JP2017201646A - コンデンサユニットおよび、そのコンデンサユニットを用いた車両用ワイヤレス充電システム - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構成で小型軽量化を図ることのできるコンデンサユニットおよび車両用ワイヤレス充電システムを提供する。【解決手段】複数のバッテリセル１００が金属製ケース２５０内に収納されて構成されるバッテリパックＢ１と、前記金属製ケースの外壁部の一部または全面を所定の隙間を挟んで覆う金属製覆体１０と、から構成されることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、コンデンサユニットおよび、そのコンデンサユニットを用いた車両用ワイヤレス充電システムに関する。

従来から、給電装置から出力される電力をハイブリッド車や電気自動車等の車両に搭載されたバッテリパックに非接触で充電する車両用ワイヤレス充電システムとして、共振（共鳴）型非接触給電による充電方式が提案されている。

ここで、図１を参照して、共振型電力伝送方式を適用した車両用ワイヤレス充電システムＷＳの概略構成について説明する。

図１に示すように、車両用ワイヤレス充電システムＷＳは、バッテリパックＢおよび充電用機器２００を搭載した車両Ｖと、所定の充電地点（充電ステーション）等の路面Ｅに埋設された充電設備１１０とから構成されている。

車両Ｖに搭載される充電用機器２００は、二次側コイルＬ２と、二次側コイルＬ２に接続されるコンデンサユニットＣを備える共振回路３００と、生成された交流を直流に変換する整流器２２と、充電対象としてのバッテリパックＢとから構成されている。

一方、充電設備１１０は、一次側コイルＬ１と高周波の交流電源５０等から構成されている。

そして、一次側コイルＬ１に高周波の一次電流を流すと、二次側コイルＬ２が所定の共振周波数で共振し、二次側コイルＬ２に二次電流が流れる。

この二次電流を整流器２２で直流に整流してバッテリパックＢに供給することにより、非接触（ワイヤレス）でバッテリパックＢを充電することが可能となる。

ところで、車両Ｖ側の共振回路３００やＤＣ／ＤＣコンバータ等に適用されるコンデンサユニットは、耐圧や容量等の諸条件を満たす必要がある。

このようなコンデンサユニットに関する技術は種々提案されている（例えば、特許文献１等）。

特開２０１１−２１０８６３号公報

従来技術に係るコンデンサユニットは、例えば、フィルムコンデンサやセラミックコンデンサで構成される複数のコンデンサ素子を直列または並列に並べてバスバで接続し、筐体に収容して構成されていた。

このようなコンデンサユニットは、耐圧や容量等の諸条件を満たすために大型で且つ重量が嵩み、また構成が複雑なため高コストであるという不都合があった。

特に、ハイブリッド車や電気自動車等の車両は、客室スペースを広く確保するために、充電用機器２００の収容部の省スペース化が求められている。

また、車両の走行可能距離を稼ぐために、充電用機器２００の軽量化も要請されている。

しかしながら、従来技術に係るコンデンサユニットでは、車両搭載用として、小型軽量化の要求を満たすことができないという問題があった。

また、コンデンサユニット自体の小型軽量化が難しいことから、車両用ワイヤレス充電システムＷＳに適用した場合にシステム全体の小型化にも貢献できないという不都合もあった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な構成で小型軽量化を図ることのできるコンデンサユニットおよび車両用ワイヤレス充電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明に係るコンデンサユニットは、複数のバッテリセルが金属製ケース内に収納されて構成されるバッテリパックと、前記金属製ケースの外壁部の一部または全面を所定の隙間を挟んで覆う金属製覆体と、から構成されることを特徴とする。

請求項２に記載の発明に係るコンデンサユニットは、請求項１に記載の発明において、前記隙間には、誘電体が満たされていることを特徴とする。

請求項３に記載の発明に係るコンデンサユニットは、請求項１または請求項２に記載の発明において、前記金属製覆体は、一方に開口部が形成された覆体本体と、該覆体本体の前記開口部を塞ぐ蓋体とから構成され、前記覆体本体および前記蓋体の内壁部の形状は、前記バッテリパックの外形に沿った相似形状を有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明に係る車両用ワイヤレス充電システムは、車両に搭載されたバッテリパックを非接触で充電する車両用ワイヤレス充電システムであって、車両に搭載されるバッテリパック、二次側コイル、整流器および共振回路を備える充電用機器と、所定の充電地点の路面に埋設された二次側コイルおよび電源を備える充電設備とから構成され、前記共振回路は、請求項１から請求項３の何れかに記載のコンデンサユニットを備えることを特徴とする。

