JP6057085B2 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

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Description

本発明は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両等の充電に用いられる非接触電力伝送装置に関する。
図８は、従来の非接触電力伝送装置６の構成を示す模式図である。図８において、地上側の電源９の電源盤に接続された非接触給電装置（１次側）Ｆが、電気推進車両に搭載された受電装置（２次側）Ｇに対し、給電時において、物理的接続なしに空隙空間であるエアギャップを介して対峙するよう配置される。このような配置状態で、給電装置Ｆに備わる一次コイル７に交流電流が与えられ磁束が形成されると、受電装置Ｇに備わる二次コイル８に誘導起電力が生じ、これによって、一次コイル７から二次コイル８へと電力が非接触で伝達される。
受電装置Ｇは、例えば車載バッテリー１０に接続され、上述したように伝達された電力によって車載バッテリー１０が充電される。この車載バッテリー１０に蓄積された電力により車載のモータ１１が駆動される。なお、非接触給電処理の間、給電装置Ｆと受電装置Ｇとの間では、例えば無線通信装置１２により必要な情報交換が行われる。
図９は、給電装置Ｆ及び受電装置Ｇの内部構造を示す模式図である。特に、図９（Ａ）は、給電装置Ｆを上方から、または受電装置Ｇを下方から見たときの内部構造を示す模式図である。図９（Ｂ）は、給電装置Ｆ及び受電装置Ｇを側方から見たときの内部構造を示す模式図である。
図９において、給電装置Ｆは、一次コイル７、一次磁心コア１３、背板１５、及びカバー１６等を備える。受電装置Ｇは、二次コイル８、二次磁心コア１４、背板１５、カバー１６等を備えており、簡単に述べると、給電装置Ｆと対称的な構造となっている。一次コイル７と一次磁心コア１３の表面、および二次コイル８と二次磁心コア１４の表面は、それぞれ、発泡材１８が混入されたモールド樹脂１７にて被覆固定されている。
すなわち、給電装置Ｆおよび受電装置Ｇにおいて、背板１５とカバー１６との間にはモールド樹脂１７が充填され、内部の一次コイル７、二次コイル８、更には一次磁心コア１３、二次磁心コア１４の表面は、被覆固定されている。モールド樹脂１７は、例えばシリコン樹脂製であり、このように内部を固めることにより、一次および２次コイル７，８を位置決め固定し、その機械的強度を確保すると共に、放熱機能も発揮することができる。すなわち、一次および２次コイル７，８は、励磁電流が流れジュール熱により発熱するが、モールド樹脂１７の熱伝導により放熱され、冷却される。
特開２００８−８７７３３号公報
給電装置Ｆや受電装置Ｇは基本的に屋外に設置されるため、カバー１６上に異物が載ってしまうことが考えられる。特に、異物の一例である金属物が電力伝送の最中にカバー１６に載った場合、そのまま放置しておくと、この金属物が過熱されてしまう。また、特に、一次コイル７と二次コイル８の間に、磁束が鎖交可能なループ状の導電体であるような異物が挿入されると、導電体両端に起電力が発生してしまう。カバー１６上に侵入した異物が過剰に昇温すると、給電装置Ｆや受電装置Ｇに故障などの被害をもたらす可能性がある。以上のことから、電力伝送の最中に、一次コイル７および二次コイル８の間への異物の侵入を確実に検知することが求められる。
かかる点に鑑み、本発明は、異物の侵入を確実に検知することが可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る非接触電力伝送装置は、受電装置と、入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルを覆うカバーとを有し、前記受電装置に非接触で電力を供給する給電装置と、電極を有し、当該電極に交流電圧を供給し、当該電極と前記カバー周辺に存在する異物との間に生じる静電容量を測定することによって当該異物を検知する静電容量検知方式センサとを備え、前記静電容量検知方式センサにおける前記交流電圧の周波数は、前記一次コイルが発生する磁束の周波数よりも高く設定されている。
