JP2019068695A - 非接触給電装置および電気回路モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】電力を伝送する電気回路の配線構造を単純化すること、あるいは、電力を伝送する電気回路の配線構造の機械的強度を高めること目的とする。【解決手段】非接触給電装置は、送電コイル１８と、送電コイル１８に電力を供給する電力供給回路とを備える。送電コイル１８は、それぞれがループ形状を描く４つのループ区間１８−１〜１８−４を有し、これら４つのループ区間が連なって配置されている。隣接する２つのループ区間を形成する導線が周回する方向は互いに逆方向であり、隣接する２つのループ区間に対応する受電コイルに鎖交する磁束が、隣接する２つのループ区間から発生する。この受電コイルは、隣接する２つのループ区間が配置された送電基板２０に対して垂直な受電基板３０上に配置されている。【選択図】図３

Description

本発明は、非接触給電装置および電気回路モジュールに関し、特に、非接触給電用のコイルの配置に関する。

モータジェネレータの駆動力によって走行する電気自動車や、モータジェネレータおよびエンジンの駆動力によって走行するハイブリッド自動車が広く用いられている。このような電動車両には、モータジェネレータとの間で電力を授受する電力制御回路が設けられている。モータジェネレータにトルクを発生させて電動車両を力行させるときは、電力制御回路はモータジェネレータに電力を供給する。モータジェネレータが電動車両に対して回生制動をするときは、電力制御回路はモータジェネレータが発電した回生電力を回収する。

一般に、電力制御回路は複数のスイッチング素子を有している。電動車両が備える制御ユニットは、走行状態に応じて各スイッチング素子のオンオフ制御を行うことで電力制御回路を制御し、モータジェネレータにトルクを発生させ、あるいは、モータジェネレータに回生制動をさせる。

以下の特許文献１には、電動車両に搭載されるパワーカードが記載されている。パワーカードには電力制御回路を構成するスイッチング素子が封入され、パワーカードは冷却部材に取り付けられている。パワーカードからは、周辺の装置に接続される複数の端子が引き出されている。また、特許文献２には、後述する本願発明に関連する技術として、電気自動車用の非接触給電装置が記載されている。電気自動車および非接触給電装置には、電力伝送用のコイルに加えて、８の字形状の信号伝送用コイルが用いられている。信号伝送用コイルを８の字形状とすることで、所望外の電磁波が打ち消され、安定した信号伝送が可能となることが記載されている。特許文献３にもまた、非接触給電装置が記載されている。電力伝送用の給電コイルおよび受電コイルのそれぞれには、２つのスパイラルコイルが差動接続された８の字型コイルが用いられている。

特開２０１６−５４１７５号公報 特開２００８−２８８８８９号公報 国際公開２０１５−１２５２９５号公報

一般に、車両搭載用の電力制御回路には多数のスイッチング素子が用いられている。スイッチング素子に接続される配線には、電力供給用のものだけでなく、スイッチング素子を制御するためのものがある。そのため、電力制御回路に至る配線の構造は複雑である。また、走行時の振動によって配線構造の寿命が短縮してしまうことがある。

本発明は、電力を伝送する電気回路の配線構造を単純化すること、あるいは、電力を伝送する電気回路の配線構造の機械的強度を高めること目的とする。

本発明は、送電コイルと、前記送電コイルに電力を供給し、受電コイルに対して非接触給電をする電力供給回路と、前記送電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記送電コイルに並設された結合導体と、前記受電コイルに接続された受電回路との間で前記結合導体を介して非接触通信をする制御ユニットと、前記送電コイルおよび前記結合導体が固定された送電基板と、を備え、前記送電基板は、前記受電コイルが固定された受電基板を含む面に対して交わる面上に配置されていることを特徴とする。

望ましくは、前記送電コイルは、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されており、隣接する２つの前記ループ区間を形成する導線が周回する方向は互いに逆方向であり、隣接する２つの前記ループ区間に対応する前記受電コイルに鎖交する磁束が、これら隣接する２つの前記ループ区間から発生する。

本発明は、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置された送電コイルと、前記送電コイルに電力を供給する電力供給回路と、を備え、隣接する２つの前記ループ区間を形成する導線が周回する方向は互いに逆方向であり、隣接する２つの前記ループ区間に対応する受電コイルであって、これら隣接する２つの前記ループ区間が配置された平面または曲面に対して交わる平面または曲面上に配置された受電コイルに鎖交する磁束が、これら隣接する２つの前記ループ区間から発生することを特徴とする。

望ましくは、前記送電コイルでは、複数の前記ループ区間が連なる列が２列に亘って配置されており、前記受電コイルは、同一の列で隣接する２つの前記ループ区間の間の位置に配置されており、同一の列で隣接する２つの前記ループ区間を１組のループ組として、異なる列で隣接する２つの前記ループ組に対して配置された２つの前記受電コイルから、スイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子に電力が供給される。

