JP5910326B2 - 非接触給電システムの漏電診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、第１アンテナおよび第２アンテナ間で磁界エネルギおよび電界エネルギの少なくとも一方をやり取りすることで、第１アンテナおよび第２アンテナの両端に接続される電気経路に規定の周波数を有する交流電流を流し、電力を非接触で伝送するシステムに適用される漏電診断装置に関する。

たとえば下記特許文献１に見られるように、非接触給電システムが提案されている。これは、１次側のアンテナ（コイル）と２次側のアンテナ（コイル）とを磁気結合することで、１次側のアンテナおよび２次側のアンテナ間を非接触としつつ１次側のアンテナから２次側のアンテナへと電力を伝送するものである。

特開２００２−３５４７１１号公報

ところで、１次側のアンテナに電力を供給する電源と１次側のアンテナとの間の配線や、２次側のアンテナと電力の供給対象とを接続する配線等から意図せず電力が流出する漏電が生じる場合には、感電等の不都合が生じる懸念がある。

本発明は、上記課題を解決する過程でなされたものであり、その目的は、新たな非接触給電システムの漏電診断装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、およびその作用効果について記載する。

本発明は、第１アンテナ（２２）および第２アンテナ（２４）間で磁界エネルギおよび電界エネルギの少なくとも一方をやり取りすることで、前記第１アンテナおよび前記第２アンテナの両端に接続される電気経路に規定の周波数を有する交流電流を流し、電力を非接触で伝送するシステムに適用され、前記第１アンテナおよび前記第２アンテナのいずれかの両端部に接続される一対の電気経路（Ｌ１、Ｌ２）を流れる電流の差分を検出する差分電流検出手段（３２，５０，５２，５４）と、前記規定の周波数情報に基づき、前記差分電流検出手段の検出結果から、前記規定の周波数成分の振幅情報を抽出する抽出手段（Ｓ１２）と、前記抽出された振幅情報に基づき、交流電力の漏電の有無を診断する診断手段（Ｓ１４）と、を備えることを特徴とする。

上記発明では、漏電する可能性があるとすれば、それは、規定の周波数を有する交流電流の漏電であると考えられる。この点に鑑み、規定の周波数成分の振幅に基づき交流電力の漏電の有無を診断することで、漏電の可能性があると考えられる周波数成分を選択的に診断対象とすることができることから、ノイズ等によって漏電であるとの誤診断がなされることを回避しつつも、実際に漏電が生じた場合に確実にこれを検出することができる。

なお、本発明にかかる以下の代表的な実施形態に関する概念の拡張については、代表的な実施形態の後の「その他の実施形態」の欄に記載してある。

第１の実施形態にかかるシステム構成図。 同実施形態にかかる漏電診断処理の手順を示す流れ図。 第２の実施形態にかかるシステム構成図。 第３の実施形態にかかるシステム構成図。 第４の実施形態にかかるシステム構成図。

＜第１の実施形態＞
以下、本発明にかかる非接触給電システムの漏電診断装置を、車両に非接触で電力を給電するシステムに適用した第１の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示す外部電源１０は、車両の外部の電源装置であり、特にここでは、系統電源を想定している。外部電源１０の出力する交流電力は、コンバータ１２によって直流電力に変換される。一方、直流交流変換回路（インバータ１４）は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の直列接続体と、スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の直列接続体との並列接続体を備え、コンバータ１２の出力する直流電力を交流電力に変換する。本実施形態では、インバータ１４のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４とスイッチング素子Ｓ２，Ｓ３とを交互に同一時間ずつオン状態とすることを想定しており、これによりインバータ１４の出力信号は矩形波状の交流電圧となる。

インバータ１４の出力信号は、コイル１６ａおよびコンデンサ１６ｂを備えるバンドパスフィルタ１６を介してトランスＴの１次側コイルｗ１に出力される。ここで、バンドパスフィルタ１６は、その透過周波数がインバータ１４の出力する矩形波信号の周波数「ω／２π」を含み、特に矩形波信号の周波数「ω／２π」の信号の減衰量が最小（ゼロ）となるものを想定している。

上記トランスＴの２次側コイルｗ２は、一対の電気経路Ｌ１，Ｌ２を介して共振回路２０に接続されており、共振回路２０には、第１アンテナ（第１コイル２２）が接続されている。ここで、共振回路２０は、コンデンサ２０ａおよびコイル２０ｂを備え、共振周波数を、インバータ１４の出力する矩形波信号の周波数「ω／２π」とするものである。また、上記第１コイル２２は、車両に搭載される第２アンテナ（第２コイル２４）と磁気結合することで、車両側に非接触で電力を供給するためのものである。