また、本発明の別の態様は、前記静電容量検知方式センサは、前記電極に前記交流電圧を供給する電圧供給部と、前記電極と前記異物との間に生じる静電容量を測定する静電容量測定部とを有する。
また、本発明の別の態様は、前記磁束の強度が低い場合、前記交流電圧の周波数および前記磁束の周波数は近似した値に設定される。
このような構成によれば、静電容量検知方式センサを用いてカバー周辺に異物が存在することを確実に検知できる。また、静電容量検知方式センサは、カバー周辺の広い範囲において、昇温に至る可能性のある物体（異物）を容易かつ確実に検知することができる。よって、侵入した異物が過剰に昇温するのを防止でき、機器の故障など拡大被害を未然に防止でき安全性が向上する。
さらに、静電容量検知方式センサは、電極に交流電圧を供給して、電極と異物との間の静電容量を測定するものであるが、この測定結果は、一次コイルからの磁束や、副次的に発生する電界による影響を受ける。特に、一次コイルからの磁束の周波数と供給する交流電圧の周波数とが一致する場合に、その影響は顕著となり静電容量の測定において誤差が大きくなる。
しかしながら、本発明の構成によれば、一次コイルからの磁束の周波数に対して、供給する交流電圧の周波数を高く設定するようにしたため、交流電圧が変化する速度に対して一次コイルの磁束が変化する速度は小さくなる。
例えば、静電容量を測定するのに要する時間を、交流電圧の周波数の周期と同程度とした場合、磁束の周波数による影響は小さくなり、無視できる。また、任意の周波数を検出する検出フィルタを設置して、磁束の周波数を減衰するよう設定した場合には、磁束の影響を容易に排除することができる。従って、給電装置と受電装置との間に存在する異物を確実に検知することができる。
本発明に係る非接触電力伝送装置によれば、カバー近辺への物体の侵入を検知可能な静電容量検知方式センサを備え、電極に供給する交流電圧の変化に対して一次コイルに生じる磁束の変化が小さくなるため、検出フィルタの設計等をする必要がなく、つまり検出フィルタの設計等の外的影響を排除することが可能であり、給電装置と受電装置との間に異物が侵入するのを確実に検知することができる。
図１は、一実施形態に係る非接触電力伝送装置のブロック図である。 図２は、図１の非接触電力伝送装置の外観図である。 図３は、図１の静電容量検知方式センサの具体例を示すブロック図である。 図４は、給電装置の部分断面図である。 図５は、静電容量検知方式センサに設けられる電極の構成例を示す外観図である。 図６は、静電容量検知方式センサに設けられる電極の別の構成例を示す外観図である。 図７は、図１の非接触電力伝送装置における異物検知および伝送電力制御処理、ならびに異物を検知した場合の処理を示すフローチャートである。 図８は、従来の非接触電力伝送装置の構成を示す模式図である。 図９は、図８の給電装置と受電装置の内部構造を示す模式図である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。
図１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のブロック図である。また、図２は車両が駐車スペースで停車した状態の外観図である。図１及び図２に示されるように、非接触電力伝送装置は、例えば駐車スペースに設置される給電装置１０１と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置１１０とを有する。
給電装置１０１は、商用電源１０２に接続される電源供給部１０３と、インバータ部１０４と、一次コイルユニット１０５と、静電容量検知方式センサ１０６（以下、センサ１０６と表記する。）と、例えばマイコンである給電装置側制御部１０７（以下、制御部１０７と表記する。）と、給電電力検知部１０８と、位置検知部１０９とを備えている。
一方、受電装置１１０は、二次コイルユニット１１１と、整流部１１２と、バッテリー（負荷）１１３と、例えばマイコンである受電装置側制御部１１４（以下、制御部１１４と表記する。）と、出力電力検知部１１５と、位置検知部１１６とを備えている。