また、本発明は、ループ形状を描く複数の受電コイルと、複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続された受電回路と、各前記受電コイルのループ形状の内側に設けられ、あるいは、各前記受電コイルに並設された結合導体であって、各前記受電回路を制御する制御ユニットとの間で非接触通信をするための結合導体と、を備え、複数の前記受電コイルには、平面または曲面上に配置された送電コイルから電力が供給され、複数の前記受電コイルは、前記送電コイルが配置された平面または曲面に交わる平面または曲面上に配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、送電コイルから電力が供給される受電コイルと、前記受電コイルに接続された受電回路と、前記受電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記受電コイルに並設された結合導体と、前記受電コイル、前記結合導体および前記受電回路が固定される受電基板と、を備え、前記受電回路は、自らを制御する制御ユニットとの間で前記結合導体を介して非接触通信をし、前記受電基板は、前記送電コイルが固定された送電基板を含む面に交わる面上に配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を前記送電コイルが有し、複数の前記ループ区間が連なる列が２列に亘って配置されている、請求項５または請求項６に記載の電気回路モジュールにおいて、前記受電コイルは、同一の列で隣接する２つの前記ループ区間の間の位置に設けられ、前記受電回路は、スイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子を備え、同一の列で隣接する２つの前記ループ区間を１組のループ組として、異なる列で隣接する２つの前記ループ組に対して配置された２つの前記受電コイルから、前記受電回路における２つの前記スイッチング素子に電力が供給される。

本発明によれば、電力を伝送する電気回路の配線構造を単純化することができ、あるいは、電力を伝送する電気回路の配線構造の機械的強度を高めることができる。

車両搭載用電力システムの構成例を示す図である。 車両搭載用電力システムのＵ相に関する部分を示す図である。 車両搭載用電力システムの構成例を模式的に示す図である。 送電コイル、第１受電コイルおよび第２受電コイルの構成例を模式的に示す図である。 車両搭載用電力システムの構成例を模式的に示す図である。 送電コイル、受電コイルの構成例を模式的に示す図である。 車両搭載用電力システムの構成例を模式的に示す図である。 送電コイルおよび各受電コイルの構成例を模式的に示す図である。 複数のパワーカードが冷却器に装着された状態を示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る車両搭載用電力システムの構成例が示されている。車両搭載用電力システムは、制御ユニット１０、電力供給回路１２、Ｕ相パワーカード１４ｕ、Ｖ相パワーカード１４ｖ、およびＷ相パワーカード１４ｗを備えている。各パワーカードにはモータジェネレータ等の３相の負荷回路１６が接続されている。各パワーカードは電気回路が組み込まれた電気回路モジュールであり、負荷回路１６との間で電力を授受する機能を有する。

制御ユニット１０は、電力供給回路１２および各パワーカードを制御する。電力供給回路１２は、制御ユニット１０による制御に従って各パワーカードに電力を供給し、各パワーカードは、制御ユニット１０による制御に従って負荷回路１６に電力を供給する。また、各パワーカードは、制御ユニット１０による制御に従って負荷回路１６から電力を回収し、電力供給回路１２は、制御ユニット１０による制御に従って各パワーカードから電力を回収する。

図２には、車両搭載用電力システムのＵ相に関する部分として、Ｕ相電力システムが模式的に示されている。Ｕ相電力システムは、制御ユニット１０、電力供給回路１２、送電コイル１８、送信線状導体２４ａ、送信線状導体２４ｂ、送電基板２０およびＵ相パワーカード１４ｕを備える。

Ｕ相パワーカード１４ｕは、第１受電コイル２６ａ、第２受電コイル２６ｂ、受信線状導体２８ａ、受信線状導体２８ｂ、電力制御回路３１、および受電基板３０を備える。電力制御回路３１は、ヒステリシスコンパレータ２９ａ、整流回路３２ａ、受信回路３４ａ、駆動回路３６ａおよびスイッチング素子３８ａを備える。整流回路３２ａ、受信回路３４ａ、および駆動回路３６ａは、第１受電コイル２６ａから得られた電力をスイッチング素子３８ａに供給すると共に、スイッチング素子３８ａをオンオフ制御する。

電力制御回路３１は、さらに、ヒステリシスコンパレータ２９ｂ、整流回路３２ｂ、受信回路３４ｂ、駆動回路３６ｂおよびスイッチング素子３８ｂを備える。整流回路３２ｂ、受信回路３４ｂ、および駆動回路３６ｂは、第２受電コイル２６ｂから得られた電力をスイッチング素子３８ｂに供給すると共に、スイッチング素子３８ｂをオンオフ制御する。

スイッチング素子３８ａおよび３８ｂには、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。これらのスイッチング素子はスイッチングアームを構成してもよい。各スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いた場合、スイッチングアームでは、上アームとしてのスイッチング素子３８ａのエミッタ端子と、下アームとしてのスイッチング素子３８ｂのコレクタ端子とが接続される。上アームと下アームの接続点が負荷回路のＵ相端子に接続され、上アームのコレクタ端子と下アームのエミッタ端子との間に電源電圧が印加される。スイッチングアームでは、例えば上アームと下アームが交互にオンオフすることで、上アームと下アームとの接続点から負荷回路に向かう電流が流れ、または、負荷回路からその接続点に向かう電流が流れる。

