JP2020167753A - 送電装置、受電装置および非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】漏洩磁界が抑制された非接触給電システムを提供する。【解決手段】非接触給電システムは、送電装置１と、受電装置２とを有している。送電装置は、送電コイル１０と、磁性体コア１１と、第１導体板１２と、筐体１３と、第２導体板１４とを有している。筐体は、送電コイル、磁性体コア、および第１導体板を囲い、受電装置２側が開放された直方体の箱状の物体である。筐体は、直方体の底面である底面部１５と、直方体の４つの側面である側面部１６を有している。底面部１５は、フェライトからなる。側面部は、導電率が底面部よりも大きな金属からなる。【選択図】図１

Description

本発明は、非接触で電力を給電可能な非接触給電システムに関する。また、非接触給電システムに用いる送電装置、受電装置に関する。

近年、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）などの樹脂を車両のボディに使用することで車両重量を軽減し、それによりＥＶ（電気自動車）やＰＨＶ（プラグインハイブリッド車）の電費、燃費の向上を図る取り組みが進められている。

また、ＥＶやＰＨＶの充電を容易にする非接触給電システムの開発も進められている。非接触給電の方式としては、送電コイルと受電コイル間の磁界結合を利用して電力を伝送する方式が注目されている。この方式は、送電コイルと受電コイルが比較的離れていても電力を伝送でき、送電コイルと受電コイルの位置ずれに対しても強く、配置の自由度が高いという利点がある。

特許文献１には、非接触給電に用いるコイルユニットとして、フェライトからなる磁性体板の中央に突出部を設け、その突出部の外周に沿ってコイルを巻いた構成が記載されている。突出部によって送電コイルと受電コイルの結合係数を向上させ、それにより漏洩磁界を抑制している。

特許文献２には、非接触給電に用いるコイルユニットとして、フェライトからなる板状の磁性体板と、磁性体板の表面に設けられたコイルと、磁性体板の裏面に設けられた金属板とを有した構成が示されている。磁性体板は、中央に中空部を有し、放射状に外周方向に延びる突起部を有した形状であり、８つのパーツで構成されることが記載されている。コイルから流入した磁束は、磁性体の外周部に放射状に流れる傾向にあることから、磁性体板に突起部を設けることで磁性体板内を磁束が流れやすくなり、送電コイルと受電コイルの結合係数が増加する。その結果、特許文献２のコイルユニットによれば、漏洩磁界を抑制することができる。

特開２０１６−１０３６１３号公報 特開２０１８−６４４２２号公報

従来、車両ボディの材料として鉄が用いられていたため、車両ボディは磁界シールド材として機能していた。しかし、ＥＶやＰＨＶの車両ボディが鉄からＣＦＲＰなどの樹脂へ置き換わると、ＣＦＲＰは非磁性体で導電率が低いため、車両ボディによる磁界シールド効果がなくなる。このような樹脂製ボディのＥＶやＰＨＶに非接触給電システムを適用した場合、車室内へ磁界が漏洩する可能性があり、磁界曝露による人への影響が懸念される。また、車載機器などが誤作動を起こすことも考えられる。そのため、車室内への磁界漏洩を抑制する方法が求められていた。

特許文献１では、電力伝送時にコイルに発生した熱が磁性体に伝導する可能性がある。一般に、磁性体の温度が上昇すると透磁率が低下することが知られている。そのため、磁性体の温度により送電コイルと受電コイルの結合係数が低下する恐れがあり、磁界漏洩の抑制効果も低減してしまう可能性がある。

また、特許文献２では、磁性体板は複雑な形状をした８つのパーツで構成されているため、各パーツの加工が難しく、加工時間やコストの増加が課題である。

そこで本発明の目的は、漏洩磁界が抑制された非接触給電システムを提供することである。

本発明は、電力を送電する送電コイルと、送電コイルの送電側とは反対側を覆う底面部と、底面部の端辺で接続し、送電コイルの側面側を覆う側面部とを有し、送電側は開放された筐体と、送電コイルと底面部との間に配置され、導電性の金属からなる第１導体板と、を有し、底面部は、第１導体板よりも比透磁率が高く導電率が低い磁性体材料からなる層を含み、側面部は、底面部よりも導電率が高い金属からなる金属層を含む、ことを特徴とする送電装置である。