第２コイル２４は、共振回路２６に接続されており、共振回路２６は、図示しない車載バッテリに電力を出力する。ここで、共振回路２６は、コンデンサ２６ｂおよびコイル２６ａを備え、共振周波数を、インバータ１４の出力する矩形波信号の周波数「ω／２π」とするものである。

制御装置３０は、インバータ１４を構成するスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４に操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４を出力することで、車両側への電力の伝送処理を行なう。詳しくは、ソフトウェア処理手段（ＣＰＵ４４）が上記操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４と同一位相且つ同一周波数の信号を生成し、ドライバ４６によってこの信号の電圧等の変換がなされることで操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４が生成される。

制御装置３０は、さらに、零相変流器３２の出力信号と、電流センサ３６の出力信号とを入力とし、上記２次側コイルｗ２に接続された回路部分の漏電診断処理をも行なう。ここで、零相変流器３２は、本実施形態において差分電流検出手段を構成するものであり、２次側コイルｗ２の一方の端子に接続される電気経路Ｌ１と他方の端子に接続される電気経路Ｌ２とのそれぞれを流れる電流Ｉ１，Ｉ２の差分を検出するものである。また、電流センサ３６は、電気経路Ｌ２を流れる電流を検出するものである。

制御装置３０では、零相変流器３２の出力信号に応じた電圧信号（差分信号ΔＩ）を乗算器３４に入力する。また、電流センサ３６の出力信号に基づき、ゼロクロス検出器３８において、検出される電気経路Ｌ２の電流Ｉ２のゼロクロスタイミングを検出する。そして、参照信号生成部４０では、検出されたゼロクロスタイミングにおいてゼロとなって且つ、インバータ１４の出力する矩形波信号の周波数「ω／２π」を有する正弦波の電圧信号（参照信号Ｓｒｅｆ）を生成する。なお、電流Ｉ１，Ｉ２が周波数「ω／２π」の交流信号である場合、１周期においてゼロクロスタイミングは２度出現する。このため、実際には、操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４の情報に基づき、電流センサ３６の検出値に基づくゼロクロスタイミングが、１周期に２度出現するゼロクロスタイミングのうちいずれのタイミングであるかを特定する処理を行なう。なお、ゼロクロス検出器３８は、本実施形態において、位相情報取得手段を構成する。また、参照信号生成部４０は、本実施形態において、生成手段を構成する。

上記参照信号Ｓｒｅｆは、乗算器３４に入力される。こうして、差分信号ΔＩに参照信号Ｓｒｅｆが乗算された信号である乗算値信号ΔＩｍは、上記矩形波信号の角速度ωの２倍の速度で変化する交流成分と、差分信号ΔＩに応じた直流成分とを有する。

すなわち、バンドパスフィルタ１６等によって電気経路Ｌ１，Ｌ２のそれぞれを流れる電流Ｉ１，Ｉ２が、角速度ωの正弦波であるとみなすことができることに鑑み、それらをそれぞれ「Ａｓｉｎωｔ」，「Ｂｓｉｎωｔ」とする。今、「Ｉ１−Ｉ２」と差分信号ΔＩとの間のスケール変換を無視して、「ΔＩ＝（Ａ−Ｂ）・ｓｉｎωｔ」とすると、乗算値信号ΔＩｍは、以下の式（ｃ１）にて表現される。

ΔＩｍ＝（Ａ−Ｂ）・ｓｉｎωｔ・ｓｉｎωｔ
＝｛（Ａ−Ｂ）・（１−ｃｏｓ２ωｔ）／２｝ …（ｃ１）
したがって、乗算値信号ΔＩｍの直流成分「（Ａ−Ｂ）／２」を抽出することで、漏電の有無を診断することができる。なお、電流Ｉ１の振幅Ａと、電流Ｉ２の振幅Ｂとが等しいなら、「Ｉ１−Ｉ２＝０」となり、角速度ωの高周波電流の漏電はないこととなる。

乗算値信号ΔＩｍは、アナログデジタル変換器４２において、デジタルデータに変換され、ＣＰＵ４４に取り込まれる。ＣＰＵ４４では、取り込まれた乗算値信号ΔＩｍに基づき、漏電の有無を診断する。