電力供給回路１２には送電コイル１８が接続され、電力制御回路３１には第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂが接続されている。送電コイル１８は送電基板２０に固定され、第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂは受電基板３０に固定されている。後述するように、送電基板２０および受電基板３０は、受電基板３０の一辺が送電基板２０の板面に向けられるように、互いに垂直な位置関係で配置されている。これによって、送電コイル１８と第１受電コイル２６ａとが近接配置され、送電コイル１８と第２受電コイル２６ｂとが近接配置されている。

すなわち、送電コイル１８と第１受電コイル２６ａは、一方が発生した磁束が他方に鎖交する位置関係で配置され、送電コイル１８と第２受電コイル２６ｂもまた、一方が発生した磁束が他方に鎖交する位置関係で配置されている。これによって、電力供給回路１２と電力制御回路３１との間で非接触給電が行われる。

制御ユニット１０と電力制御回路３１との間には、スイッチング素子３８ａに対する信号伝送路２２ａと、スイッチング素子３８ｂに対する信号伝送路２２ｂが個別に設けられている。信号伝送路２２ａおよび２２ｂのそれぞれは、平衡モードの信号を伝送する２本の導線によって構成されている。

信号伝送路２２ａには電磁気結合器２５ａが設けられており、制御ユニット１０と電力制御回路３１とが電磁気結合器２５ａを介して接続されている。同様に、信号伝送路２２ｂには電磁気結合器２５ｂが設けられており、制御ユニット１０と電力制御回路３１とが電磁気結合器２５ｂを介して接続されている。

電磁気結合器２５ａは、長手方向を揃えて近接配置される送信線状導体２４ａ、および、受信線状導体２８ａを備え、この一対の線状導体の電気的または磁気的な結合によって、一方の線状導体側の回路と、他方の線状導体側の回路との間の信号伝送路を形成する。

電磁気結合器２５ｂは、長手方向を揃えて近接配置される送信線状導体２４ｂ、および受信線状導体２８ｂを備え、この一対の線状導体の電気的または磁気的な結合によって、一方の線状導体側の回路と、他方の線状導体側の回路との間の信号伝送路を形成する。

電磁気結合器２５ａおよび２５ｂのいずれについても、送信線状導体は送電基板２０に固定されており、受信線状導体は受電基板３０に固定されている。送電基板２０および受電基板３０が所定の位置関係で配置されることで、これらの線状導体（結合導体）が近接配置され、電磁気結合器が形成される。制御ユニット１０は、電磁気結合器を介して電力制御回路３１との間で非接触通信を行う。

各電磁気結合器が備える一対の線状導体は直接接触しておらず、さらに、送電コイル１８と各受電コイルは直接接触していないため、送電基板２０と受電基板３０とは機械的に接触していなくてもよく、さらに着脱自在としてもよい。

電力供給回路１２は、制御ユニット１０の制御に応じて送電コイル１８に交流電圧を出力する。これによって、送電コイル１８から第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂに鎖交する磁束が発生し、第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂに誘導起電力が発生する。第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂは、受電回路としての電力制御回路３１に誘導起電力に基づく交流電力を出力する。整流回路３２ａは、第１受電コイル２６ａから出力された交流電力を直流電力に変換し、受信回路３４ａおよび駆動回路３６ａに出力する。同様に、整流回路３２ｂは、第２受電コイル２６ｂから出力された交流電力を直流電力に変換し、受信回路３４ｂおよび駆動回路３６ｂに出力する。

制御ユニット１０は、スイッチング素子３８ａを制御するための制御信号を電磁気結合器２５ａに出力する。制御信号は、時間波形が矩形の信号であってもよい。電磁気結合器２５ａは制御信号を波形整形器２９ａに伝送する。波形整形器２９ａは、制御信号の時間波形を整形して受信回路３４ａに伝送する。受信回路３４ａは、制御信号に応じて駆動回路３６ａを制御し、駆動回路３６ａはスイッチング素子３８ａをオンオフ制御する。同様に、制御ユニット１０は、スイッチング素子３８ｂを制御するための制御信号を電磁気結合器２５ｂに出力する。電磁気結合器２５ｂは制御信号を波形整形器２９ｂに伝送する。波形整形器２９ｂは、制御信号の時間波形を整形して受信回路３４ｂに伝送する。受信回路３４ｂは、制御信号に応じて駆動回路３６ｂを制御し、駆動回路３６ｂはスイッチング素子３８ｂをオンオフ制御する。

なお、波形整形器２９ａおよび２９ｂは、例えば、制御信号が所定の第１閾値より小さい値から所定の第１閾値以上の値に変化したときに、ハイレベルの値を出力し、制御信号が所定の第２閾値より大きい値から所定の第２閾値以下の値に変化したときに、ローレベルの整形後の信号を出力するヒステリシスコンパレータであってもよい。ここで、第２閾値は第１閾値よりも小さい値である。