給電装置１０１において、商用電源１０２は、例えば、低周波交流電源である２００Ｖの商用電源であり、給電電力検知部１０８を介して電源供給部１０３の入力端に接続される。電源供給部１０３の出力端はインバータ部１０４の入力端に接続され、インバータ部１０４の出力端は一次コイルユニット１０５に接続されている。
電源供給部１０３は、交流電力を直流電力に変換してインバータ部１０４へ供給する。インバータ部１０４は、制御部１０７の制御に従ってスイッチング動作を行い、電源供給部１０３からの電力を交流電力に変換して一次コイルユニット１０５に供給する。なお、一次コイルユニット１０５は例えば地上に敷設され、電源供給部１０３は例えば、一次コイルユニット１０５から所定距離だけ離隔して配置される。
商用電源１０２から出力される電力（電圧及び電流）は、給電電力検知部１０８によって検知され、その検知信号は制御部１０７に出力される。なお、給電電力検知部１０８は、給電装置１０１から出力される電力の大きさを検知してもよい。
受電装置１１０において、二次コイルユニット１１１の出力端は整流部１１２の入力端に接続され、整流部１１２の出力端は負荷としてのバッテリー１１３に接続されている。二次コイルユニット１１１は、一次コイルユニット１０５からの磁束により誘導起電力を発生させる。整流部１１２は、二次コイルユニット１１１によって生成された電力を整流してバッテリー１１３に供給する。バッテリー１１３に供給される電力（電圧及び電流）は、出力電力検知部１１５によって検知され、その検知信号は制御部１１４に出力される。なお、二次コイルユニット１１１は、例えば、シャーシ等の車体底部に取り付けられる。また、出力電力検知部１１５は、受電装置１１０に供給された電力の大きさを検知してもよい。
給電装置１０１の位置検知部１０９は、受電装置１１０の位置検知部１１６が発生した一定周波数の高周波磁界を受信する。制御部１０７は、位置検知部１０９が受信した高周波磁界の磁界レベルから、給電装置１０１および受電装置１１０の位置関係、具体的に、一次コイルユニット１０５および二次コイルユニット１１１の位置関係を把握する。その結果、制御部１０７は、一次コイルユニット１０５および二次コイルユニット１１１の位置関係が充電に適切であると判断した場合に、無線通信を介して制御部１１４に充電可能であることを通知する。
制御部１１４は、制御部１０７からの通知を受けると、車両の制御装置（図示せず）へ有線通信を行い、充電可能であることを伝達する。車両の制御装置（図示せず）は、充電可能であるとの通知を受け取り、かつ使用者の操作を受けると、制御部１１４に対して、充電開始指令を出力する。
その後、制御部１１４は、バッテリー１１３の残電圧に応じた電力指令値を決定し、この電力指令値を制御部１０７に送信する。また、制御部１１４は、出力電力検知部１１５が検知した電力を示す出力電力値を制御部１０７に送信する。制御部１０７は、制御部１１４から受信した、電力指令値と出力電力値とを比較し、給電装置１０１が所望の出力電力を供給できるようにインバータ部１０４を駆動制御する。なお、制御部１１４は、電力指令値のみを制御部１０７に送信してもよい。この場合、制御部１０７は、一次コイルユニット１０５の供給電力を示す値、あるいは給電電力検知部１０８が検知した電力を示す値と電力指令値との比較結果に基づいて、インバータ部１０４を駆動制御すればよい。
ここで、制御部１０７は、インバータ部１０４のスイッチング周波数が例えば２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚとなるようにインバータ部１０４を駆動制御する。これは、インバータ部１０４および一次コイル１２２の高周波損失を可能な限り低減しつつ、駆動周波数が可聴周波数域にならないようにするためである。また、インバータ部１０４が２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚで駆動されるため、一次コイル１２２から発生する磁束の基本波も同様の周波数となる。
給電装置１０１から受電装置１１０への給電中において、制御部１１４は出力電力検知部１１５が検知した電力に基づいて、バッテリー１１３に過電流や過電圧がかからないように、制御部１０７への電力指令値を変更する。
