JP2016025770A - 非接触送受電システム - Google Patents

Abstract

【課題】異物の検知精度が向上した非接触送受電システムを提供する。
【解決手段】非接触送受電システムは、送電装置９０と、送電装置から非接触で電力を受電する受電装置１２０と、送電装置９０および受電装置１２０のいずれか一方に設けられた送信用アンテナ１３０と、送電装置および受電装置のいずれか他方に設けられた受信用アンテナ７０４と、送信用アンテナ１３０からの電磁波が受信用アンテナ７０４で受信された受信強度に基づいて、送電装置９０および受電装置１２０の周辺の異物を検知する検知部として動作する制御部５００，８００とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、非接触送受電システムに関し、特に金属などの異物を検知可能な非接触送受電システムに関する。

従来から、非接触で電力を伝送する送受電システムが提案されている。たとえば、特開２０１４−０３９３６９号公報（特許文献１）は、金属などの異物を検知するための検知コイルを送電装置または受電装置に配置した構成が開示されている。

特開２０１４−０３９３６９号公報 米国特許明細書２０１３／００６９４４１号公報 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

特開２０１４−０３９３６９号公報に開示された異物検知装置は、電磁界によって送受電が行われている最中に、異物の存在によって送受電に使用している電磁界が変化することを検知コイルで検知することによって、金属などの異物を検知している。

しかし、上記の異物検知装置は、検知コイルの近くに異物が存在する場合には感度良く検出可能であるが、検知コイルが樹脂カバーで覆われている場合などに樹脂カバー上に異物が存在するときなど検知コイルと異物との距離が離れた場合には感度が悪くなる。また、異物が薄い金属箔状のものである場合には送電装置の上に異物が存在していても、送電用の磁界の向きが金属箔と平行になるため検知コイルに磁界の変化が表れにくい。

この発明は、上記の問題を解決するためなされたものであって、その目的は、異物の検知精度が向上した非接触送受電システムを提供することである。

この発明は、要約すると、非接触送受電システムであって、送電装置と、送電装置から非接触で電力を受電する受電装置と、送電装置および受電装置のいずれか一方に設けられた送信用アンテナと、送電装置および受電装置のいずれか他方に設けられた受信用アンテナと、送信用アンテナからの電磁波が受信用アンテナで受信された受信強度に基づいて、送電装置および受電装置の周辺の異物を検知する検知部とを備える。

上記構成とすれば、送受電に用いる電磁界の向きや周波数とは別に、異物検知に適する周波数や向きで送信用アンテナから受信用アンテナに電磁波を送信することができる。したがって、異物検知の精度や感度を向上させることができる。

好ましくは、送電装置と受電装置との間では第１の周波数の電磁界によって電力伝送が行なわれ、送信用アンテナから発信される電磁波は、第１の周波数よりも高い第２の周波数の電磁波である。

電磁波は、周波数が高いほど直進性が強く、障害物があると遮られてその先には届かなくなるが、周波数が低いと障害物をある程度回り込むことができる。電力伝送用の電磁界は多少の障害物があっても送電装置から受電装置に届くことが好ましい一方で、異物検知用の電磁波は、異物が存在したときに異物によってさえぎられ、受信強度に変化が生じるほうが検知感度が良い。そこで、第２の周波数（異物検知用）を第１の周波数（送電用）よりも高く設定することにより電力伝送と異物検知を適切に両立させることが可能となる。

好ましくは、受電装置は、巻回軸が水平方向に沿うように配置された送電用コイルを含み、送信用アンテナからは受信用アンテナに向けて放射状に電磁波が放射される。

送電用コイルとは別に設けられた送信用アンテナから異物検知用の電磁波を送信するようにすれば、送電用コイルの横の磁界の向きが水平方向になっている領域に異物があっても、送電用コイルとは別に設けられた送信用アンテナからの電波を受ける受信用アンテナの近傍に異物がある場合には、異物の検出感度を上げることができる。

好ましくは、検知部は、送信用アンテナからの電磁波が受信用アンテナで受信された受信強度に基づいて、受電装置と送電装置との位置合わせのための情報を得るとともに、送電装置および受電装置の周辺の異物を検知する。