スイッチング素子３８ａおよび３８ｂは、整流回路３２ａおよび３２ｂから出力される電力を駆動回路３６ａおよび駆動回路３６ｂによるオンオフ制御に応じて調整し、負荷回路に出力する。

なお、負荷回路から電力供給回路１２に電力が回収される場合には、スイッチング素子３８ａおよびスイッチング素子３８ｂに対するオンオフ制御の下、負荷回路、駆動回路（３６ａ，３６ｂ）、整流回路（３２ａ，３２ｂ）、受電コイル（２６ａ，２６ｂ）、送電コイル１８、および電力供給回路１２の順序で電力が伝送される。

ここでは、車両搭載用電力システムのＵ相に関する構成について説明したが、Ｖ相およびＷ相に関する構成は、Ｕ相と同様の構成を有する。図１に示されるように、Ｖ相パワーカード１４ｖおよびＷ相パワーカード１４ｗはＵ相パワーカード１４ｕと共通の制御ユニット１０によって制御されてもよい。また、Ｖ相パワーカード１４ｖおよびＷ相パワーカード１４ｗには、Ｕ相パワーカード１４ｕと共通の電力供給回路１２から電力が供給されてもよい。また、ここでは３枚のパワーカードを備え、３相の負荷回路に電力を供給する構成について説明した。車両搭載用システムにＮ個のスイッチングアーム（Ｎ対のスイッチング素子）を有する電力変換回路が用いられる場合、Ｎ枚のパワーカードを用いた構成となる。

図３（ａ）および（ｂ）には、送電コイル１８、送信線状導体２４ａ、送信線状導体２４ｂ、送電基板２０、第１受電コイル２６ａ、第２受電コイル２６ｂ、受信線状導体２８ａ、受信線状導体２８ｂ、および受電基板３０を備える車両搭載用電力システムの構成が模式的に示されている。送電基板２０および受電基板３０は、受電基板３０の一辺が送電基板２０の板面に向けられるように、互いに垂直な位置関係で配置されている。図３（ａ）には、送電基板２０と受電基板３０とが離れた図が示されているが、これらの基板は接触していてもよい。受電基板３０にはパワーカードが構成されている。この図は、各コイルの位置関係および各線状導体の位置関係を説明するためのものであり、各コイルおよび各線状導体の構造を厳密に示すものではない。図３では、送電基板２０の下向きの法線方向をｚ軸正方向、受電基板３０の右向きの法線方向をｘ軸正方向としてｘｙｚ座標が定義されている。

送電コイル１８は、直列接続された第１ループ区間１８−１、第２ループ区間１８−２、第３ループ区間１８−３および第４ループ区間１８−４を有している。各ループ区間では導線が矩形に周回している。第１ループ区間１８−１、第２ループ区間１８−２、第３ループ区間１８−３および第４ループ区間１８−４は、縦横の方向を揃えてｚ軸負方向を見て時計回りに配置されている。各ループ区間の縦方向はｙ軸方向に対応し、横方向はｘ軸方向に対応している。

図３（ｂ）には、各ループ区間の巻き方向の関係が、ある時刻における磁束の向きによって示されている。丸印内に黒点が付された記号はｚ軸正方向に向かう磁束を示し、丸印内に「×」が付された記号はｚ軸負方向に向かう磁束を示している。ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間の巻線の巻き方向は逆方向であり、ｙ軸方向に隣接する２つのループ区間の巻線の巻き方向もまた逆方向である。

受電基板３０は、第１ループ区間１８−１と第２ループ区間１８−２との間、および、第３ループ区間１８−３と第４ループ区間１８−４との間に位置するように、送電基板２０に対して垂直に配置されている。第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂのそれぞれは、矩形に周回する導線によって形成されている。第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂは、ｘ軸正方向を向いた側の送電基板２０の板面に、縦横の方向を揃えてｙ軸方向に並べて配置されている。各受電コイルの縦方向はｚ軸方向に対応し、各受電コイルの横方向はｙ軸方向に対応している。第１受電コイル２６ａは、送電コイル１８の第１ループ区間１８−１と第２ループ区間１８−２との間に位置し、第２受電コイル２６ｂは、送電コイル１８の第３ループ区間１８−３と第４ループ区間１８−４との間に位置する。

送電コイル１８に電圧が印加され電流が流れると、第２ループ区間１８−２をｚ軸正方向に貫き、第１受電コイル２６ａをｘ軸正方向に貫き、第１ループ区間１８−１をｚ軸負方向に貫く磁束が発生する。さらに、第４ループ区間１８−４をｚ軸正方向に貫き、第２受電コイル２６ｂをｘ軸負方向に貫き、第３ループ区間１８−３をｚ軸負方向に貫く磁束が発生する。あるいは、これらの磁束とは向きが逆方向の磁束が発生する。

このように、送電コイル１８に流れる電流によって第１ループ区間１８−１および第２ループ区間１８−２から発生した磁束は、第１受電コイル２６ａに鎖交し、第３ループ区間１８−３および第４ループ区間１８−４から発生した磁束は、第２受電コイル２６ｂに鎖交する。第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂには、鎖交磁束に応じた誘導起電力が発生する。