図２は、図１の非接触電力伝送装置の外観図である。図２に示されるように、給電装置１０１から受電装置１１０に給電する際に、車両を適宜移動することで、二次コイルユニット１１１と一次コイルユニット１０５とが対向して配置され、制御部１０７によってインバータ部１０４が駆動制御される。これにより、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置１１０は、高周波の電磁場から電力を取り出し、取り出した電力でバッテリー１１３を充電する。
センサ１０６は、高周波の電磁場領域及びその近傍に異物があるかどうかを検知するためのもので、図２に示されるように、例えば給電装置１０１の一次コイルユニット１０５に設けられる。センサ１０６の詳細については後述する。
なお、本発明における「異物」とは、高周波の電磁場領域に侵入してくる可能性のある人や物などの物体であり、特に、電磁界により昇温して拡大被害をもたらす可能性のある金属片などを指す。
図３は、静電容量検知方式センサの構成例を示すブロック図である。センサ１０６は、例えば、電極と異物との間の静電容量を測定するものであり、測定する静電容量の変化に基づいて、異物を検知するように構成されている。センサ１０６は、電極１１７と、交流電圧を供給する電圧供給部１１８と、静電容量測定部としてのＣ／Ｖ変換部１１９と、信号処理部１２０とを備える。電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数は、一次コイル１２２から発生する磁束の周波数の例えば１０倍であり、２００ｋＨｚ程度に設定されている。
図４は、給電装置の部分断面図である。センサ１０６および電極１１７は、具体的には、図４に示されるように、一次コイルユニット１０５を覆うカバー１２１の裏側（内側の空間）に設置されている。一次コイルユニット１０５のカバー１２１は、一次コイル１２２を保護するために、一次コイル１２２を上方から覆うように取り付けられている。センサ１０６の電極１１７は、カバー１２１の周辺に存在する異物１２３との間の静電容量を測定できるように、カバー１２１と一次コイル１２２との間に設置されている。つまり、電極１１７は、カバー１２１の外部からの衝撃などから保護されるように、カバー１２１の裏側に配置される。
なお、電極１１７は、外部に露出しないようにカバー１２１内部に組み込まれてもよい。
図３に戻り、電圧供給部１１８は、グランド（ＧＮＤ）電位を基準とする所定の電位を電極１１７に印加する。これにより、電極１１７と異物１２３との間に静電容量Ｃ１が発生する。このとき、静電容量Ｃ１は、数式１で表現される。
Figure 0006057085
数式１において、ε０は真空の誘電率、εｒは比誘電率、Ｓは電極１１７と異物１２３が対極する最小面積、ｄは電極１１７と異物１２３の間の距離である。
Ｃ／Ｖ変換部１１９は、静電容量Ｃ１を電圧値に変換する。ここでは、異物１２３とＧＮＤ電位との間の静電容量Ｃ２とした場合、Ｃ／Ｖ変換部１１９は、静電容量Ｃ１＋Ｃ２を、対応する電圧値に変換することとする。
信号処理部１２０は、Ｃ／Ｖ変換部１１９によって変換された電圧値に対応する信号を生成するための処理を行う。信号処理部１２０には、電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数に基づいた処理時間が設けられている。本実施形態では、信号処理部１２０における処理時間は、２００ｋＨｚの周波数の１周期と同期した時間となる。電圧供給部１１８から交流電圧が供給されると、信号処理部１２０は、Ｃ／Ｖ変換部１１９が静電容量を測定するために必要な時間を加味した遅延時間後に信号処理を開始する。その後、周波数２００ｋＨｚの１周期が経過すると、信号処理部１２０は信号処理を完了し、Ｃ／Ｖ変換部１１９に検知リセット信号を出力する。Ｃ／Ｖ変換部１１９は検知リセット信号により初期状態に戻る。
信号処理部１２０は、Ｃ／Ｖ変換部１１９によって変換された電圧値に対応する信号、すなわち静電容量Ｃ１＋Ｃ２に対応する信号を、図１に示す給電装置１０１の制御部１０７に送信する。
