体の底面との距離であり、Ｗは送電コイル１２の素線の外径であり、ｋは送電コイル１２の全巻線数である。Ｖｉは送電コイル１２の内側端子の電圧であり、Ｖｏは送電コイル１２の外側端子の電圧である。

ここで、Ｖｏ＝ＡＶｉとすると、数式３は、下式により示すことができる。

数式４に示す括弧内の式が０のとき、ｉtotalは０になる。このｉtotalが０となるＡは、下式により示される。

また、送電コイル１２は渦巻き形状の平面コイルであり、この場合、Ｗは下式の関係を満たす。

そして、この数式６を、数式５に代入すると、上記Ａは下式により示される。

また、Ｖｏ＝ＡＶｉより、上記Ａは下式によっても示される。

このように、数式７，８に基づいて、第１のコンデンサ１３ｉ及び第２のコンデンサ１３ｏの静電容量比が、数式２により示される。

同様に、受電コイル２２にも、漏洩電流に起因する放射ノイズの発生を抑制するために、一対のコンデンサ、具体的には、第１のコンデンサ２３ｉ及び第２のコンデンサ２３ｏが接続されている。ここで、第１のコンデンサ２３ｉは、送電コイル１３の内側端子と直列接続され、一方、第２のコンデンサ２３ｏは、受電コイル２２の外側端子と直列接続する。この場合、第１のコンデンサ２３ｉ及び第２のコンデンサ２３ｏは、その静電容量の比が、上述した数式２に示す関係を満たすように設定されることとなる。

図４は、静電容量比と、漏洩電流及び放射ノイズとの関係を示す説明図である。同図において、（ａ）は静電容量比Ｃｉ／Ｃｏと漏洩電流との関係（測定値Ｌａ，計算値Ｌｃ）を示し、Ｆｃは、数式２により定まる静電容量比を示す。同図（ａ）に示すように、計測値Ｌａ及び計算値Ｌｃともに、数式２で定義される静電容量比Ｆｃにおいて、漏洩電流が最も抑制されていることが分かる。また、同図において、（ｂ）は静電容量比Ｃｉ／Ｃｏと放射ノイズとの関係を示す。同図（ｂ）に示すように、数式２で定義される静電容量比Ｆｃにおいて、放射ノイズが最も抑制されていることが分かる。

このように本実施形態において、磁気的結合により相手方のコイルとの間で非接触で電力の授受を行うコイルは、所定平面内で渦巻き状に巻回された構造を有している。そして、このコイルは、その内側端子と直列接続する第１のコンデンサと、その外側端子と直列接続する第２のコンデンサと、を有している。この場合、第１のコンデンサの静電容量Ｃｉと第２のコンデンサの静電容量Ｃｏとの比Ｃｉ／Ｃｏが、上記の数式２を満たす関係に設定されている。

かかる構成によれば、コイルの両端にコンデンサをそれぞれ直列接続し、かつ、一対のコンデンサの静電容量比を適切に設定している。これにより、漏洩電流の発生を抑制することができるので、放射ノイズを効果的に抑制することができる。

ここで、本実施形態では、相手方の受電コイル２２を搭載する車両２００に電力を供給する給電装置１００に配置される送電コイル１２に、上記の特徴を備えるコイルが適用されている。

かかる構成によれば、受電コイル２２が配置される給電装置１００では、設備規模が大きいことから、漏洩電流が流れる閉ループの面積が大きく、放射ノイズが大きくなり易いという傾向がある。そのため、このような給電装置１００の送電コイル１２に、上記の構成を適用することで、放射ノイズを有効に抑制することができる。

また、本実施形態では、車両２００に搭載される受電コイル２２にも、上記の特徴を備えるコイルが適用されている。

車両２００側の受電コイル２２でも漏洩電流が発生することから、放射ノイズが発生ることとなる。車両２００側の構成は、給電装置１００のそれと比較して小さいものであるから、放射ノイズの影響も小さいものである。しかしながら、受電車両２００側の受電コイル２２に、上記の構成を適用することで、車両２００における放射ノイズを抑制することができるとともに、非接触給電システム全体での放射ノイズを抑制することができる。

以上、本発明の実施形態にかかる非接触給電装置について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能であることはいうまでもない。

１００ 給電装置
１１ 電力制御部
１２ 送電コイル
１３ｉ 第１のコンデンサ
１３ｏ 第２のコンデンサ
１４ 無線通信部
１５ 制御部
２００ 車両
２２ 受電コイル
２３ｉ 第１のコンデンサ
２３ｏ 第２のコンデンサ
２４ 無線通信部
２５ 充電制御部
２６ 整流部
２７ リレー部
２８ バッテリ
２９ インバータ
３０ モータ
３２ 通知部

Claims (3)

1. 所定平面内で渦巻き状に巻回された構造を有し、磁気的結合により相手方のコイルとの間で非接触で電力の授受を行うコイルと、
   前記コイルの内側端子と直列接続する第１のコンデンサと、
   前記コイルの外側端子と直列接続する第２のコンデンサと、を有し、
   前記第１のコンデンサの静電容量をＣｉ、前記第２のコンデンサの静電容量をＣｏ、前記コイルの内径をＤｉ、前記コイルの外径をＤｏとしたときに、前記第１のコンデンサの静電容量と前記第２のコンデンサの静電容量との比が下式を満たす関係に設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
   
2. 前記コイルは、前記相手方のコイルを搭載する電動車両に電力を供給する地上側ユニットに配置されており、電源から供給される電力によって電圧が印加されると、前記相手方のコイルとの間に磁気的な結合を生じて当該相手方のコイルに電力を供給することを特徴とする請求項１に記載された非接触給電装置。
3. 前記コイルは、電動車両に搭載されており、当該電動車両に電力を供給する地上側ユニットに配置される前記相手側コイルに電圧が印加されると当該相手側のコイルとの間に磁気的な結合を生じて電力が供給されることを特徴とする請求項１に記載された非接触給電装置。