なお、第１ループ区間１８−１から発生した磁束には、第４ループ区間１８−４に鎖交するものもあり、第４ループ区間１８−４から発生した磁束には、第１ループ区間１８−１に鎖交するものもある。そして、第２ループ区間１８−２から発生した磁束には、第３ループ区間１８−３に鎖交するものもあり、第３ループ区間１８−３から発生した磁束には、第２ループ区間１８−２に鎖交するものもある。ｘ軸方向およびｙ軸方向に隣接するループ区間は互いに鎖交磁束を強め合う。

図３（ａ）に示されているように、第１ループ区間１８−１の内側には送信線状導体２４ａが配置され、第４ループ区間１８−４の内側には送信線状導体２４ｂが配置されている。送信線状導体２４ａおよび２４ｂは、これらの長手方向をｙ軸方向に向けて送電基板２０上に配置されている。また、第１受信コイル２６ａの内側には、受信線状導体２８ａが配置され、第２受信コイル２６ｂの内側には、受信線状導体２８ｂが配置されている。受信線状導体２８ａおよび２８ｂは、これらの長手方向をｙ軸方向に向けて受電基板３０上に配置されている。

送信線状導体２４ａと受信線状導体２８ａとは電気的または磁気的に結合し、電磁気結合器を構成する。送信線状導体２４ｂと受信線状導体２８ｂは電気的または磁気的に結合し、電磁気結合器を構成する。

図４には、送電コイル１８、第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂの構成例が模式的に示されている。この図は、各コイルを形成する導線を周回させる方法を説明するためのものであり、各コイルの構造を厳密に示すものではない。以下の説明では、時計回りおよび反時計回りは、送電コイル１８に関しては、ｚ軸正方向を見たときの回転方向、すなわち、図の上側から見た回転方向として定義されている。第１受電コイル２６ａおよび第２受電コイル２６ｂに関しては、ｘ軸負方向を見たときの回転方向、すなわち、図の右側から見た回転方向として定義されている。

送電コイル１８の両端には、送電コイル接続端子４０ａおよび４０ｂが設けられている。送電コイル１８を形成する導線は、送電コイル接続端子４０ａから時計回りに矩形の第１ループ区間１８−１を描き、２周した後に第２ループ区間１８−２の始点２Ｓに至る。導線は、始点２Ｓから反時計回りに矩形の第２ループ区間１８−２を描き、２周した後に第３ループ区間１８−３の始点３Ｓに至る。導線は、始点３Ｓから時計回りに矩形の第３ループ区間１８−３を描き、２周した後に第４ループ区間１８−４の始点４Ｓに至る。導線は、始点４Ｓから反時計回りに矩形の第４ループ区間１８−４を描き、２周した後に送電コイル接続端子４０ｂに至る。

第１受電コイル２６ａの両端には、受電コイル接続端子４２ａおよび４２ｂが設けられている。第１受電コイル２６ａを形成する導線は、受電コイル接続端子４２ａから反時計回りに矩形のループを描き、２周した後に受電コイル接続端子４２ｂに至る。

第２受電コイル２６ｂの両端には、受電コイル接続端子４２ｃおよび４２ｄが設けられている。第２受電コイル２６ｂを形成する導線は、受電コイル接続端子４２ｃから反時計回りに矩形のループを描き、２周した後に受電コイル接続端子４２ｄに至る。

このように、送電コイル１８は、それぞれがループ形状を描く４つのループ区間を有し、２つのループ区間が連なった列が２列に亘って送電基板２０上に配置されている。ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間を形成する導線が周回する方向は逆方向であり、ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間に対応する受電コイルに同一方向に鎖交する磁束が、これら隣接する２つのループ区間から発生する。そのため、隣接する２つのループ区間を形成する導線が周回する方向を同一方向とした場合に比べて電力伝送に寄与しない磁束が低減され、送電コイル１８と各受電コイルとの相互インダクタンスが増加する。

受電コイルは、同一の列で隣接する２つのループ区間の間の位置に配置されており、同一の列で隣接する２つのループ区間を１組のループ組として、異なる列で隣接する２つのループ組に対して配置された２つの受電コイルから、スイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子に電力が供給される。

図５には、パワーカードが１つのスイッチング素子を含む場合の車両搭載用電力システムの構成が示されている。このシステムは、図３に示されている車両搭載用電力システムにおいてｘ軸方向に２列に配置された送電コイルのループ区間および受電コイルのうち、１列のみを採用したものに相当する。図６には、送電コイル１８、受電コイル２６の構成例が模式的に示されている。この図は、各コイルを形成する導線を周回させる方法を説明するためのものであり、各コイルの構造を厳密に示すものではない。以下の説明では、時計回りおよび反時計回りは、送電コイル１８に関しては、ｚ軸正方向を見たときの回転方向、すなわち、図の上側から見た回転方向として定義されている。受電コイル２６に関しては、ｘ軸負方向を見たときの回転方向、すなわち、図の右側から見た回転方向として定義されている。

