JP2017216875A - 受電装置、送電装置及び電気自動車 - Google Patents

受電装置、送電装置及び電気自動車 Download PDF

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Abstract

【課題】受電インダクタの磁性体コアが脱着可能に設けられ、脱着部の接続コネクタを簡易な構成とした受電装置を提供する。
【解決手段】本実施形態による受電装置は、送電装置から相互インダクタンスにより無線で電力を受電する受電インダクタと、前記受電インダクタに接続されるキャパシタ部と、前記キャパシタ部を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記送電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、受電電力の検出、異物の検出、温度の検出の少なくとも１つを行うセンサ部と、前記通信部の受信情報又は前記センサ部の検出結果に基づいて、受信電力を制御する制御部と、を備える。前記受電インダクタは、磁性体コア、コイル巻き線部、及び導体板を有し、前記磁性体コアは、前記受電装置の筐体に対して脱着可能に設けられた脱着部内に設けられており、前記センサ部は、前記脱着部の外部に設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、受電装置、送電装置及び電気自動車に関する。
近年、送電インダクタと受電インダクタ間の相互インダクタンスで無線により非接触で電力を伝送する無線電力伝送技術が、多くの機器に採用されている。例えば、無線伝送された電力は、受電装置に接続された電気機器の充電池に充電される。受電装置に設けられる受電インダクタは、磁性体コア、コイル巻き線部、導体板を有しており、重量が大きい。
特開２０１１−３６０３８号公報
本発明は、受電インダクタの磁性体コアが脱着可能に設けられ、脱着部の接続コネクタを簡易な構成とした受電装置、及びこの受電装置を備えた電気自動車を提供することを目的とする。
本実施形態による受電装置は、送電装置から相互インダクタンスにより無線で電力を受電する受電インダクタと、前記受電インダクタに接続されるキャパシタ部と、前記キャパシタ部を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、前記送電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、受電電力の検出、異物の検出、温度の検出の少なくとも１つを行うセンサ部と、前記通信部の受信情報又は前記センサ部の検出結果に基づいて、受信電力を制御する制御部と、を備える。前記受電インダクタは、磁性体コア、コイル巻き線部、及び導体板を有し、前記磁性体コアは、前記受電装置の筐体に対して脱着可能に設けられた脱着部内に設けられており、前記センサ部は、前記脱着部の外部に設けられている。
第１の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成図である。 第１の実施形態に係る受電装置の縦断面図である。 第１の実施形態に係る受電装置の上面図である。 キャパシタ部の構成例を示す図である。 第２の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成図である。 第３の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成図である。 第４の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成図である。 第１変形例による受電装置の縦断面図である。 第１変形例による受電装置の縦断面図である。 第１変形例による受電装置の縦断面図である。 第２変形例による受電装置の縦断面図である。 第３変形例による受電装置の縦断面図である。 第３変形例による受電装置の上面図である。 無線電力伝送システムを適用した電気自動車を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成を示す。無線電力伝送システムは、送電装置１と、送電装置１から電力が無線伝送される受電装置２とを備え、受電装置２は伝送された電力を電気機器の負荷３０に供給する。受電装置２は、電気機器の内部に設けられていてもよいし、電気機器と一体型に設けられていてもよいし、電気機器本体の外装に固着するようにしてもよい。例えば、電気機器は携帯端末や電気自動車であり、負荷３０は充電池である。