図２に、漏電診断処理の手順を示す。この処理は、制御装置３０によって、たとえば所定周期で繰り返し実行される。

この一連の処理では、まずステップＳ１０において、乗算値信号ΔＩｍをサンプリングする（デジタルデータに変換し、ＣＰＵ４４に取り込む）。続くステップＳ１２においては、乗算値信号ΔＩｍを、ローパスフィルタ処理することで、直流電流ΔＩｄｃを抽出する。そして、ステップＳ１４においては、直流電流ΔＩｄｃの絶対値が閾値ΔＩｔｈ以上であるか否かを判断する。この処理は、漏電の有無を診断するためのものである。ここで閾値ΔＩｔｈは、漏電電流として問題が生じない上限値に応じて設定される。この設定は、ＩＥＣ６０４７９−２等の基準値に基づいて行ってもよい。

ステップＳ１４において肯定判断される場合、ステップＳ１６において、漏電である旨を外部に通知する。これは、周囲に注意を促すためである。また、インバータ１４を停止する。この処理は、本実施形態において、制限手段を構成する。また、直流電流ΔＩｄｃの大きさを、たとえば表示器等に表示する。これは、漏電の程度を人が把握可能とするためである。

なお、上記ステップＳ１６の処理が完了する場合や、ステップＳ１４において否定判断される場合には、この一連の処理を一旦終了する。

以下、本実施形態の効果のいくつかを記載する。

（１）インバータ１４の出力する矩形波信号の周波数に応じた高周波電流の振幅（直流電流ΔＩｄｃ）を用いて漏電の有無を診断した。このように、漏電電流となり得る周波数の電流信号に対する感度が高くなる漏電検出装置を構成することで、ノイズ等によって誤って漏電と診断することを回避しつつも、漏電が生じている場合には、これを確実に検出することができる。

（２）参照信号Ｓｒｅｆを、操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４から定まる周波数情報に加えて、電流センサ３６によって検出される電流のゼロクロスタイミングから定まる位相に基づき生成した。これにより、参照信号Ｓｒｅｆと、差分信号ΔＩとの位相を高精度に一致させることができる。

（３）乗算値信号ΔＩｍから直流電流ΔＩｄｃを抽出するためのローパスフィルタを、デジタル処理にて構成した。これにより、フィルタ時定数等が、温度等によって変動することを回避することができる。

（４）漏電していると診断される場合、インバータ１４を停止することで、漏電によって不都合が生じる事態を迅速に回避することができる。
＜第２の実施形態＞
以下、第２の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図３に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。なお、図３において、先の図１に示したものと同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態では、ゼロクロス検出器３８の入力を、差分信号ΔＩとする。なお、ノイズ等によるゼロクロスタイミングの誤検出を回避する上では、操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４から推定されるゼロクロスタイミング近傍の期間以外については、差分信号ΔＩのゼロクロス検出を禁止するマスキング処理を行なうことが望ましい。
＜第３の実施形態＞
以下、第３の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図４に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。なお、図４において、先の図１に示したものと同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態では、ゼロクロス検出器３８の入力を、操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４とする。これにより、ゼロクロス検出器３８では、操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４に基づき、電気経路Ｌ１，Ｌ２の電流Ｉ１，Ｉ２のおおよそのゼロクロスタイミングを推定する。
＜第４の実施形態＞
以下、第４の実施形態について、先の第１の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。

図５に、本実施形態にかかるシステム構成を示す。なお、図５において、先の図１に示したものと同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。

本実施形態では、零相変流器３２を備えない代わりに、以下の構成とする。すなわち、電気経路Ｌ１，Ｌ２のそれぞれをコンデンサ５０，５２を介して接地する。そして、コンデンサ５０，５２のそれぞれと接地との間の電流を減算器５４に入力し、ここでそれら一対の電流の差分に応じた差分信号ΔＩを算出する。ここで、コンデンサ５０，５２は、交流電流を透過させる手段である。また、減算器５４は、本実施形態において、差分算出手段を構成する。

なお、ゼロクロス検出器３８には、コンデンサ５２および接地間の電流が入力される。
＜その他の実施形態＞
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。

「位相情報取得手段について」
たとえばトランスＴの１次側コイルＷ１を流れる電流のゼロクロスタイミングを検出する手段であってもよい。

また、ゼロクロスタイミング検出手段にも限らない。たとえば、インバータ１４の操作信号ｍｓ１〜ｍｓ４に基づき、電気経路Ｌ１，Ｌ２を流れると想定される正弦波電流が極大となるタイミングを算出する手段であってもよい。