また、本発明は、電力を受電する受電コイルと、受電コイルの受電側とは反対側を覆う底面部と、底面部の端辺で接続し、受電コイルの側面側を覆う側面部とを有し、受電側は開放された筐体と、受電コイルと底面部との間に配置され、導電性の金属からなる第１導体板と、を有し、底面部は、第１導体板よりも比透磁率が高く導電率が低い磁性体材料からなる層を含み、側面部は、底面部よりも導電率が高い金属からなる金属層を含む、ことを特徴とする受電装置である。

本発明の送電装置において、底面部近傍であって、送電側とは反対側に配置され、導電性の金属からなる第２導体板をさらに有していてもよい。漏洩磁界をより抑制することができる。同様に、本発明の受電装置において、底面部近傍であって、受電側とは反対側に配置され、導電性の金属からなる第２導体板をさらに有していてもよい。

本発明において、漏洩磁界をより抑制するために、以下のようにすることが好ましい。底面部は、比透磁率が１００以上で導電率が１×１０^-2Ｓ／ｍ以下の材料とすることが好ましい。金属層は、導電率が１×１０⁷ Ｓ／ｍ以上の材料とすることが好ましい。

本発明において、側面部は、金属層と、底面部に比べて比透磁率が低い材料からなる非磁性体層との積層としてもよい。

本発明の送電装置において、筐体の高さをＨ１、底面部の第１導体板側の表面から送電コイルまでの高さをＨ２として、Ｈ１はＨ２の０．９〜１．５倍となるように設定されていることが好ましい。送電装置の高さを抑えつつ、漏洩磁界をより抑制することができる。同様に、本発明の受電装置において、筐体の高さをＨ１、底面部の第１導体板側の表面から受電コイルまでの高さをＨ２として、Ｈ１はＨ２の０．９〜１．５倍となるように設定されていることが好ましい。

また本発明は、上記の本発明の送電装置と、送電装置からの電力を受電する受電装置とを有し、送電装置から受電装置へ磁界結合方式により非接触で電力を伝送する非接触給電システムである。

本発明の非接触給電システムにおいて、送電装置は、地上に配置され、受電装置は、車両の底面に配置され、車両は、ボディが樹脂製の電気自動車またはプラグインハイブリッド車であってもよい。樹脂製ボディであっても効果的に漏洩磁界をより抑制することができる。

本発明によれば、筐体を設けることで、送電効率を悪化させることなく、漏洩磁界を抑制することができる。

実施例１の非接触給電システムの構成を示した図。 送電装置１を上方から見た図。 側面部１６の変形例を示した図。 シミュレーションのモデルを示した図。 漏洩磁界の最大値を比較したグラフ。

以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限るものではない。

図１は、実施例１の非接触給電システムの構成を示した図である。図１のように、実施例１の非接触給電システムは、送電装置１と、受電装置２とを有している。送電装置１は、駐車場の路面など地上に配置され、受電装置２は、車両３底面に配置されている。送電装置１から受電装置２へと磁界結合方式により電力を伝送することで、車両に電力を供給する。伝送周波数は、たとえば８５k Ｈｚである。車両３は、たとえばＣＦＲＰなどの樹脂製のボディの電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）である。

（送電装置１について）
送電装置１は、送電コイル１０と、磁性体コア１１と、第１導体板１２と、筐体１３と、第２導体板１４とを有している。図２は、送電装置１を上方から見た図である。

磁性体コア１１は、フェライトからなる矩形の平板である。磁性体コア１１の材料はフェライトに限らず、任意の磁性体材料でよい。鉄、ニッケル、コバルト、それらを主成分とする合金（たとえばケイ素鋼）、などを用いることができる。

送電コイル１０は、磁性体コア１１の一方の表面１１ａ側（上方）に配置された平面コイルであり、平面コイルは、導線を磁性体コア１１の表面に沿って円形に巻いた形状である。送電コイル１０には、図示しないキャパシタと交流電源が接続されており、送電コイル１０とキャパシタによってＬＣ共振器が構成されている。

