JP2017076653A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】自動車向けの非接触給電システムにおいて、簡易な方法で車体側の金属製部材における渦電流を抑制する。【解決手段】地上に設置された送電コイル（６１）と車体下面に設置された受電コイル（１１）とが対向して送電コイル（６１）と受電コイル（１１）との間で非接触給電を行う非接触給電システムにおいて、送電コイル（６１）および受電コイル（１１）がいずれもスパイラルコイルであり、受電コイル（１１）が直接的またはコイルコア（１３）を介して間接的に金属製部材（１０１）に取り付けられており、金属製部材（１０１）の表面の、受電コイル（１１）の取り付け位置を中心とする一定の範囲に非導電性磁性薄膜（１４）が形成されている。【選択図】図４

Description

本発明は、非接触給電システムに関し、特に、地上に設置された送電コイルと車体下面に設置された受電コイルとの間で非接触給電を行うプラグインハイブリッド車や電気自動車用の非接触給電システムに好適な技術に関する。

外部電力でバッテリ充電されるプラグインハイブリッド車（ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）では、充電ケーブルの接続作業の煩わしさ、衣服の汚れ、雨天時の不安などから、ワイヤレスでの給電（非接触給電）のニーズが高くなっている。

非接触給電には、地上側の１次コイルと車上側の２次コイルとの間の電磁誘導を利用する電磁誘導式と、磁界共鳴を利用する磁界共鳴式とがある。このうち電磁誘導式は、電力伝送効率が非常に高いが、１次コイルと２次コイルとを十分に近づけなければならないという特徴がある。一方、磁界共鳴式は、１次コイルと２次コイルとの距離がある程度大きくてもよいが、電磁誘導式に比べて電力伝送効率が低いという特徴がある。従来、給電部（１次コイル）と受電部（２次コイル）との位置ずれがあっても車体外の漏れ磁束の影響を抑制する電磁誘導式の非接触給電装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−４９２３０号公報

非接触給電システムで使用されるコイルのタイプとしてヘリカルコイルとスパイラルコイルがあるが、自動車用の非接触給電システムの国際標準化において、１次コイルおよび２次コイルとしてスパイラルコイルを採用することが決定した。スパイラルコイルは、ヘリカルコイルに比べて、コイル裏面の金属の影響を受け易い。例えば、２次コイルの近傍に金属製部材があると、１次コイルで発生した磁束によって当該金属製部材に渦電流が発生して、電力伝送効率が低下するという問題がある。この問題を解決するために、例えば、車体側に広い範囲でコアや磁性体シートを敷き詰めることが考えられるが、車体下面は複雑な形状であるためコアや磁性体シートの加工にコストがかかり、車体下面への取り付けが困難であるという問題がある。また、車体重量が増加する懸念や、コアや磁性体シートは脆いため破損し易いといった問題もある。

上記問題に鑑み、本発明は、自動車向けの非接触給電システムにおいて、簡易な方法で車体側の金属製部材における渦電流を抑制することを課題とする。

本発明の一局面に従った非接触給電システムは、地上に設置された送電コイルと車体下面に設置された受電コイルとが対向して送電コイルと受電コイルとの間で非接触給電を行う非接触給電システムであって、送電コイルおよび受電コイルがいずれもスパイラルコイルであり、受電コイルが直接的またはコイルコアを介して間接的に金属製部材に取り付けられており、金属製部材の表面の、受電コイルの取り付け位置を中心とする一定の範囲に非導電性磁性薄膜が形成されているものである。

これによると、受電コイルの取り付け位置の一定範囲に非導電性磁性薄膜を形成するといった簡易な方法で車体側の金属製部材における渦電流を抑制して電力伝送効率を向上させることができる。

好ましくは、非導電性磁性薄膜の直径を受電コイルの直径よりも１５０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度大きくする。