給電中において、一次コイル１２２からの磁束、及び副次的に発生する電界の影響により、一次コイル１２２から電極１１７を介してＣ／Ｖ変換部１１９に、電圧又は電流が印加される。Ｃ／Ｖ変換部１１９は、電圧供給部１１８からの交流電圧、および一次コイル１２２からの磁束に関係なく、自身に印加された電圧又は電流に基づいて静電容量を測定する。したがって、一次コイル１２２からの磁束、および電界に起因する電圧又は電流は、静電容量の測定において誤差の要因となりうる。
しかしながら、本実施形態では、磁束の周波数に対して交流電圧の周波数を約１０倍高く設定しているため、信号処理部１２０が信号処理を行なっている時間において、磁束や電界の変化は非常に小さく、ほぼ直流成分として見なすことができる。つまり、交流電圧によってのみ静電容量が生じることになり、その静電容量を測定することができるため、磁束および電界の変化による影響はほぼ排除されることになる。
また、Ｃ／Ｖ変換部１１９は、信号処理部１２０が信号処理を完了するたび、つまり２００ｋＨｚの１周期毎に初期状態に戻るため、磁束および電界の累積的な影響も排除することができる。
このように、電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数を、磁束の周波数よりも高く設定することで、磁束の影響を排除することができる。換言すると、センサ１０６によって異物を確実に検知することができる。
制御部１０７は、信号処理部１２０から出力された検知信号と、内部に設定しているしきい値とを比較する。しきい値は、センサ１０６の検知結果が妥当であるか否か、すなわち、異物が実際に存在するか否かを判定するためのものである。制御部１０７は、検知信号の値がしきい値を超えている場合、センサ１０６の検知結果が妥当、つまり異物があると判断して、異物が存在した場合における所定の動作モードに移行する。このように、制御部１０７は、異物が実際に存在するか否かを判定する機能も有する。
図３及び図４において、異物１２３が電極１１７に接近すれば、数式１のｄが小さくなるためＣ１が大きくなる。その結果、センサ１０６によって測定される静電容量が増加し、異物１２３の検知精度が向上する。したがって、センサ１０６を適切な位置に設ければ、給電装置１０１のカバー１２１周辺に異物１２３が侵入するのを確実に検知することができる。
図５及び図６は、静電容量検知方式センサの電極の構成例を示す外観図である。センサ１０６は、侵入した異物が磁束により過剰に昇温するなどの不具合を防止するため、平面視で一次コイル１２２とほぼ同様の範囲に設けた電極１１７を使用して、カバー１２１上に侵入する異物の検知を行う。
なお、電極１１７自体にも一次コイル１２２の磁束により、渦電流が流れて昇温等の不具合が発生するおそれがあるため、図５に示すように、電極１１７に切れ目１２４を設けて電流経路を寸断することで、渦電流の発生を防止できる。また、図６に示すように、分割した複数の電極１１７を、平面視で一次コイル１２２とほぼ同様の範囲に配置しても、図５に示す場合と同様に渦電流による昇温等の不具合を防止しながら十分な検知範囲を確保することができる。
また、図６のように複数の電極１１７を分割して配置した場合、電極１１７個々の検知結果を比較することで、異物の侵入位置や大きさを識別することが可能となる。また、各電極１１７の検知結果が同様の変化傾向を示す場合は、全ての電極１１７が経時変化などによる影響を受けたと判断することができる。そのため、異物侵入の判断基準を修正することで検知精度を高めることができる。なお、電極１１７の大きさは任意であるが、異物を検知するために必要な範囲をカバーできるように電極１１７を配置することが好ましい。
次に、図７（Ａ）および図７（Ｂ）のフローチャートを参照しながら、異物検知と伝送電力制御について説明する。
図７（Ａ）のステップＳ１において、車両に搭載された受電装置１１０の二次コイルユニット１１１と、給電装置１０１の一次コイルユニット１０５とが対向するように、車両を適切な位置に停車させる。