送電コイル１０は、磁性体コア１１と接していてもよいが、離間している方が好ましい。送電コイル１０に発生した熱が磁性体コア１１に伝導し、磁性体コア１１の比透磁率が低下する恐れがあるためである。

送電コイル１０の形状は平面コイルに限らず、たとえば、磁性体コア１１を棒状体とし、その棒状体に導線を巻き付けたソレノイドコイルであってもよい。

第１導体板１２は、磁性体コア１１の他方の表面１１ｂ側（下方）に間隔を空けて配置されたアルミニウムからなる矩形の平板である。第１導体板１２は、その表面が磁性体コア１１の表面と平行になるように配置されている。また、第１導体板１２は、上方から見て磁性体コア１１を含むようにその大きさ、配置が設定されている。第１導体板１２の厚さは、表皮厚さ以上の厚さであれば任意である。このようにして第１導体板１２を設けることにより、受電装置２側とは反対側に発生する磁界を第１導体板１２内に渦電流を発生させることでシールドし、磁界漏洩を抑制している。

第１導体板１２の材料はアルミニウムに限らない。導電性を有した金属材料であれば任意の材料であってよい。たとえば、アルミニウム以外に銅、銀、金、などを用いることができる。また、それらをめっきした材料でもよい。たとえば、導電率は１×１０⁷ Ｓ／ｍ以上の材料が好ましい。

筐体１３は、送電コイル１０、磁性体コア１１、および第１導体板１２を囲い、受電装置２側が開放された直方体の箱状の物体である。送電コイル１０の受電装置２側を覆わないようにすることで、送電効率を悪化させないようにしている。筐体１３は、直方体の底面である底面部１５と、直方体の４つの側面である側面部１６を有している。

底面部１５は、直方体の箱状である筐体１３の底面部分であり、第１導体板１２の下方（磁性体コア１１が配置されている側とは反対側の第１導体板１２表面近傍）に離間して位置し、矩形の平板である。また、底面部１５は、その表面が第１導体板１２の表面と平行になるように配置されている。また、底面部１５は、上方から見て第１導体板１２を含むようにその大きさ、配置が設定されている。底面部１５の厚さは、表皮厚さよりも厚ければ任意である。

底面部１５は、フェライトからなる。フェライト以外にも、第１導体板１２に比べて比透磁率が高く（たとえば第１導体板１２の１０倍以上）、導電率が低い（たとえば第１導体板１２の１／１０以下）任意の磁性体材料とすることができる。たとえば、磁性体コア１１の材料として挙げた各種材料を用いることができ、鉄、ニッケル、コバルト、それらを主成分とする合金（たとえばケイ素鋼）、などを用いることができる。

底面部１５をこのような磁性体とすることにより、受電装置２側とは反対側に発生する磁界の向きを変え、磁界漏洩を抑制している。また、底面部１５を導電率が低い磁性体とすることで、鏡像効果により電力伝送に寄与する磁界を打ち消す方向の磁界が発生するのを抑制し、送電効率の悪化を抑制している。つまり、底面部１５を上記のような磁性体とすることで、送電効率の悪化させずに磁界漏洩を抑制することができる。

底面部１５の材料は、比透磁率が１００以上の材料が好ましい。また、導電率が１×１０^-2Ｓ／ｍ以下の材料が好ましい。

側面部１６は、直方体の箱状である筐体１３の側面部分であり、底面部１５の各辺に接続し、底面部１５表面に対して垂直を成す４つの平板であり、その４つの平板は断面が矩形の筒状に接続されている。側面部１６の厚さは、表皮厚さよりも厚ければ任意である。

側面部１６は、導電率が底面部１５よりも高い金属からなる。たとえば、導電率が底面部１５の１０倍以上の金属であり、第１導体板１２と同様の材料を用いることができる。側面部１６の材料は磁性体であっても非磁性体であってもよい。側面部１６をこのような金属とすることにより、送電コイル１０の側面側に発生する磁界を側面部１６に渦電流を発生させることでシールドし、漏洩磁界を抑制している。