これによると、非導電性磁性薄膜を形成する面積をより小さくして電力伝送効率を向上させることができる。

より好ましくは、非導電性磁性薄膜の直径を受電コイルの直径よりも２５０ｍｍ程度大きくする。

これによると、非導電性磁性薄膜を形成する面積を可能な限り小さくして良好な電力伝送効率を確保することができる。

好ましくは、非導電性磁性薄膜の形状を、送電コイルの形状を車幅方向へ引き延ばした形状にする。

これによると、送電コイルと受電コイルとの位置ずれ、特に、車幅方向の位置ずれに対応することができる。

非導電性磁性薄膜の比透磁率を上げすぎても電力伝送効率はあまり変わらないため、非導電性磁性薄膜の比透磁率は５０程度が適当である。

非導電性磁性薄膜が磁性塗料を塗布して形成された塗膜であってもよい。

これによると、受電コイルの取り付け位置の一定範囲に磁性塗料を塗布するといった簡易な方法で車体側の金属製部材における渦電流を抑制して電力伝送効率を向上させることができる。

本発明によると、車体下面にコアや磁性体シートを敷き詰めることなく、受電コイルの取り付け位置の一定範囲に非導電性磁性薄膜を形成するといった簡易な方法で、車体側の金属製部材における渦電流を抑制して電力伝送効率を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの概略図 一例に係る送電コイルの平面図および断面図 一例に係る受電コイルの平面図および断面図 受電コイルが設置された車体の下面図 送電コイルと受電コイルとの間の磁束を説明する図 送電コイルと受電コイル（コアなし）との間の磁束を説明する図 受電コイルが大の場合の磁性塗膜の直径と電力伝送効率との関係を示すグラフ 受電コイルが小の場合の磁性塗膜の直径と電力伝送効率との関係を示すグラフ 磁性塗料の比透磁率と電力伝送効率との関係を示すグラフ

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、発明者（ら）は、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。また、図面に描かれた各部材の寸法、厚み、細部の詳細形状などは実際のものとは異なることがある。

図１は、本発明の一実施形態に係る非接触給電システムの概略を示す。例えば、本実施形態に係る非接触給電システムは、プラグインハイブリッド車や電気自動車などの自動車１００のバッテリ３０をワイヤレスで充電する磁界共鳴式の非接触給電システムである。

本実施形態に係る非接触給電システムにおいて、地上に地上装置２００および送電ユニット６０が設置されている。自動車１００と地上装置２００とは無線３００により通信できるようになっている。自動車１００は、バッテリ３０の充電量を判断し、地上装置２００に対して無線３００を通じて適宜給電の開始／停止を要求する。地上装置２００は、自動車１００からの要求に従って自動車１００への電気エネルギーの供給／停止をコントロールする。

自動車１００へ電気エネルギーを供給する場合、地上装置２００は、商用電力（ＡＣ電源）から８５ｋＨｚ帯（８１．３８ｋ〜９０ｋＨｚ）の３ｋＷクラスの高周波電流を生成する。地上装置２００が生成した高周波電流はケーブル２０１を通じて送電ユニット６０に通電される。送電ユニット６０には図略の送電コイル（１次コイル）が収容されており、当該送電コイルに高周波電流が通電されることで送電ユニット６０に強力な磁界が発生する。

一方、自動車１００において、車体下面に受電ユニット１０が設置されている。バッテリ３０を充電する場合、受電ユニット１０が送電ユニット６０と上下に対向する位置に来るように自動車１００を移動させる。受電ユニット１０と送電ユニット６０とのギャップは１００〜１６０ｍｍである。

受電ユニット１０には図略の受電コイル（２次コイル）およびコンデンサからなる共振回路が収容されており、当該受電コイルが送電ユニット６０で発生した磁界に晒されることで当該共振回路が共鳴して受電ユニット１０に高周波電流が発生する。受電ユニット１０に発生した高周波電流は整流器２０により直流電流に変換されてバッテリ３０に充電される。このように、本実施形態に係るシステムでは、地上装置２００から自動車１００へ磁界共鳴によりワイヤレスで電気エネルギーが供給される。

バッテリ３０にはインバータ４０が接続されている。自動車１００を走行させる場合、インバータ４０がバッテリ３０に蓄電された直流電流を交流電流に変換して自動車１００の動力源である電動モータ５０を駆動する。