本発明によれば、比較的簡易な構成で小型軽量化を図ることのできるコンデンサユニットおよび車両用ワイヤレス充電システムを提供することができる。

車両用ワイヤレス充電システムの構成例を示す説明図である。 第１の実施の形態に係るコンデンサユニットの概略構成を示す概略構成図である。 コンデンサの一般的構成を示す説明図である。 コンデンサの静電容量に関する式である。 目標容量値に関するグラフである。 第２の実施の形態に係るコンデンサユニットの概略構成を示す概略構成図である。 第２の実施の形態に係るコンデンサユニットに適用されるバッテリパックの構成例を示す斜視図である。 第２の実施の形態に係るコンデンサユニットに適用される覆体本体の構成例を示す斜視図である。 第２の実施の形態に係るコンデンサユニットに適用される蓋体の構成例を示す斜視図である。 他の実施の形態に係るコンデンサユニットの概略構成を示す概略構成図である。 参考例に係るコンデンサユニットを示す概略構成図である。

［第１の実施の形態］
図２〜図４を参照して、第１の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ１について説明する。

図２は、第１の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ１の概略構成を示す概略構成図、図３は、コンデンサの一般的構成を示す説明図、図４は、コンデンサの静電容量に関する式を示す。

なお、図２では、車両用ワイヤレス充電システムＷＳに適用したコンデンサユニットＵ１を示している。

コンデンサユニットＵ１は、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等で構成される複数のバッテリセル１００が、アルミニウムや鉄等の金属で形成されるケース（金属製ケース）２５０内に収納されて構成されるバッテリパックＢ１と、金属製ケース２５０の外壁部２５０ａの一部を所定の隙間Ｓを挟んで覆うアルミニウムや鉄等の金属で形成される覆体（金属製覆体）１０とから構成されている。

また、隙間Ｓには、金属製覆体２５０内にバッテリパックＢ１を保持する絶縁体から成るスペーサ１１が設けられている。これにより、振動等によってバッテリパックＢ１が金属製覆体２５０の内壁に当ってショート（短絡）する事態を回避することができる。

なお、スペーサ１１は、金属製覆体２５０内の一部にのみ設けるようにしてもよいし、金属製覆体２５０内の全体に設けるようにしてもよい。

なお、図２に示す構成例では、隙間Ｓに、誘電体２６０としての空気が満たされている。

空気の誘電率は、「１」であり、良好な絶縁性を有しており、放電対策としても好ましい。

但し、誘電体２６０は、空気に限らず、一般的な誘電材料（プラスチック、セラミック、雲母（マイカ）、油等）を用いてもよい。

ここで、図３および図４を参照して、コンデンサの基本構成と静電容量について簡単に説明する。

図３に示すように、コンデンサは、隙間を介して対向させた２枚の電極（金属板）Ｅ１、Ｅ２が基本構造となっている。

なお、電極Ｅ１、Ｅ２の隙間には、誘電体Ｄが配置される。また、電極Ｅ１、Ｅ２には導線Ａ１０、Ａ１１が接続されている。

そして、２枚の電極Ｅ１、Ｅ２に導線Ａ１０、Ａ１１を介して直流電圧（Ｖ）を加えると、片方の電極Ｅ１に電子が集まってマイナスに帯電し、もう片方の電極Ｅ２は電子が不足の状態となってプラスに帯電する。