筐体１３の高さＨ１（側面部１６の底面部１５表面に垂直な方向の幅）は、底面部１５の第１導体板１２側の表面から送電コイル１０までの高さＨ２と等しくなるように設定されている。このように設定することで、送電装置１の高さを抑え、路面への送電装置１の実装を容易にしつつ、磁界漏洩も十分に抑制することができる。なお、筐体１３の高さＨ１を送電コイル１０までの高さＨ２より高くしてもよい。送電装置１の高さは大きくなるが、漏洩磁界はより抑制することができる。好ましいＨ１の範囲は、Ｈ２の０．９〜１．５倍、より好ましくはＨ２の１．０〜１．２倍である。

なお、実施例１では、側面部１６は金属の１層で構成されているが、金属層１６ａと非磁性体層１６ｂの２層で構成されていてもよい。この場合、金属層１６ａが内側（送電コイル１０側）であってもよいし（図３（ａ）参照）、非磁性体層１６ｂが内側であってもよい（図３（ｂ）参照）。非磁性体層１６ｂは、底面部１５に比べて比透磁率が十分に低い材料（たとえば底面部１５の１／１０以下）であれば任意であり、金属でも非金属でもよい。たとえば、非磁性体層１６ｂは樹脂材料とすることができる。非磁性体層１６ｂとして金属層１６ａよりも安価な材料や、軽い材料を用いることで、側面部１６の材料コストや重量の低減を図ることができる。

また、筐体１３は必ずしも直方体状である必要はなく、送電コイル１０の受電側とは反対側を覆う底面部１５と、底面部１５の端辺で接続し、送電コイル１０の側面側（受電方向に対して垂直な方向）を覆う側面部１６とを有し、送電コイル１０の受電側は開放された形状であれば任意の形状でよい。たとえば、筐体１３は円筒状であってもよい。また、たとえば、底面部１５と側面部１６は垂直を成している必要はなく、角度を有していればよい。また、側面部１６は、送電コイル１０の側面側を３６０°全て覆っている必要はなく、漏洩磁界を抑制したい方向にのみ設けられていてもよい。

以上のようにして筐体１３を設けることにより、送電効率を悪化させることなく、磁界漏洩を抑制することができる。

第２導体板１４は、底面部１５の下方（第１導体板１２が配置されている側とは反対側の底面部１５表面近傍）に離間して配置されたアルミニウムからなる矩形の平板である。第２導体板１４は、第２導体板１４は、その表面が筐体１３の底面部１５の面に平行になるように配置されている。第２導体板１４の厚さは、表皮厚さ以上の厚さであれば任意である。第２導体板１４の材料はアルミニウムに限らず、導電性を有した金属材料であればよい。第１導体板１２と同様の材料を用いることができる。この第２導体板１４を設けることにより、第２導体板１４に渦電流を発生させて磁界漏洩を抑制することができる。

なお、実施例１では、第２導体板１４と筐体１３は離間しているが、接していてもよい。また、第２導体板１４は必ずしも必要ではなく、設置コストや重量などに応じて省いてもよい。

（受電装置２について）
受電装置２は、受電コイル２０と、磁性体コア２１と、導体板２２とを有している。

磁性体コア２１は、車両３の下面に離間して設けられたフェライトからなる平板である。磁性体コア２１は、その表面が送電装置１の磁性体コア１１の表面におよそ平行となるように配置されている。磁性体コア２１の材料はフェライトに限らず、任意の磁性体材料でよい。たとえば、磁性体コア１１の材料として挙げた材料を用いることができる。

受電コイル２０は、磁性体コア２１の車両３側とは反対側の表面２１ａ側（下方）に配置された平面コイルであり、平面コイルは、導線を磁性体コア２１の表面に沿って円形に巻いた形状である。受電コイル２０は、磁性体コア２１と接していてもよいし、離間していてもよい。受電コイル２０の形状は平面コイルに限らず、たとえば、磁性体コア２１を棒状体とし、その棒状体に導線を巻き付けたソレノイドコイルであってもよい。受電コイル２０には、図示しないキャパシタが接続されており、受電コイル２０とキャパシタ（図示しない）によってＬＣ共振器が構成されている。この受電コイル２０側の共振周波数は、送電コイル１０側の共振周波数と一致するように設定されている。受電コイル２０とキャパシタによるＬＣ共振器により受電した交流電力は、直流電力に変換されて車両３に搭載されたバッテリ（図示しない）などに供給される。