このように送信アンテナと受信アンテナを異物の検知だけでなく、送電装置と受電装置との位置合わせにも使用すると、別途に位置合わせのための装置を設けなくても良くなる。

この発明は、他の局面では、車両の受電システムであって、車両外部の送電装置から非接触で電力を受電する受電装置と、受電装置に設けられた送信用アンテナと、送信用アンテナからの電磁波が送電装置に設けられた受信用アンテナで受信された受信強度に基づいて、送電装置および受電装置の周辺の異物を検知する検知部とを備える。

本発明によれば、非接触送受電システムにおいて、異物の検知精度および感度を向上させることができる。

実施の形態１に係る非接触送受電システムの構成を説明するための図である。 図１の異物検知に関する構成をより詳細に説明するための図である。 車両の底面に配置された受電部１００を下から見上げた図である。 地面に配置された送電装置の送電部７００を上から見下ろした図である。 送電部と受電部が電力伝送を行なっている状態を説明するための図である。 異物がない場合の受信信号の強度分布を示した図である。 異物がある場合の受信信号の強度分布を示した図である。 実施の形態２の非接触送受電システムの異物検知に関する構成を説明するための図である。 車両の底面に配置された受電部１００Ａを下から見上げた図である。 地面に配置された送電装置の送電部７００Ａを上から見下ろした図である。 送信用アンテナが単独で受電部に設けられた場合の検知可能範囲を示した図である。 複数の送信用アンテナが受電部に設けられた場合の検知可能範囲を示した図である。 図１２に加えてさらに複数の送信用アンテナが送電部にも設けられた場合の検知可能範囲を示した図である。 送電部に対して受電部の位置が３通りに変化している場合を示した図である。 位置Ｐ１における受信用アンテナの強度分布を示した図である。 位置Ｐ２における受信用アンテナの強度分布を示した図である。 位置Ｐ３における受信用アンテナの強度分布を示した図である。

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。

［非接触送受電システムの基本構成］
図１は、実施の形態１に係る非接触送受電システムの基本構成を説明するための図である。

図１を参照して、非接触送受電システム１は、車両１０と、送電装置９０とによって構成される。非接触送受電システム１において、送電装置９０から車両１０へ、非接触電力伝送が行なわれる。非接触電力伝送は、送電装置９０に含まれる送電部７００と、車両１０に搭載された受電部１００とを介して行なわれる。

まず、非接触送受電システム１のうち、車両１０について説明する。車両１０は、受電装置１２０と、リレー２１０と、バッテリ３００と、システムメインリレー（ＳＭＲ）３１０と、動力生成装置４００とを含む。

受電装置１２０は、受電部１００と、フィルタ回路１５０と、整流器２００とを含む。受電部１００は、送電部７００から出力される交流電力を非接触で受電するための受電コイル１４２を含む。受電部１００が受電した電力は、フィルタ回路１５０に出力される。フィルタ回路１５０は、高調波ノイズを抑制する。

フィルタ回路１５０によって高調波ノイズが抑制された交流電力は、整流器２００へ出力される。整流器２００は、交流電力を整流する。整流器２００によって整流された電力は、バッテリ３００の充電電力として出力される。

整流器２００とバッテリ３００との間には、リレー２１０が設けられる。リレー２１０は、送電装置９０からの電力によってバッテリ３００を充電するときに導通状態（ＯＮ）とされる。

バッテリ３００は、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成される。バッテリ３００の電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。

動力生成装置４００は、バッテリ３００に蓄えられた電力を用いて車両１０の走行駆動力を発生する。

車両１０は、制御部である車両ＥＣＵ（Electronic Control Unit）５００と、通信部５１０と、報知装置５２０とをさらに含む。一例として、車両ＥＣＵ５００は、車両１０の走行制御や、バッテリ３００の充電制御を実行する。

次に、非接触送受電システム１のうち、送電装置９０について説明する。送電装置９０は、外部電源９００と、通信部８１０と、電源部６００と、フィルタ回路６１０と、送電部７００とを含む。送電部７００は、収容ケース７０３に収容される。送電部７００は、送電コイル７０２とを含む。

外部電源９００からフィルタ回路６１０を介して送電コイル７０２に電力が送電され、車両１０の受電コイル１４２が電力を受電する。

受電部１００、送電部７００には、コイルの他、コンデンサも含まれる。コイルとコンデンサとは共振回路を構成する。共振の強度を示すＱ値は１００以上であることが好ましい。