「直流成分抽出手段について」
デジタルフィルタに限らず、アナログのローパスフィルタであってもよい。

「抽出手段について」
差分信号ΔＩに参照信号Ｓｒｅｆを乗算することで得られる乗算値信号ΔＩｍを用いるものに限らない。たとえば、一対のゼロクロスタイミング間の中央のタイミングの周期で差分信号ΔＩをサンプリングするものであってもよい。この場合、サンプリングされた値の絶対値は、差分信号ΔＩの振幅値となる。ちなみに、一対のゼロクロスタイミング間の中央のタイミングは、ゼロクロスタイミング（位相情報）と、角速度ω（交流電流の周波数情報）とによって生成することができる。

位相情報に基づき差分信号ΔＩの振幅情報を抽出するものに限らない。たとえば、差分信号ΔＩを、「ω／２π」の周波数を透過させるバンドパスフィルタによってフィルタ処理し、フィルタ処理された信号を半波整流し、半波整流した信号をローパスフィルタ処理するものであってもよい。ここで、ローパスフィルタ処理された値は、差分信号ΔＩの振幅値に応じた値となる。また、ローパスフィルタに代えて、半波整流された信号の極大値を検出する手段を備えてもよい。

「制限手段について」
電力伝送を停止させる停止手段（Ｓ１６）に限らない。たとえば、電力の伝送量を制限するものであってもよい。ここで、電力伝送量の上限値は、安全性等に鑑みて設定すればよい。

「漏電検出対象について」
上記実施形態において例示したように、電気経路Ｌ１，Ｌ２に限らない。たとえば、共振回路２６が電力を出力する一対の電気経路であってもよい。

「非接触給電システムについて」
電磁誘導方式のものに限らない。たとえば共鳴方式であってもよい。この場合、第１アンテナと第２アンテナとの間を磁界によって結合するものであってもよく、電界によって結合するものであってもよい。ちなみに、前者の場合には、第１アンテナおよび第２アンテナ間で磁界エネルギがやり取りされることとなり、後者の場合には、電界エネルギがやり取りされることとなる。

また、車両の外部から車両への給電に限らず、車両から外部へと非接触で電力を伝送するものであってもよい。

２２…第１コイル（第１アンテナの一実施形態）、２４…第２コイル（第２アンテナの一実施形態）、３０…制御装置（漏電診断装置の一実施形態）。

Claims (5)

1. 第１アンテナ（２２）および第２アンテナ（２４）間で磁界エネルギおよび電界エネルギの少なくとも一方をやり取りすることで、前記第１アンテナおよび前記第２アンテナの両端に接続される電気経路に規定の周波数を有する交流電流を流し、電力を非接触で伝送するシステムに適用され、
   前記第１アンテナおよび前記第２アンテナのいずれかの両端部に接続される一対の電気経路（Ｌ１、Ｌ２）を流れる電流の差分を検出する差分電流検出手段（３２，５０，５２，５４）と、
   前記規定の周波数情報に基づき、前記差分電流検出手段の検出結果から、前記規定の周波数成分の振幅情報を抽出する抽出手段（Ｓ１２）と、
   前記抽出された振幅情報に基づき、交流電力の漏電の有無を診断する診断手段（Ｓ１４）と、を備え、
   前記交流電流の位相情報を取得する位相情報取得手段（３８）を備え、
   前記抽出手段は、前記規定の周波数情報に加えて、前記取得された位相情報に基づき、前記振幅情報を抽出するものであり、
   前記抽出手段は、
   前記周波数情報および前記位相情報を入力とし、前記一対の電気経路を流れる電流と同一位相且つ同一周波数の信号である参照信号を生成する生成手段（４０）と、
   前記差分電流検出手段の検出値に、前記参照信号を乗算する乗算手段（３４）と、
   前記乗算手段の出力値の直流成分を前記振幅情報として抽出する直流成分抽出手段（４４）と、
   を備えることを特徴とする非接触給電システムの漏電診断装置。
2. 前記位相情報取得手段は、前記一対の電気経路を流れる電流のゼロクロスタイミングを検出するゼロクロスタイミング検出手段を備え、該ゼロクロスタイミングを前記位相情報として出力することを特徴とする請求項１記載の非接触給電システムの漏電診断装置。
3. 前記診断手段によって漏電していると診断される場合、前記電力の伝送を制限する制限手段（Ｓ１６）を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触給電システムの漏電診断装置。
4. 前記差分電流検出手段は、零相変流器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触給電システムの漏電診断装置。
5. 前記差分電流検出手段は、
   前記一対の電気経路のそれぞれと接地との間に接続されるコンデンサ（５０，５２）と、
   前記コンデンサを介して流れるそれぞれの電流の差分を算出する差分算出手段（５４）と、
   を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触給電システムの漏電診断装置。

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