これにより、２枚の電極Ｅ１、Ｅ２の間に電荷（Ｑ＝ＣＶ）が蓄えられる。

ここで、Ｑは電荷（電気量）［Ｃ］、Ｃは静電容量［Ｆ］、Ｖは電圧［Ｖ］である。また、静電容量Ｃは、図４に示す式で表される。

また、電極間に誘電体（セラミックス、プラスチックフィルムなど）Ｄを配置した場合には、誘電体Ｄの誘電分極により、蓄えられる電荷は増加する。

図３に示すコンデンサの基本構造と、図２に示すコンデンサユニットＵ１とを照らし合わせると、図３の電極Ｅ１は、図２おけるバッテリパックＢ１の金属製覆体２５０に相当し、図３の電極Ｅ２は、図２における金属製覆体１０に相当する。

これにより、金属製覆体２５０と金属製覆体１０とによって、所定の静電容量のコンデンサが形成される。

ここで、図５に示すグラフは、目標容量値［ｎＦ］ごとの電極間距離［ｍｍ］に対する正方形電極の一辺の長さ［ｍ］を図４の式に代入して計算した結果をプロットしたものである。なお、誘電体Ｄは、空気（ε＝１）としている。

図５のグラフによれば、例えば２０ｎＦの容量値を得るために必要な正方形電極のサイズは、２．５ｍ×２．５ｍとなる。なお、誘電体Ｄを空気（ε＝１）に代えて、例えばε＝５０の誘電体を用いた場合には、同容量を得るための正方形電極のサイズは、０．３８ｍ×０．３８ｍとすることができる。

上記計算例に基づけば、バッテリパックＢ１の大きさや金属製覆体２５０および金属製覆体１０の表面積にもよるが、数ｎＦの静電容量を得ることは十分に可能である。

このようなコンデンサユニットＵ１は、バッテリパックＢ１の周囲に金属製覆体１０を配置するという比較的簡易な構成であり、コンデンサユニットＵ１全体の体積も余り大きくならないので、低コスト化および省スペース化に貢献することができる。

特に、コンデンサユニットＵ１を、図１に示す車両用ワイヤレス充電システムＷＳの共振回路３００用のコンデンサユニットＣの代わりの用いることで、共振回路３００に一般的なフィルムコンデンサやセラミックコンデンサを用いる場合に比して、システム全体の小型軽量化を図ることができる。

なお、図２に示す車両用ワイヤレス充電システムＷＳでは、導線Ａ１〜Ａ３を介して接続される充電用機器２０に、フィルタ２１と整流器２２を設けた場合を示したが、フィルタ２１については全体の機器構成等に応じて省略することもできる。

［第２の実施の形態］
図６〜図９を参照して、第２の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ２について説明する。

なお、第１の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ１と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

第２の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ２が、第１の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ１と異なる点は、バッテリパックＢ１の全体を金属製覆体１０で覆っている点である。

即ち、本実施の形態に係るコンデンサユニットＵ２に適用される金属製覆体１０は、一方に開口部３５１が形成された覆体本体１０Ａ（図８参照）と、この覆体本体１０Ａの開口部３５１を塞ぐ蓋体１０Ｂとから構成されている。

また、図７〜図９に示すように、覆体本体１０Ａおよび蓋体１０Ｂの内壁部３５０、３６０の形状は、バッテリパックＢ１の外形２５０ａ、２５０ｂに沿った相似形状を有している。

より具体的には、バッテリパックＢ１は、例えば図７に示すように、上方側に、凸部３０１、３０３と、この凸部３０１、３０３の間に形成される凹部３０２を有しているものとする。なお、図７に示す例では、説明の容易化のため外形２５０ａ、２５０ｂを単純化しているが、これには限定されず任意の外形の場合を含む。

図７に示すバッテリパックＢ１の下側の外形２５０ａに対応させて、図８に示すように覆体本体１０Ａは箱型に形成され、内壁部３５０はバッテリパックＢ１の側壁に沿った相似形とされている。

また、 図７に示すバッテリパックＢ１の上側の外形２５０ｂに対応させて、図９に示すように、蓋体１０Ｂには、凸部３０１、３０３に対応した平板部４０１，４０３と、凹部３０２に対応した段差部４０２とを備え、全体でバッテリパックＢ１の上側の外形２５０ｂの相似形を呈するようになっている。