送電装置１は、商用電源から電力伝送用のＲＦに変換する電源部１１と、必要な電力量を制御するとともに、送電装置１の各部を制御する制御部１２と、センサ部１３と、通信部１４と、送電インダクタ１５とを備えている。センサ部１３は、例えば、送電装置１の発熱を監視する温度センサ、送電インダクタ１５と後述する受電インダクタ２１との間に入った異物の熱を監視する温度センサ、電磁波レーダや超音波レーダにより異物を監視するセンサ、受電インダクタ２１の位置を検出するためのＲＦＩＤなどのセンサ、送電電力を検出するための電流計や電圧計など送電装置１と受電装置２との間の無線電力伝送に用いるセンサが少なくとも１つ含まれる。通信部１４は、後述する受電装置２の通信部２８と通信を行うことができ、受電装置２の受電状況を受信したり、送電装置１の送電状況を送信したりする。
受電装置２は、送電装置１の送電インダクタ１５との相互インダクタンスにより電力を受電する受電インダクタ２１と、後述するコネクタ２２、２３を介して受電インダクタ２１と接続されるキャパシタ部２４と、キャパシタ部２４を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器２５と、負荷３０の動作電圧に基づいて昇圧及び／又は降圧を行う昇降圧回路２６と、受電装置２の各部を制御する制御部２７と、センサ部２８と、通信部２９とを備えている。送電装置１側で受電電力を制御する場合は、昇降圧回路２６を省略することができる。
キャパシタ部２４は、受電インダクタ２１に対して、直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。また、キャパシタ部２４は、図４に示すように、受電インダクタ２１に対して並列に接続されたキャパシタ素子と直列に接続されたキャパシタ素子とを含む構成であってもよい。
センサ部２８は、例えば、受電装置２の発熱を監視する温度センサ、受電インダクタ２１と送電インダクタ１５との間に入った異物の熱を監視する温度センサ、電磁波レーダや超音波レーダにより異物を監視するセンサ、送電インダクタ１５の位置を検出するためのＲＦＩＤなどのセンサ、受電電力を検出するための電流計や電圧計など送電装置１と受電装置２との間の無線電力伝送に用いるセンサが少なくても１つ含まれる。通信部２９は、送電装置１の通信部１４と通信を行うことができ、受電装置２の受電状況を送信したり、送電装置１の送電状況を受信したりする。
制御部２７は、通信部２９が送電装置１との通信で取得した情報や、センサ部２８の検出結果に基づいて、受電電力（負荷３０への供給電力）を制御する。
受電装置２は、受電装置２の筐体３から取り外し可能な脱着部２０を備えている。受電装置２が電気機器と一体型に設けられている場合、筐体３は電気機器の筐体となる。
受電インダクタ２１は脱着部２０内に設けられている。脱着部２０側にはコネクタ２２が設けられており、筐体３側にはコネクタ２３が設けられている。脱着部２０を筐体３から取り外す場合、コネクタ２２とコネクタ２３との間での連結が解除される。また、脱着部２０を筐体３に取り付ける場合、コネクタ２２とコネクタ２３とが連結し、受電インダクタ２１は、コネクタ２２、２３を介してキャパシタ部２４に接続される。
図２は受電装置２の縦断面図であり、図３は受電装置２の上面図である。図２及び図３に示すように、脱着部２０内に設けられる受電インダクタ２１は、磁性体コア２１Ａと、磁性体コア２１に巻きつけられたコイル巻き線部２１Ｂと、導体板２１Ｃとを有している。受電インダクタ２１のコイル巻き線部２１Ｂが、コネクタ２２及びコネクタ２３を介してキャパシタ部２４に接続される。導体板２１Ｃは例えばアルミ板や銅板等の金属板である。脱着部２０を誘電体で囲む構成にしてもよい。
図２では、磁性体コア２１Ａ及びコイル巻き線部２１Ｂの上方に導体板２１Ｃが設けられているが、説明の便宜上、図３では、磁性体コア２１Ａ及びコイル巻き線部２１Ｂが導体板２１Ｃの上方に位置するように図示している。
本実施形態では、重量の大きい磁性体コア２１Ａや導体板２１Ｃを含む受電インダクタ２１を脱着部２０内に設けて受電装置２から取り外し可能としている。そのため、無線電力伝送を行わない時、例えば充電終了後に、受電装置２から脱着部２０を取り外すことで、受電装置２が設けられた電気機器を軽量化することができる。