送電コイル１８の両端には、送電コイル接続端子４０ａおよび４０ｂが設けられている。送電コイル１８を形成する導線は、送電コイル接続端子４０ａから時計回りに矩形の第１ループ区間１８−１を描き、２周した後に第２ループ区間１８−２の始点２Ｓに至る。導線は、始点２Ｓから反時計回りに矩形の第２ループ区間を描き、２周した後に送電コイル接続端子４０ｂに至る。

受電コイル２６の両端には、受電コイル接続端子４２ａおよび４２ｂが設けられている。受電コイル２６を形成する導線は、受電コイル接続端子４２ａから反時計回りに矩形のループを描き、２周した後に受電コイル接続端子４２ｂに至る。

図７（ａ）には、８枚のパワーカードを備える車両搭載用電力システムの構成が模式的に示されている。この車両搭載用電力システムは、法線方向が送電基板２０Ｂの長手方向に向けられた８枚の受電基板３０Ｂを送電基板２０Ｂの長手方向に連ねたものである。すなわち、各受電基板３０Ｂは送電基板２０Ｂに対して垂直に配置され、送電基板２０Ｂの長手方向に連ねられている。図７（ａ）では、送電基板２０Ｂの下向きの法線方向をｚ軸方向、受電基板３０Ｂの右向きの法線方向をｘ軸方向としてｘｙｚ座標が定義されている。

各受電基板３０Ｂにはパワーカードが構成されている。送電基板２０Ｂでは、送電コイル１８を構成する１８個のループ区間１８−１〜１８−１８がｘ軸方向に２列に分けて配置され、ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間の間に、各ループ区間に対して垂直に受電コイル２６ａおよび２６ｂが配置されている。

送電コイル１８は、直列接続された第１ループ区間１８−１〜第１８ループ区間１８−１８を有している。各ループ区間では導線が矩形に周回している。第１ループ区間１８−１〜第９ループ区間１８−９は、縦横の方向を揃えてｘ軸方向に配置されている。第１０ループ区間１８−１０〜第１８ループ区間１８−１８は、それぞれ、第９ループ区間１８−９〜第１ループ区間１８−１に隣接するように、縦横の方向を揃えてｘ軸方向に配置されている。各ループ区間の縦方向はｙ軸方向に対応し、横方向はｘ軸方向に対応している。

図７（ｂ）には、各ループ区間の巻き方向の関係が、ある時刻における磁束の向きによって示されている。ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間の巻線の巻き方向は逆向きであり、ｙ軸方向に隣接する２つのループ区間の巻線の巻き方向もまた逆向きである。

受電基板３０Ｂは、ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間の間に位置するように、送電基板２０Ｂに対して垂直に配置されている。ｘ軸正方向を向いた側の受電基板３０Ｂの板面には、２つの受電コイル２６ａおよび２６ｂがｙ軸方向に並べて配置されている。各受電コイルは矩形に周回する導線によって形成されている。各受電コイルの縦方向はｚ軸方向に対応し、各受電コイルの横方向はｙ軸方向に対応している。図７（ａ）の奥側の受電コイル２６ａは、奥側の列においてｘ軸方向に隣接する２つのループ区間の間に位置し、図６（ｂ）の手前側の受電コイル２６ｂは、手前側の列においてｘ軸方向に隣接する２つのループ区間の間に位置する。

送電コイル１８に電圧が印加され電流が流れると、各ループ区間から磁束が発生する。ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間の一方から発生した磁束は、これら２つのループ区間の間に位置する受電コイルを貫くと共に、他方のループ区間を貫く。

すなわち、送電コイル１８に流れる電流によって、ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間から発生した磁束は、これら２つのループ区間の間に位置する受電コイルに鎖交する。この受電コイルには鎖交磁束に応じた誘導起電力が発生する。ｘ軸方向およびｙ軸方向に隣接する２つのループ区間は互いに鎖交磁束を強め合う。

図７（ａ）の左端に示されている第９ループ区間１８−９および第１０ループ区間１８−１０を除き、図の奥側の各ループ区間の内側には、長手方向をｙ軸方向に向けて送信線状導体２４ａが配置され、図の手前側の各ループ区間の内側には、長手方向をｙ軸方向に向けて送信線状導体２４ｂが配置されている。また、図の奥側の各受信コイルの内側には、長手方向をｙ軸方向に向けて受信線状導体２８ａが配置され、図の手前側の各受信コイルの内側には、長手方向をｙ軸方向に向けて受信線状導体２８ｂが配置されている。

各ループ区間の内側にある送信線状導体と、その左側に垂直な姿勢で配置された受信コイルの内側にある受信線状導体とは、電気的または磁気的に結合し、電磁気結合器を構成する。

図８には、送電コイル１８および各受電コイルの構成例が模式的に示されている。この図は、各コイルを形成する導線を周回させる方法を説明するためのものであり、各コイルの構造を厳密に示すものではない。