［異物の検知のための構成］
以上説明した構成の非接触送受電システムは、送受電中にも異物検知を行なうことが好ましい。報知装置５２０はユーザインタフェイスであり、たとえば送電部７００の上に異物があることを車両ユーザに報知するために用いられる。車両ユーザは、報知装置５２０が出力する画像や映像を見て異物の存在を知り、充電を開始するために異物を除去することができる。報知装置５２０には、画像や映像に加えて、または代えて、音や音声を出力してもよい。

送受電中に異物検知を行なう場合には、送電コイル７０２で発生した磁界が異物の影響によって変化したことを異物検知コイルで検出することが考えられる。しかし、送電コイル７０２の交流電流には数ｋＨｚの周波数の電流が使用される場合がある。周波数が低いと、送電コイル７０２において発生する磁界は、異物が異物検知コイルから離れた位置にある場合には、異物で遮られずに異物を回りこんで異物検知コイルに到達するので異物の検出感度が低くなる。

そこで、本実施の形態では、送電コイル７０２で発生する電磁界よりも高い周波数の電磁波を送信する異物検知アンテナ１３０を車両の受電部１００に設け、異物検知アンテナ１３０から送信された電磁波を受信する複数の異物検知アンテナ７０４を送電装置９０の送電部７００に設けている。以下、送信と受信をわかりやすくするために、異物検知アンテナ１３０を送信用アンテナ１３０とも記載し、異物検知アンテナ７０４を受信用アンテナ７０４とも記載する。

図２は、図１の異物検知に関する構成をより詳細に説明するための図である。図２を参照して、車両の受電部１００は、発振器１１０と、ＲＦアンプ１１５と、送信用アンテナ１３０とを含む。

送電装置の送電部７００は、複数の受信用アンテナ７０４と、マルチプレクサ７５０とを含む。送電部７００と受電部１００との間には異物５５０が侵入したことが図２に示されている。

発振器１１０から出力される高周波信号をＲＦアンプ１１５によって増幅し、送信用アンテナ１３０から放射する。放射された電磁波は複数の受信用アンテナ７０４の各々で受信される。制御部８００は、マルチプレクサ７５０に受信用アンテナ選択信号を送信し、個々の受信用アンテナ７０４が受信する信号をマルチプレクサ７５０を介して順に受信する。制御部８００は、受信した信号強度に応じて、各々のアンテナが対応する位置に異物が存在するか否かを判断する。

図３は、車両の底面に配置された受電部１００を下から見上げた図である。図４は、地面または車庫の床面に配置された送電装置の送電部７００を上から見下ろした図である。図５は、送電部と受電部が電力伝送を行なっている状態を説明するための図である。送電部７００には複数の受信用アンテナ７０４が配置され、受電部１００には送信用アンテナ１３０が配置される。複数の受信用アンテナ７０４は、例えば５×５のマトリクス状に配置される。図３では、説明のために下方から受電部１００を見上げた状態を図示したが、実際には受電部１００は、車両の底面に配置され、電力伝送時には図５に示すように送電部７００と受電部１００は対向する。図４、図５に示すように異物５５０が送電部７００の上方に置かれているとする。

特に送電コイルの形状は限定されないが、一例として、図５に示すような、送電部７００のケースに収容された、磁性体の平板状のコア７０１と、コア７０１に巻回された送電コイル７０２とを採用することができる。また、受電部１００のケースに収容された、磁性体の平板状のコア１４１と、コア１４１に巻回された受電コイル１４２とを採用することができる。送電コイル７０２および受電コイル１４２の巻回軸は、水平方向であり、磁界の向きは矢印に示す方向となる。

図５に示すように、異物５５０がたとえば薄い金属箔状のものである場合には送電部７００の上に異物が存在していても、送電用の磁界の向きが金属箔と平行になるため磁界に変化が表れにくい。しかし、風などによって異物が移動して磁界に変化を与える可能性があるのでこのような場合でも異物を検知することが望ましい。

そこで、送信用アンテナ１３０から直進性の高い電磁波を送電部７００の上面全体に向けて放射し、マトリクス上に送電部７００の上面に配置された受信用アンテナ７０４で受信し、その受信強度によって異物５５０の存在の有無を検知する。異物５５０があると、送信用アンテナ１３０から放射された電磁波が図５に示すように遮られ、一部の受信用アンテナ７０４の受信強度が低下する。このような場合に異物を検出することについて、図６、図７を用いて説明する。