また、重量の小さいセンサ部２８は脱着部２０内には設けず、脱着部２０の取り外し後も受電装置２に残している。そのため、脱着部２０と受電装置２との間のコネクタ２２、２３は、受電インダクタ２１（コイル巻き線部２１Ｂ）とキャパシタ部２４との接続を行えばよく、センサ部２８に対応した接続部は不要となり、簡易な構成にすることができる。
上記実施形態ではセンサ部２８の全てのセンサを脱着部２０内には設けず、脱着部２０の取り外し後も受電装置２に残すような構成にしていたが、送電装置１と受電装置２との間の無線電力伝送に用いるセンサの少なくとも１つを受電装置２に残すような構成にし、センサ部２８に含まれる複数のセンサの一部を脱着部２０内に設けてもよい。これにより、脱着部２０と受電装置２との間のコネクタ構成は複雑化するが、脱着部２０取り外し後の受電装置２が設けられた電気機器をさらに軽量化することができる。どのセンサを脱着部２０内に設けるかは、コネクタ構成の複雑化と、脱着部２０取り外しによる受電装置２の軽量化とを考慮して決定することが好ましい。
（第２の実施形態）図５に本発明の第２の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成を示す。本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、キャパシタ部２４が脱着部２０内に設けられている点が異なる。図５において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
図５に示すように、脱着部２０内に設けられたキャパシタ部２４は、コネクタ２２、２３を介して整流器２５、昇降圧回路２６に接続されている。このような構成にすることで、キャパシタ部２４のキャパシタが受電インダクタ２１と直列に接続される場合、コネクタ２２、２３における電圧を低くすることができる。また、キャパシタ部２４のキャパシタが受電インダクタ２１と並列に接続される場合、コネクタ２２、２３を流れる電流を低くすることができる。このことにより、コネクタ２２、２３の耐電圧又は耐電流を低くすることができる。
（第３の実施形態）図６に本発明の第３の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成を示す。本実施形態は、図５に示す第２の実施形態と比較して、整流器２５が脱着部２０内に設けられている点が異なる。図６において、図５に示す第２の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
図６に示すように、脱着部２０内に設けられた整流器２５は、コネクタ２２、２３を介して整昇降圧回路２６に接続されている。このような構成にすることで、コネクタ２２、２３を流れる電流を直流電流にすることができる。このことにより、コネクタ部の寄生容量や、コネクタ２３から昇降圧回路２６までの配線でのインダクタンスの影響が小さくなる。
（第４の実施形態）図７に本発明の第４の実施形態に係る無線電力伝送システムのブロック構成を示す。本実施形態は、図１に示す第１の実施形態と比較して、コネクタ２２、２３が省略され、キャパシタ部２４が脱着部２０内に設けられ、第２受電インダクタ４０がさらに設けられている点が異なる。図７において、図１に示す第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
第２受電インダクタ４０は、脱着部２０の外部に設けられ、整流器２５、昇降圧回路２６に接続されている。本実施形態では、送電インダクタ１５と受電インダクタ（第１受電インダクタ）２１間で電力を伝送した後、第１受電インダクタ２１と第２受電インダクタ４０との間の相互結合で、整流器２５側に電力が伝送される。
受電装置２から脱着部２０を取り外すことで、受電装置２が設けられた電気機器を軽量化することができる。また、第１受電インダクタ２１と第２受電インダクタ２１との間で電力を無線伝送するため、受電装置２の脱着部２０にコネクタを設ける必要がない。
（第１変形例）図８に受電装置２の第１変形例を示す。脱着部２０に備えられた受電インダクタ２１は、電力伝送時に時に発熱する。そのため、図８に示すように、筐体３の蓋３１に放熱機構３２を設けることで、この放熱機構３２を介して放熱することができる。
また、蓋３１の温度が高くらないように、蓋３１と放熱機構３２との間に断熱機構３３を設けてもよい。
図９に示すように、蓋３１に放熱機構３２があってもよいし、図１０に示すように、電気機器の放熱機構３２から放熱してもよい。また、放熱機構３２に脱着部２０を押し付けるようにし放熱性を高めるようにしてもよい。