以下の説明では、時計回りおよび反時計回りは、送電コイル１８に関しては、ｚ軸正方向を見たときの回転方向、すなわち、図の上側から見た回転方向として定義されている。受電コイル２６ａおよび２６ｂに関しては、ｘ軸負方向を見たときの回転方向、すなわち、図の右側から見た回転方向として定義されている。

送電コイル１８の両端には、送電コイル接続端子４４ａおよび４４ｂが設けられている。送電コイル１８を形成する導線は、送電コイル接続端子４４ａから時計回りに矩形の１周の第１ループ区間１８−１を描き、第２ループ区間１８−２の始点２Ｓに至る。導線は、反時計回りに矩形の第２ループ区間を描き、（１＋３／４）周した後に第３ループ区間の始点３Ｓに至る。導線は、以降同様に、時計回り、反時計回り・・・・のように周回方向を反転しながらｘ軸負方向に進み、第４ループ区間１８−４、第５ループ区間１８−５、・・・・、第９ループ区間１８−９を描いて第１０ループ区間の始点１０Ｓに至る。導線は、奇数番目のループ区間では１周のループを描き、偶数番目のループ区間では（１＋３／４）周のループを描く。さらに、導線は、反時計周り、時計回り、反時計回り・・・・のように周回方向を反転しながらｘ軸正方向に進み、第１０ループ区間１８−１０から第１８ループ区間１８−１８を描いて送電コイル接続端子４４ｂに至る。

各受電コイル２６ａの両端には、受電コイル接続端子４６ａおよび４６ｂが設けられている。各受電コイル２６ａを形成する導線は、受電コイル接続端子４６ａから反時計回りに矩形のループを描き、２周した後に受電コイル接続端子４６ｂに至る。同様に、各受電コイル２６ｂの両端には、受電コイル接続端子４６ｃおよび４６ｄが設けられている。各受電コイル２６ａを形成する導線は、受電コイル接続端子４６ｃから反時計回りに矩形のループを描き、２周した後に受電コイル接続端子４６ｄに至る。

このように、送電コイル１８は、それぞれがループ形状を描く１８個のループ区間を有し、９個のループ区間が連なった列が２列に亘って連なって送電基板２０上に配置されている。ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間を形成する導線が周回する方向は互いに逆方向であり、ｘ軸方向に隣接する２つのループ区間に対応する受電コイルに同一方向に鎖交する磁束が、これら隣接する２つのループ区間から発生する。そのため、隣接する２つのループ区間を形成する導線が周回する方向を同一方向とした場合に比べて電力伝送に寄与しない磁束が低減され、送電コイル１８と各受電コイルとの相互インダクタンスが増加する。

受電コイルは、同一の列で隣接する２つのループ区間の間の位置に配置されており、同一の列で隣接する２つのループ区間を１組のループ組として、異なる列で隣接する２つのループ組に対して配置された２つの受電コイルから、スイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子に電力が供給される。

上述の各実施形態に係る車両搭載用電力システムでは、送電基板側の回路と受電基板側の回路とが、配線接続によらず結合する。そのため、送電回路と受電回路との配線構造が単純化されると共に、各基板の機械的強度が高まる。

なお、上記では、送電コイルのループ区間の内側に送信線状導体が配置された構造について説明したが、各送電線状導体は、送電コイルのループ区間の外側に並設されてもよい。同様に、各受電線状導体は、受電コイルの外側に並設されてもよい。

また、上述の各実施形態に係る車両搭載用電力システムでは、送電基板および受電基板が、受電基板の一辺が送電基板の板面に向けられるように互いに垂直な位置関係で配置されている。受電基板は送電基板に対し、垂直から傾いた姿勢であってもよい。すなわち、送電基板および受電基板は、受電基板を含む平面に対して９０°でない角度で交わる平面上に送電基板が配置されている姿勢で配置されてもよい。

また、上述の各実施形態に係る車両搭載用電力システムでは、送電コイルが平板状の送電基板に固定され、受電コイルが平板状の受電基板に固定されている。送電基板および受電基板は、曲面を有する基板であってもよい。

図９には、複数のパワーカード１４が冷却器４８に装着された状態が示されている。冷却器４８は、流入管５０、流出管５２、および複数の冷却フィン５４を備えている。冷却フィン５４は板状に形成されており、冷媒が流通する空洞が内部に形成されている。複数の冷却フィン５４は、板面方向を揃えて所定間隔を隔てて連ねられている。隣接する２つの冷却フィン５４の間にはパワーカード１４が配置されている。図９には、８枚のパワーカード１４が冷却フィン５４の間に配置された例が示されている。各パワーカード１４は、１つのスイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子を含む。各パワーカード１４の上方には送電基板２０Ｂが配置されている。各パワーカードが構成される受電基板３０の上辺と送電基板２０Ｂとの間には隙間があり、各パワーカードと送電基板２０Ｂとは接触していない。