なお、寸法に関して、覆体本体１０Ａの高さＨ３は、バッテリパックＢ１の高さＨ１とスペーサ１１（図６参照）の厚さ等を勘案して設定される。

また、蓋体１０Ｂの段差部４０２の高さＨ４は、バッテリパックＢ１の凸部３０１、３０３の高さＨ２とスペーサ１１（図６参照）の厚さ等を勘案して設定される。

また、覆体本体１０Ａおよび蓋体１０Ｂの幅Ｗ３は、バッテリパックＢ１の幅Ｗ１とスペーサ１１（図６参照）の幅等を勘案して設定される。

覆体本体１０Ａおよび蓋体１０Ｂの他の箇所の寸法についても同様にして設定される。

このような構成の第２の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ２によれば、第１の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ１に比して、バッテリパックＢ１の上面部分も蓋体１０Ｂとの対面によって静電容量をより増やすことができる。

特に、コンデンサユニットＵ２は、覆体本体１０Ａおよび蓋体１０Ｂの内壁部３５０、３６０の形状が、バッテリパックＢ１の外形２５０ａ、２５０ｂに沿った相似形状とされているので、バッテリパックＢ１の外周面全体と覆体本体１０Ａおよび蓋体１０Ｂの内壁部３５０、３６０との距離を一定に保つことができ、静電容量を一層増やすことに寄与できる。

（他の実施の形態）
図１０を参照して、他の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ３について説明する。

なお、第１の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ１等と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

コンデンサユニットＵ３では、金属製覆体１０は、車両の外壁部（例えば、底面部）５００に固定されている。

金属製覆体１０の取付け方は特には限定されないが、例えば、金属製覆体１０の端部にフランジ部１０ａを形成し、ボルトやネジによって車両の外壁部５００に取付けるようにできる。

なお、車両の外壁部５００との絶縁が問題になる場合には、フランジ部１０ａと外壁部５００との間に絶縁体を挟むようにしてもよい。

（参考例）
図１１には、参考例に係るコンデンサユニットＵ１０および車両用ワイヤレス充電システムＷＳの概略構成を示す。

なお、第１の発明の実施の形態に係るコンデンサユニットＵ１等と同様の構成については、同一符号を付して重複した説明は省略する。

コンデンサユニットＵ１０では、バッテリパックＢ２の下方に、バッテリパックＢ２の下面と同等の面積あるいは、それ以下の面積を有する電極板２００、２０１を設け、この電極板２００、２０１でコンデンサを形成している。

これにより、車両等において、バッテリパックＢ２の収納スペースに収まるサイズでコンデンサユニットＵ１０を構成することができる。

なお、電極板２００、２０１の少なくとも一方を、車体の外壁部等の部材を用いて構成するようにしてもよい。

以上、本発明のコンデンサユニットを図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

Ｂ１…バッテリパック
Ｃ、Ｕ１〜Ｕ３…コンデンサユニット
Ｌ１…一次側コイル
Ｌ２…二次側コイル
ＷＳ…車両用ワイヤレス充電システム
１０…金属製覆体
１０Ａ…覆体本体
１０Ｂ…蓋体
１１…スペーサ
２０…充電用機器
５０…交流電源
１００…バッテリセル
３００…共振回路

Claims (4)

1. 複数のバッテリセルが金属製ケース内に収納されて構成されるバッテリパックと、
   前記金属製ケースの外壁部の一部または全面を所定の隙間を挟んで覆う金属製覆体と、
   から構成されることを特徴とするコンデンサユニット。
2. 前記隙間には、誘電体が満たされていることを特徴とする請求項１に記載のコンデンサユニット。
3. 前記金属製覆体は、一方に開口部が形成された覆体本体と、該覆体本体の前記開口部を塞ぐ蓋体とから構成され、
   前記覆体本体および前記蓋体の内壁部の形状は、前記バッテリパックの外形に沿った相似形状を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のコンデンサユニット。
4. 車両に搭載されたバッテリパックを非接触で充電する車両用ワイヤレス充電システムであって、
   車両に搭載されるバッテリパック、二次側コイル、整流器および共振回路を備える充電用機器と、
   所定の充電地点の路面に埋設された二次側コイルおよび電源を備える充電設備とから構成され、
   前記共振回路は、請求項１から請求項３の何れかに記載のコンデンサユニットを備えることを特徴とする車両用ワイヤレス充電システム。

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