図６は、異物がない場合の受信信号の強度分布を示した図である。図７は、異物がある場合の受信信号の強度分布を示した図である。図５を見れば理解できるように、中央部の受信アンテナと送信アンテナとの距離が一番短いので、異物がなければ図６に示すように受信強度は、中央部で一番強く、周囲に遠ざかるにしたがって次第に強度が落ちていく。異物５５０が存在している図７の場合には、異物が存在している場所の強度は図６の強度分布に比べて１段階下がっている。したがって、正常時の強度分布を予め記録しておいて、図７のように検出した強度と比較することによって、異物の場所を特定することができる。

図４の例では、異物５５０は送電部のケースの上に載っているが、図５に示すように空中に異物５５０があっても、直線性の高い電磁波を使用しているので、カメラのフラッシュとそのフラッシュの光を受けるイメージセンサの関係のように、異物の影がマトリクス配置された受信用アンテナに生じることから、異物を検知することができる。

［実施の形態２］
実施の形態１では、送電部７００に受信用アンテナ７０４を配置し、受電部１００には送信用アンテナ１３０のみを配置した。しかしこの構成だと、受電部１００近傍の異物を検知することができない場合がある。

そこで、実施の形態２では、実施の形態１の構成に加えて、さらに送電装置の送電部にも送信用アンテナを配置し、車両の受電部にも受信用アンテナを配置する。

図８は、実施の形態２の非接触送受電システムの異物検知に関する構成を説明するための図である。図８を参照して、車両の受電部１００Ａは、発振器１１０と、ＲＦアンプ１１５と、マルチプレクサ１５１と、複数の送信用アンテナ１３０と、複数の受信用アンテナ５４１と、マルチプレクサ５５２とを含む。

送電装置の送電部７００Ａは、複数の受信用アンテナ７０４と、マルチプレクサ７５０と、発振器７１１と、ＲＦアンプ７２１と、複数の送信用アンテナ７３１とを含む。

ＥＣＵ５００とＥＣＵ８００は通信部５１０，８１０によって通信を行ない、各々の送信アンテナの送信タイミングやマルチプレクサによるアンテナの選択のタイミングを調整している。

このような構成とすることによって、受電側に存在する異物も検知できるようにした。また、送信用アンテナを受電側、送電側の各々において複数設けることによって、検知範囲を拡大することができる。

図９は、車両の底面に配置された受電部１００Ａを下から見上げた図である。図１０は、地面に配置された送電装置の送電部７００Ａを上から見下ろした図である。

受電部１００Ａには複数の受信用アンテナ５４１と複数の送信用アンテナ１３０が配置される。複数の受信用アンテナ５４１は、例えば５×５のマトリクス状に配置される。複数の送信用アンテナ１３０は、複数の受信用アンテナ５４１が配置された領域を取り囲むように４カ所配置される。

送電部７００Ａには複数の受信用アンテナ７０４と複数の送信用アンテナ７３１とが配置される。複数の受信用アンテナ７０４は、例えば５×５のマトリクス状に配置される。複数の送信用アンテナ７３１は、複数の受信用アンテナ７０４が配置された領域を取り囲むように４カ所配置される。なお、図１０には、送電部７００Ａの上に異物５５０が載っている状態が示されている。

図１１は、送信用アンテナが単独で受電部に設けられた場合の検知可能範囲を示した図である。図１２は、複数の送信用アンテナが受電部に設けられた場合の検知可能範囲を示した図である。図１３は、図１２に加えてさらに複数の送信用アンテナが送電部にも設けられた場合の検知可能範囲を示した図である。

図１１に示す検知可能範囲は、実施の形態１の構成の検知可能範囲に相当するが、受電部１００の表面付近に異物を検知できない死角ができている。一方、図１２に示すように受電部１００Ｂの周囲に送信用アンテナ１３０を複数設けると、異物を検知できない死角は図１１に示した場合よりも減少している。実施の形態２では、図１３に示したように送電部７００Ａにも送信用アンテナ７３１を設けているので、受電部１００Ａの表面付近の死角をさらに少なくすることができる。

送電部と受電部の両方に送信用アンテナを設けたので、混線やマルチパスを防ぐために、ＥＣＵ５００とＥＣＵ８００は、通信部５１０，８１０によって通信を行なって、各々の送信アンテナの送信タイミングやマルチプレクサによるアンテナの選択のタイミングを調整している。また、送受信回路の混線を避けるために、それぞれの送受信ペアで送信周波数を変えてもよい。