各冷却フィン５４では、図９の奥側の端付近に流入管５０が設けられ、手前側の端付近に流出管５２が設けられている。流入管５０は各冷却フィン５４の内部の空洞に連通し、各冷却フィン５４の空洞は流出管５２に連通している。流入管５０は、その入口５６から流入した冷媒を各冷却フィン５４の空洞へと導く。各冷却フィン５４の空洞を通る冷媒は近接するパワーカード１４から熱を奪ってパワーカード１４を冷却する。各冷却フィン５４の空洞からは流出管５２に冷媒が放出される。流出管５２は、各冷却フィン５４から放出された冷媒をその出口５８へと導く。

１０ 制御ユニット、１２ 電力供給回路、１４ｕ Ｕ相パワーカード、１４ｖ Ｖ相パワーカード、１４ｗ Ｗ相パワーカード、１６ 負荷回路、１８ 送電コイル、２０，２０Ａ，２０Ｂ 送電基板、２２ａ，２２ｂ 信号伝送路、２４ａ，２４ｂ 送信線状導体、２６ 受電コイル，２６ａ 第１受電コイル、２６ｂ 第２受電コイル、２８ａ，２８ｂ 受信線状導体、３０，３０Ａ，３０Ｂ 受電基板、３１ 電力制御回路、３２ａ，３２ｂ 整流回路、３４ａ，３４ｂ 受信回路、３６ａ，３６ｂ 駆動回路、３８ａ，３８ｂ スイッチング素子、４０ａ，４０ｂ，４４ａ，４４ｂ 送電コイル接続端子、４２ａ〜４２ｄ，４６ａ〜４６ｄ 受電コイル接続端子、４８ 冷却器、５０ 流入管、５２ 流出管、５４ 冷却フィン、５６ 入口、５８ 出口。

Claims (7)

1. 送電コイルと、
   前記送電コイルに電力を供給し、受電コイルに対して非接触給電をする電力供給回路と、
   前記送電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記送電コイルに並設された結合導体と、
   前記受電コイルに接続された受電回路との間で前記結合導体を介して非接触通信をする制御ユニットと、
   前記送電コイルおよび前記結合導体が固定された送電基板と、を備え、
   前記送電基板は、前記受電コイルが固定された受電基板を含む面に対して交わる面上に配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
2. 請求項１に記載の非接触給電装置において、
   前記送電コイルは、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されており、
   隣接する２つの前記ループ区間を形成する導線が周回する方向は互いに逆方向であり、
   隣接する２つの前記ループ区間に対応する前記受電コイルに鎖交する磁束が、これら隣接する２つの前記ループ区間から発生することを特徴とする非接触給電装置。
3. それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置された送電コイルと、
   前記送電コイルに電力を供給する電力供給回路と、を備え、
   隣接する２つの前記ループ区間を形成する導線が周回する方向は互いに逆方向であり、
   隣接する２つの前記ループ区間に対応する受電コイルであって、これら隣接する２つの前記ループ区間が配置された平面または曲面に対して交わる平面または曲面上に配置された受電コイルに鎖交する磁束が、これら隣接する２つの前記ループ区間から発生することを特徴とする非接触給電装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の非接触給電装置において、
   前記送電コイルでは、
   複数の前記ループ区間が連なる列が２列に亘って配置されており、
   前記受電コイルは、同一の列で隣接する２つの前記ループ区間の間の位置に配置されており、
   同一の列で隣接する２つの前記ループ区間を１組のループ組として、異なる列で隣接する２つの前記ループ組に対して配置された２つの前記受電コイルから、スイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子に電力が供給されることを特徴とする非接触給電装置。
5. ループ形状を描く複数の受電コイルと、
   複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続された受電回路と、
   各前記受電コイルのループ形状の内側に設けられ、あるいは、各前記受電コイルに並設された結合導体であって、各前記受電回路を制御する制御ユニットとの間で非接触通信をするための結合導体と、を備え、
   複数の前記受電コイルには、
   平面または曲面上に配置された送電コイルから電力が供給され、
   複数の前記受電コイルは、
   前記送電コイルが配置された平面または曲面に交わる平面または曲面上に配置されていることを特徴とする電気回路モジュール。
6. 送電コイルから電力が供給される受電コイルと、
   前記受電コイルに接続された受電回路と、
   前記受電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記受電コイルに並設された結合導体と、
   前記受電コイル、前記結合導体および前記受電回路が固定される受電基板と、を備え、
   前記受電回路は、自らを制御する制御ユニットとの間で前記結合導体を介して非接触通信をし、
   前記受電基板は、前記送電コイルが固定された送電基板を含む面に交わる面上に配置されていることを特徴とする電気回路モジュール。
7. それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を前記送電コイルが有し、複数の前記ループ区間が連なる列が２列に亘って配置されている、請求項５または請求項６に記載の電気回路モジュールにおいて、
   前記受電コイルは、同一の列で隣接する２つの前記ループ区間の間の位置に設けられ、
   前記受電回路は、スイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子を備え、
   同一の列で隣接する２つの前記ループ区間を１組のループ組として、異なる列で隣接する２つの前記ループ組に対して配置された２つの前記受電コイルから、前記受電回路における２つの前記スイッチング素子に電力が供給されることを特徴とする電気回路モジュール。
   

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