導体板２１Ｃを筐体３側又は蓋３１側に設けてもよい。導体板２１Ｃは磁性体コア２１Ａと比較して重量が軽い。そのため、磁性体コア２１Ａを含む脱着部２０を取り外すことで、受電装置２が設けられた電気機器を十分に軽量化することができる。
（第２変形例）図１１に受電装置２の第２変形例を示す。放熱機構３２を筐体３に対し固定し、脱着部２０を筐体３の横から（図面の中では手前から奥へ）スライドさせて装填／取り外しするようにしてもよい。
（第３変形例）図１２、図１３に受電装置２の第３変形例を示す。図１２は断面図であり、図１３は上面図である。図１２、図１３に示すように、コイル巻き線部２１Ｂは磁性体コア２１Ａに巻きつけられていなくてもよく、水平巻きコイルとして筐体３側（脱着部２０の外部）に設けてもよい。コイル巻き線部２１Ｂは磁性体コア２１Ａと比較して重量が軽い。そのため、磁性体コア２１Ａを含む脱着部２０を取り外すことで、受電装置２が設けられた電気機器を十分に軽量化することができる。
なお、図１３では、説明の便宜上、磁性体コア２１Ａが導体板２１Ｃの上に位置するように、かつコイル巻き線部２１Ｂが磁性体コア２１Ａの上に位置するように図示している。
図１４は、上記実施形態に係る無線電力伝送システムを電気自動車１００に適用した場合の一例を示している。受電装置２が電気機器としての電気自動車１００に設けられる。
電源部１１と接続された送電インダクタ１５から、相互インダクタンスを介して、受電インダクタ２１へ電力が伝送され、電力制御装置（整流器２５、昇降圧回路２６、制御部２７等）を介して、バッテリ１２０が充電される。
受電インダクタ２１を含む脱着部２０は、電気自動車１００の車体の下から取り出してもよいし、電気自動車１００の車内から取り出せるようにしてもよい。電気自動車１００の車内から取り出す場合、例えば、トランクルームの底部から脱着部２０を取り外すようにすることができる。このとき、脱着部２０を取り外したスペースにスペアタイヤを配置してもよい。
受電装置２のセンサ部２８は受電装置２の筐体内に収納されていてもよいし、電気自動車１００の車体に取り付けられていてもよい。
また、受電装置２に脱着部２０を自動的に移動させる移動機構を設け、ユーザにより取り付けられた脱着部２０の正確な位置合わせや、コネクタ２２、２３間の接続を行うようにしてもよい。また、無線電力伝送を行わないとき、例えば充電終了後、ユーザが取り出しやすい位置まで脱着部２０を移動させるようにしてもよい。
上記実施形態では、受電装置２の受電インダクタ２１を脱着部２０内に設け、受電インダクタ２１を受電装置２の筐体３から取り外し可能となるようにしていたが、送電装置１の送電インダクタ１５を送電装置１の筐体から取り外し可能となるようにしてもよい。例えば、脱着部２０と同様の構成の送電側脱着部を送電装置１に設け、送電インダクタ１５をこの送電側脱着部内に収納する。このとき、送電インダクタ１５の磁性体コアのみを送電側脱着部内に収納してもよいし、コイル巻き線部等の他の部材も送電側脱着部内に収納するようにしてもよい。
送電インダクタ１５と電源部１１とは、送電側脱着部に設けられた第１コネクタ、及び送電装置１の筐体側に設けられた第２コネクタにより接続される。送電側脱着部を送電装置１の筐体から取り外す場合、第１コネクタと第２コネクタとの間での連結が解除される。また、送電側脱着部を送電装置１の筐体に取り付ける場合、第１コネクタと第２コネクタとが連結し、送電インダクタ１５は、第１コネクタ及び第２コネクタを介して電源部１１に接続される。
これにより、無線電力伝送を行わない時、例えば充電終了後に、送電装置１から送電側脱着部を取り外すことで、送電装置１を軽量化することができる。また、重量の小さいセンサ部１３は送電側脱着部内には設けず、送電側脱着部の取り外し後も送電装置１に残している。そのため、送電側脱着部と送電装置１との間の第１コネクタ、第２コネクタは、送電インダクタ１５と電源部１１との接続を行えばよく、センサ部１３に対応した接続部は不要となり、簡易な構成にすることができる。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１ 送電装置
２ 受電装置
３ 筐体
１１ 電源部
１２ 制御部
１３ センサ部
１４ 通信部
１５ 送電インダクタ
２０ 脱着部
２１ 受電インダクタ
２１Ａ 磁性体コア
２１Ｂ コイル巻き線部
２１Ｃ 導体板