図２は、一例に係る送電コイルの平面図および断面図である。送電ユニット６０には送電コイル６１が収容されている。送電コイル６１は、直径５．４ｍｍの絶縁被覆電線６２を円形の渦巻き状に２段８回巻きしたスパイラルコイルであり、外径は３５０ｍｍ、内径は２６０ｍｍである。送電コイル６１は、フェライトなどの磁性体で形成された円盤状のコイルコア６３上に取り付けられている。コイルコア６３の直径は４００ｍｍである。

図３は、一例に係る受電コイルの平面図および断面図である。受電ユニット１０には受電コイル１１が収容されている。受電コイル１１は、直径５．４ｍｍの絶縁被覆電線１２を円形の渦巻き状に１段８回巻きしたスパイラルコイルであり、外径は３５０ｍｍ、内径は２６０ｍｍである。受電コイル１１は、フェライトなどの磁性体で形成された円盤状のコイルコア１３上に取り付けられている。コイルコア１３の直径は４００ｍｍである。

なお、受電コイル１１の形状は送電コイル６１の形状と同じにする必要はない。例えば、受電コイル１１の外径および内径を上記よりも１００ｍｍずつ小さく（外径２５０ｍｍ、内径１６０ｍｍ）してもよい。このように受電コイル１１を小型化することで、受電ユニット１０のコストを低減することができ、また、受電ユニット１０の取り付け作業が容易になる。

また、送電コイル６１および受電コイル１１ともに円形である必要はない。例えば、送電コイル６１および／または受電コイル１１を車幅方向に長い長円形や楕円形にしてもよい。

図４は、受電コイルが設置された車体の下面図である。受電ユニット１０は、例えば、車両後部の左右後輪の間に設置されている。自動車１００の下面は鉄やアルミニウムなどでできたアンダーカバー１０１で覆われており、受電ユニット１０に収容された受電コイル１１はそのようなアンダーカバー１０１に取り付けられている。より詳細には、受電コイル１１が取り付けられたコイルコア１３がアンダーカバー１０１に取り付けられている。

さらに、受電コイル１１を取り囲むようにアンダーカバー１０１の表面に円形の磁性塗膜１４が形成されている。磁性塗膜１４は、フェライトなどの磁性体を２０μｍ程度のメディアン径に粉砕した磁性粉粒体を含む塗料（磁性塗料）を厚さ数ｍｍに塗布して形成することができる。磁性塗膜１４は、高透磁率および高電気抵抗という特徴を有し、磁束を集中できるとともに、渦電流による損失を抑制することができる。

なお、磁性塗膜１４は外部環境に晒されるため、磁性塗料に防錆処理を施したり、磁性塗料を塗布した後に磁性塗膜１４の表面に防錆処理を施したりすることが望ましい。

磁性塗膜１４は、特許請求の範囲に記載の「非導電性磁性薄膜」の一例である。磁性塗料を塗布することに代えてアンダーカバー１０１の表面に磁性フィルムなどを円形に貼り付けてもよい。あるいは、メッキや蒸着などの方法でアンダーカバー１０１の表面に円形の磁性薄膜を形成してもよい。以下では、説明の便宜上、磁性塗料を塗布して形成された磁性塗膜を例に説明する。

図５は、送電コイルと受電コイルとの間の磁束を説明する図である。同図は、送電コイル６１と受電コイル１１を側面から見た図である。なお、便宜のため、受電コイル１１を送電コイル６１よりも小さく描いている。

送電コイル６１に高周波電流が通電されることで送電コイル６１に磁束７０で示したような磁界が発生する。送電コイル６１で発生した磁束７０が受電コイル１１に伝わることで、磁界共鳴により受電コイル１１に高周波電流が発生する。また、送電コイル６１で発生した磁束７０が金属製のアンダーカバー１０１を貫通すると、アンダーカバー１０１に渦電流が発生して電力伝送効率が低下してしまう。しかし、本実施形態ではアンダーカバー１０１の表面に磁性塗膜１４が形成されていることにより、アンダーカバー１０１を貫通する磁束７０が非常に少なくなる。これにより、電気エネルギーの伝送損失の原因となるアンダーカバー１０１の渦電流が減り、電力伝送効率を良好に保つことができる。