図９、図１０に示したように、送信用アンテナを複数設ける場合には、受電部、送電部のそれぞれ端部（周辺部分）に設けると、検知範囲が拡大して好ましい。また、送受信アンテナの周波数はＧＨｚ以上の高周波が望ましい。これは、アンテナの小型化に寄与する。

［異物検知用送受信アンテナの他の用途］
非接触充電では、送電コイルと充電コイルの位置がずれていると充電ができない。このため、充電コイルの位置決めが重要となる。実施の形態１および２で紹介した異物検知用の送受信アンテナをコイルの位置決めにも使用することができる。

図１４は、送電部に対して受電部の位置が３通りに変化している場合を示した図である。図１４を参照して、送電部７００Ｃには送信用アンテナ７３１が中央部に１つ配置されている。受電部１００Ｃには受信用アンテナ５４１が５×５のマトリクス状に配置されている。受電部１００Ｃの位置Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３が例示されている。位置Ｐ１は、受電部が送電部に正対する位置である。

図１５は、位置Ｐ１における受信用アンテナの強度分布を示した図である。図１６は、位置Ｐ２における受信用アンテナの強度分布を示した図である。図１７は、位置Ｐ３における受信用アンテナの強度分布を示した図である。

図１５〜図１７によってわかるように、受電部と送電部との位置ずれと受信強度分布とが対応している。例えば、受信強度があるしきい値を超えている信号が受電可能範囲９５０にある場合、受電可能と判断してドライバーに報知するように制御を行なうことができる。たとえば、図１５に示した場合は、受信強度を２，１，０の３段階とすると、受信強度が２の領域が１つ、受電強度が１の領域が８つ受電可能範囲９５０に入っている。この時の受電可能範囲９５０の全体の強度は、２×１＋１×８＝１０で最強となる。同様に計算すると、図１６に示した受電可能範囲９５０の全体の強度は１となり、図１７に示した受電可能範囲９５０の全体の強度は０となる。したがって、電力の送受電を開始する前に、異物検知用のアンテナを用いて位置合わせに使用する情報を得ながら位置合わせを行なうことができる。

図１４に示した構成では、送電部７００Ｃに送信アンテナを設け、受電部１００Ｃに複数の受信アンテナを設けたが、逆の構成、すなわち、送電部７００Ｃに複数の受信アンテナを設け、受電部１００Ｃに送信アンテナを設けてもよい。

なお、図１では特に図示しなかったが、動力生成装置４００は、たとえば、バッテリ３００から電力を受けるインバータ、インバータによって駆動されるモータ、モータによって駆動される駆動輪などを含む。なお、動力生成装置４００は、バッテリ３００を充電するための発電機と、その発電機を駆動可能なエンジンとを含んでもよい。

また、車両ＥＣＵ５００は、図１では、充電制御と車両走行制御とを行なうものとしたが、複数のＥＣＵが設けられ、充電制御と車両走行制御（モータ制御、エンジン制御）等を別々のＥＣＵで行なうように構成しても良い。

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 非接触送受電システム、１０ 車両、９０ 送電装置、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ 受電部、１１０，７１１ 発振器、１１５，７２１ ＲＦアンプ、１２０ 受電装置、１３０，７３１ 異物検知アンテナ（送信用）、１４１，７０１ コア、１４２ 受電コイル、１５０，６１０ フィルタ回路、１５１，５５２，７５０ マルチプレクサ、２００ 整流器、２１０ リレー、３００ バッテリ、４００ 動力生成装置、５００，８００ 制御部、５１０，８１０ 通信部、５２０ 報知装置、５４１，７０４ 異物検知アンテナ（受信用）、６００ 電源部、７００，７００Ａ，７００Ｂ，７００Ｃ 送電部、７０２ 送電コイル、７０３ 収容ケース、９００ 外部電源。

Claims (1)

1. 送電装置と、
   前記送電装置から非接触で電力を受電する受電装置と、
   前記送電装置および前記受電装置のいずれか一方に設けられた送信用アンテナと、
   前記送電装置および前記受電装置のいずれか他方に設けられた受信用アンテナと、
   前記送信用アンテナからの電磁波が前記受信用アンテナで受信された受信強度に基づいて、前記送電装置および前記受電装置の周辺の異物を検知する検知部とを備えた、非接触送受電システム。

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