導体板２２は、車両３の下面と、磁性体コア２１の車両３側の表面２１ｂとの間に配置されたアルミニウムからなる平板である。導体板２２は、車両３の下面および磁性体コア２１から離間して配置されている。車両３の下面と導体板２２は接していてもよい。また、導体板２２は、その表面が磁性体コア２１の表面に平行となるように配置されている。導体板２２を設けることで、車両３側に発生する磁界を導体板２２内に渦電流を発生させることでシールドし、磁界漏洩を抑制している。

導体板２２の材料はアルミニウムに限らない。導電性を有した任意の金属材料であってよく、第１導体板１２の材料として挙げた各種材料を用いることができる。

なお、実施例１では、車両３の重量軽減のため、受電装置２に筐体１３と同様の構造を設けていないが、設けてもよい。漏洩磁界をより抑制することが可能である。

以上、実施例１の非接触給電システムでは、送電装置１に筐体１３を設けているため、送電効率を悪化させることなく、漏洩磁界を抑制することができる。

次に、実施例１の非接触給電システムに関する実験結果を説明する。

実施例１の非接触給電システムを車両への電力伝送に適用した場合に、車室内の漏洩磁界をシミュレーションにより計算した。条件は以下のように設定した。

車両ボディをＣＦＲＰとし、ＣＦＲＰは比透磁率が１、比誘電率が１、導電率が２．５×１０⁴ Ｓ／ｍとした。車両ボディの形状、寸法、送電装置１および受電装置２の位置は図４に示す通りである。車両ボディの高さ（図４中ｚ軸方向）は１３００ｍｍ、全長（車両前後方向、図４中ｙ軸方向）は４４８０ｍｍ、幅（図４中ｘ軸方向）は１８００ｍｍとした。また、車両ボディには図４に示すように複数の穴を設け、生産の都合などで設けられる穴を模倣した。

送電装置１は地面に配置し、車両ボディの下面は地面から２５０ｍｍの位置とし、車両ボディの下面の中央に受電装置２を配置した。また、送電装置１の送電コイル１０は、受電装置２の受電コイル２０に対して、車両右方向（ｘ軸正方向）に１００ｍｍ、車両前方向（ｙ軸正方向）に７５ｍｍずれており、送電コイル１０と受電コイル２０の間隔は１５０ｍｍとした。また、送電装置１から受電装置２への送電電力は３．７ｋＷ、伝送周波数は８５ｋＨｚとした。送電装置１の筐体１３の側面部１６は、比透磁率は２５、５０、１００、３００とし、比誘電率は１、導電率は１．０×１０⁷ Ｓ／ｍとした。また、筐体１３の底面部１５はフェライトとし、第１導体板１２、第２導体板１４および導体板２２はアルミニウムとした。

以上に述べたモデルにおいて、車両ボディ下面から６５ｍｍ、車両の中心軸から右に４５０ｍｍの直線（図４中の漏洩磁界レベル評価線）上の各点における漏洩磁界の強度を計算した。そして、その直線上の漏洩磁界の最大値を抽出した。

図５は、漏洩磁界の最大値（Ａ／ｍ）を比較したグラフである。比較のため、筐体１３および第２導体板１４を設けない場合（比較例１）についても漏洩磁界の最大値を計算した。また、比較例１の漏洩磁界の最大値をＨ０、筐体１３および第２導体板１４を設けた場合の漏洩磁界の最大値をＨとして、漏洩磁界の最大値の低減率（％）を１００×（Ｈ０−Ｈ）／Ｈ０によって定義し、計算した。

図５のように、比透磁率がいずれの場合であっても、筐体１３および第２導体板１４を設けることにより漏洩磁界の最大値が低減されることがわかった。また、漏洩磁界の最大値の低減率は、筐体１３の側面部１６の比透磁率が２５の場合に２．７％、比透磁率が５０、１００、３００の場合に２．４％であった。この結果、筐体１３の側面部１６の比透磁率が２５以上であれば、漏洩磁界の最大値の低減率はおよそ一定であることがわかった。漏洩磁界の最大値が比透磁率に依存しないのは、筐体１３の受電装置２側が開放されているためと考えられる。