なお、磁性塗膜１４の形状を、送電コイル６１の形状を車幅方向に引き延ばした形状にしてもよい。自動車１００がバッテリ充電のために所定位置に駐車する場合、車長方向の位置は車止めにより規制できるのに対して車幅方向にはそのようなものがなく車幅方向の位置が規制できないため、送電ユニット６０に対する受電ユニット１０の車幅方向の位置ずれが発生し易いと考えられる。したがって、あらかじめ磁性塗膜１４の形状を、送電コイル６１の形状を車幅方向に引き延ばした形状にしておく、例えば、円形の送電コイル６１に対して磁性塗膜１４の形状を車幅方向に長い長円形または楕円形にしておくことで、送電コイルと受電コイルとに多少の位置ずれが発生しても、磁性塗膜１４による防磁効果を得ることができる。

また、コイルコア１３は省略することができる。図６は、送電コイルと受電コイル（コアなし）との間の磁束を説明する図である。このように、磁性塗膜１４の厚みを適宜調整することにより、磁性塗膜１４を、アンダーカバー１０１における渦電流の抑制だけではなく、受電コイル１１のコアとして使用することもできる。

次に、本実施形態に係る非接触給電システムにおける電力伝送効率の実証結果を示す。表１は、図２に示した送電コイル６１と図３に示した受電コイル１１とを１５０ｍｍ隔てて対向させて送電コイル６１に８５ｋＨｚ帯の３ｋＷの高周波電流を通電したときの各条件下での電力伝送効率を示す。「受電コイル：大」は、送電コイル６１と同じ大きさ（外径３５０ｍｍ、内径２６０ｍｍ）の受電コイル１１を表し、「受電コイル：小」は、送電コイル６１よりも小さい受電コイル１１（外径２５０ｍｍ、内径１６０ｍｍ）を表す。「金属板あり」は、アンダーカバー１０１を想定した厚さ２ｍｍ、縦６００ｍｍ、横５００ｍｍの鉄板に受電コイル１１（より詳細にはコイルコア１３）を取り付けたものであり、「金属板なし」は、そのような鉄板がない状態である。「磁性塗膜あり」は、上記の鉄板の表面全体に比透磁率が１００の磁性塗膜１４を厚さ１ｍｍで形成したものである。

表１から分かるように、受電コイル１１の大小にかかわらず、磁性塗膜１４があることで、磁性塗膜１４がない場合と比べて効率が向上する。特に、受電コイル１１が小さくなると金属板の影響を強く受ける傾向があるが、磁性塗膜１４を形成することにより、金属板がない場合以上に効率を改善することができる。

上述したようにアンダーカバー１０１の表面に磁性塗膜１４を形成することにより電力伝送効率を向上させることができるが、アンダーカバー１０１の全面に磁性塗料を塗布するとコストがかかってしまう。したがって、コストを考慮すると、必要最小限の面積に磁性塗料を塗布して磁性塗膜１４を形成することが好ましい。

図７は、受電コイルが大の場合（受電コイル１１の外径３５０ｍｍ、内径２６０ｍｍ、コイルコア１３の直径４００ｍｍ）の磁性塗膜１４の直径と電力伝送効率との関係を示すグラフである。磁性塗膜１４の直径が受電コイル１１の直径よりも小さいかわずかに大きい範囲（磁性塗膜１４の直径０〜４００ｍｍ近辺）では効率にあまり変化が見られないが、磁性塗膜１４の直径が受電コイル１１の直径よりも５０ｍｍ程度大きくなった辺り（磁性塗膜１４の直径４００ｍｍ近辺）から効率が著しく向上し、磁性塗膜１４の直径が受電コイル１１の直径よりも２５０ｍｍ以上大きくなると（磁性塗膜１４の直径６００ｍｍ以上）効率の向上が鈍くなる。