２２、２３ コネクタ
２４ キャパシタ部
２５ 整流器
２６ 昇降圧回路
２７ 制御部
２８ センサ部
２９ 通信部
３０ 負荷
３１ 蓋
３２ 放熱機構
１００ 電気自動車

Claims (11)

  1. 送電装置から相互インダクタンスにより無線で電力を受電する受電インダクタと、
    前記受電インダクタに接続されるキャパシタ部と、
    前記キャパシタ部を介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、
    前記送電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、
    受電電力の検出、異物の検出、温度の検出の少なくとも１つを行うセンサ部と、
    前記通信部の受信情報又は前記センサ部の検出結果に基づいて、受信電力を制御する制御部と、
    を備える受電装置であって、
    前記受電インダクタは、磁性体コア、コイル巻き線部、及び導体板を有し、
    前記磁性体コアは、前記受電装置の筐体に対して脱着可能に設けられた脱着部内に設けられており、
    前記センサ部は、前記脱着部の外部に設けられていることを特徴とする受電装置。
  2. 前記コイル巻き線部及び前記導体板のうちの少なくともいずれか一方は前記脱着部内に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の受電装置。
  3. 前記キャパシタ部が前記脱着部内に設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の受電装置。
  4. 前記整流器が前記脱着部内に設けられていることを特徴とする請求項３に記載の受電装置。
  5. 前記筐体の蓋に、受電時に前記受電インダクタにおいて生じる熱を放熱する放熱部が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の受電装置。
  6. 前記蓋と前記放熱部との間に断熱部が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の受電装置。
  7. 前記脱着部を所定の位置に移動させる移動部をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の受電装置。
  8. 送電装置から第１相互インダクタンスにより無線で電力を受電する第１受電インダクタと、
    前記第１受電インダクタに接続されるキャパシタ部と、
    前記第１受電インダクタと第２相互インダクタンスで結合する第２受電インダクタと、前記第２受電インダクタを介して受電した交流電力を直流電力に変換する整流器と、
    前記送電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、
    受電電力の検出、異物の検出、温度の検出の少なくとも１つを行うセンサ部と、
    前記通信部の受信情報又は前記センサ部の検出結果に基づいて、受信電力を制御する制御部と、
    を備える受電装置であって、
    前記第１受電インダクタ及び前記キャパシタ部は、前記受電装置の筐体に対して脱着可能に設けられた脱着部内に設けられており、
    前記センサ部は前記脱着部の外部に設けられていることを特徴とする受電装置。
  9. 請求項１乃至８のいずれかに記載の受電装置を備えた電気自動車。
  10. 前記脱着部が、トランクルームの底部を介して取り外し可能に設けられていることを特徴とする請求項９に記載の電気自動車。
  11. 高周波電源を供給する電源部と、
    前記電源部からの電力を、受電装置に対して相互インダクタンスにより無線で送電する送電インダクタと、
    前記受電装置と送電状況又は受電状況を通信する通信部と、
    送電電力の検出、異物の検出、温度の検出の少なくとも１つを行うセンサ部と、
    前記通信部の受信情報又は前記センサ部の検出結果に基づいて、送電電力を制御する制御部と、
    を備える送電装置であって、
    前記送電インダクタは磁性体コアを有し、
    前記磁性体コアは、前記受電装置の筐体に対して脱着可能に設けられた脱着部内に設けられており、
    前記センサ部は、前記脱着部の外部に設けられていることを特徴とする送電装置。
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