本発明は、ＥＶやＰＨＶの給電に利用することができる。

１：送電装置
２：受電装置
１０：送電コイル
１１、２１：磁性体コア
１２：第１導体板
１３：筐体
１４：第２導体板
１５：底面部
１６：側面部
２０：受電コイル
２２：導体板

Claims (14)

1. 電力を送電する送電コイルと、
   前記送電コイルの送電側とは反対側を覆う底面部と、前記底面部の端辺で接続し、前記送電コイルの側面側を覆う側面部とを有し、送電側は開放された筐体と、
   前記送電コイルと前記底面部との間に配置され、導電性の金属からなる第１導体板と、
   を有し、
   前記底面部は、前記第１導体板よりも比透磁率が高く導電率が低い磁性体材料からなる層を含み、
   前記側面部は、前記底面部よりも導電率が高い金属からなる金属層を含む、
   ことを特徴とする送電装置。
2. 前記底面部近傍であって、送電側とは反対側に配置され、導電性の金属からなる第２導体板をさらに有する、ことを特徴とする請求項１に記載の送電装置。
3. 前記底面部は、比透磁率が１００以上で導電率が１×１０^-2Ｓ／ｍ以下の材料からなる、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の送電装置。
4. 前記金属層は、導電率が１×１０⁷ Ｓ／ｍ以上の材料からなる、ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の送電装置。
5. 前記側面部は、前記金属層と、前記底面部に比べて比透磁率が低い材料からなる非磁性体層との積層である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の送電装置。
6. 筐体の高さをＨ１、前記底面部の第１導体板側の表面から前記送電コイルまでの高さをＨ２として、Ｈ１はＨ２の０．９〜１．５倍となるように設定されている、ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の送電装置。
7. 電力を受電する受電コイルと、
   前記受電コイルの受電側とは反対側を覆う底面部と、前記底面部の端辺で接続し、前記受電コイルの側面側を覆う側面部とを有し、受電側は開放された筐体と、
   前記受電コイルと前記底面部との間に配置され、導電性の金属からなる第１導体板と、
   を有し、
   前記底面部は、前記第１導体板よりも比透磁率が高く導電率が低い磁性体材料からなる層を含み、
   前記側面部は、前記底面部よりも導電率が高い金属からなる金属層を含む、
   ことを特徴とする受電装置。
8. 前記底面部近傍であって、受電側とは反対側に配置され、導電性の金属からなる第２導体板をさらに有する、ことを特徴とする請求項７に記載の受電装置。
9. 前記底面部は、比透磁率が１００以上で導電率が１×１０^-2Ｓ／ｍ以下の材料からなる、ことを特徴とする請求項７または請求項８に記載の受電装置。
10. 前記金属層は、導電率が１×１０⁷ Ｓ／ｍ以上の材料からなる、ことを特徴とする請求項７ないし請求項９のいずれか１項に記載の受電装置。
11. 前記側面部は、前記金属層と、前記底面部に比べて比透磁率が低い材料からなる非磁性体層との積層である、ことを特徴とする請求項７ないし請求項１０のいずれか１項に記載の受電装置。
12. 筐体の高さをＨ１、前記底面部の第１導体板側の表面から前記受電コイルまでの高さをＨ２として、Ｈ１はＨ２の０．９〜１．５倍となるように設定されている、ことを特徴とする請求項７ないし請求項１１のいずれか１項に記載の受電装置。
13. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の送電装置と、前記送電装置からの電力を受電する受電装置とを有し、前記送電装置から前記受電装置へ磁界結合方式により非接触で電力を伝送する非接触給電システム。
14. 前記送電装置は、地上に配置され、前記受電装置は、車両の底面に配置され、前記車両は、ボディが樹脂製の電気自動車またはプラグインハイブリッド車である、ことを特徴とする請求項１３に記載の非接触給電システム。