図８は、受電コイルが小の場合（受電コイル１１の外径２５０ｍｍ、内径１６０ｍｍ、コイルコア１３の直径３００ｍｍ）の磁性塗膜１４の直径と電力伝送効率との関係を示すグラフである。受電コイル１１が小の場合においても、磁性塗膜１４の直径が受電コイル１１の直径よりも小さいかわずかに大きい範囲（磁性塗膜１４の直径０〜３００ｍｍ近辺）では効率にあまり変化が見られないが、磁性塗膜１４の直径が受電コイル１１の直径よりも５０ｍｍ程度大きくなる辺り（磁性塗膜１４の直径３００ｍｍ近辺）から効率が著しく向上し、磁性塗膜１４の直径が受電コイル１１の直径よりも２５０ｍｍ以上大きくなると（磁性塗膜１４の直径５００ｍｍ以上）効率の向上が鈍くなる。

以上のことから、受電コイル１１の大小にかかわらず、磁性塗膜１４の直径を受電コイル１１の直径よりも１５０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度大きくすればよいと言える。さらに、磁性塗膜１４の面積を小さくしつつ電力伝送効率を向上させるといった相反する要件をバランスよく満たすには、磁性塗膜１４の直径を受電コイル１１の直径よりも２５０ｍｍ程度大きくすればよい。

一方、磁性塗料の比透磁率は低いよりも高い方が電力伝送効率の向上が期待できるが、コストを考慮すると、磁性塗料の比透磁率は必要最小限にすることが好ましい。

図９は、磁性塗料の比透磁率と電力伝送効率との関係を示すグラフである。送電コイル６１および受電コイル１１の外径３５０ｍｍ、内径２６０ｍｍであり、コイルコア６３、１３の直径４００ｍｍであり、磁性塗膜１４の厚さ１ｍｍ、直径５００ｍｍである。磁性塗料の比透磁率が０〜５０の範囲では効率が向上するが、比透磁率が５０を超えると効率の向上が鈍くなる。したがって、磁性塗料の比透磁率は５０程度であればよいと言える。なお、磁気飽和すると効率改善が制限されるため、磁気飽和を避けるために飽和磁束密度を３０ｍＴ以上にすることが好ましい。

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

上記では、便宜のため、磁界共鳴式の非接触給電システムを例に本発明における技術を説明したが、本発明は、磁界共鳴式の非接触給電システムに限定されず、電磁誘導式の非接触給電システムにも適用可能である。

また、上記では、受電コイル１１側に磁性塗膜１４が形成されているとしたが、送電コイル６１側に磁性塗膜を形成してもよい。例えば、立体駐車場などに送電ユニット６０を設置する場合、場所的制約から鉄骨などの金属製部材に送電コイル６１を直接取り付けざるを得ないこともある。そのような場合、鉄骨などの金属製部材の表面に磁性塗料を塗布して磁性塗膜を形成することで、当該金属製部材を貫通する磁束を少なくして当該金属製部材における渦電流の発生を減らして電力伝送効率を良好に保つことができる。

１１ 受電コイル
１３ コイルコア
１４ 磁性塗膜（非導電性磁性薄膜）
６１ 送電コイル
１０１ アンダーカバー（金属製部材）

Claims (6)

1. 地上に設置された送電コイルと車体下面に設置された受電コイルとが対向して前記送電コイルと前記受電コイルとの間で非接触給電を行う非接触給電システムであって、
   前記送電コイルおよび前記受電コイルがいずれもスパイラルコイルであり、
   前記受電コイルが直接的またはコイルコアを介して間接的に金属製部材に取り付けられており、
   前記金属製部材の表面の、前記受電コイルの取り付け位置を中心とする一定の範囲に非導電性磁性薄膜が形成されている
   ことを特徴とする非接触給電システム。
2. 前記非導電性磁性薄膜の直径が前記受電コイルの直径よりも１５０ｍｍ〜３５０ｍｍ程度大きい、請求項１に記載の非接触給電システム。
3. 前記非導電性磁性薄膜の直径が前記受電コイルの直径よりも２５０ｍｍ程度大きい、請求項２に記載の非接触給電システム。
4. 前記非導電性磁性薄膜の形状が前記送電コイルの形状を車幅方向へ引き延ばした形状である、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の非接触給電システム。
5. 前記非導電性磁性薄膜の比透磁率が５０程度である、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の非接触給電システム。
6. 前記非導電性磁性薄膜が磁性塗料を塗布して形成された塗膜である、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の非接触給電システム。

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