その後、位置検知部１１６は、制御部１１４からの指令によって一定周波数の高周波磁界を発生する。位置検知部１０９は、位置検知部１１６から高周波磁界の磁界レベルを受信し（図１中の位置検知磁界の矢印）、受信した磁界レベルを制御部１０７に通知する。制御部１０７は、磁界レベルに基づいて、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１の位置関係を把握する。
制御部１０７が位置関係が適切であると判断した場合には、ステップＳ２において、センサ１０６が静電容量測定動作を開始し、この時点においてセンサ１０６が測定した静電容量は、制御部１０７において初期値として記憶される。例えば、センサ１０６による静電容量の測定には電極１１７が用いられ、一次コイルユニット１０５を覆うカバー１２１上における電磁場領域が、異物の検知対象の領域となる。つまり、センサ１０６は、カバー１２１上における電磁場領域に生じる静電容量を測定することによって異物を検知する。
ステップＳ３において、制御部１０７は、位置検知部１０９が受信した磁界レベルに基づいて、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間の距離が大きいと判断した場合、あらかじめ記憶されているデータテーブルに基づいて、異物の有無の判定、すなわち異物の検知結果の妥当性を判定するためのしきい値を補正する。これは、給電時に一次コイル１２２から発生する高周波磁界が大きくなることによって、静電容量の測定に誤差が生じ、結果として、異物を誤検知したり異物の検知誤差が大きくなったりする可能性があることや、センサ１０６と二次コイルユニット１１１とが遠ざかることによって、その金属部品（異物）の影響が小さくなることを補正するためである。
したがって、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間の距離が大きければ大きいほど、しきい値を大きくするといった比例関係の補正ではなく、例えば、一次コイルユニット１０５および二次コイルユニット１１１の位置関係としきい値の補正値とが対応づけられたデータテーブルとして制御部１０７に保持させておくことが必要になる。
このデータテーブルは、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１の位置関係、すなわち位置検知部１０９が受信した磁界レベルに応じて設定されるものである。つまり、制御部１０７は、受電装置１１０および給電装置１０１の状態に応じて、しきい値を変更することができる。
その後、ステップＳ４において、制御部１０７は、制御部１１４から電力指令値を受信すると、インバータ部１０４に電力伝送開始を指示する。これにより、インバータ部１０４によるスイッチング動作が開始され、一次コイルユニット１０５から二次コイルユニット１１１への電力供給が開始される。
ステップＳ５においては、制御部１０７は、制御部１１４から受信した出力電力値に応じて、あらかじめ記憶されているデータテーブルに基づいて、しきい値を補正する。これは、出力電力値やバッテリー１１３の状態に応じて変化する、一次コイル１２２からの高周波磁界の周波数と、センサ１０６の電圧供給部１１８の動作周波数とが近い場合に異物の検知誤差が大きくなることや、一次コイル１２２からの高周波磁界が大きく、かつ出力電力値が大きい場合に異物の検知誤差が大きくなることを補正することを目的としたものである。このデータテーブルは、出力電力検知部１１５の検知出力に応じて設定されており、例えば、出力電力値としきい値の補正値とが対応づけられている。
ステップＳ６において、制御部１０７は、センサ１０６による静電容量の測定値（以下、測定静電容量と表記する。）の初期値からの変化量としきい値とを比較し、侵入してくる異物による静電容量の変化があるか否かを判定する。
なお、電力供給が開始されてからステップＳ６よりも前において、センサ１０６が静電容量を測定することで、測定静電容量の初期値からの変化量を取得することができる。
ステップＳ６において、測定静電容量の初期値からの変化量がしきい値を超えている場合（ステップＳ６のＹＥＳ肢）、異物の侵入があると判定され、異物の過熱による拡大被害を防止するため、ステップＳ７に移行し、伝送電力を制御するための異物処理を行う。
一方、ステップＳ６において、測定静電容量の初期値からの変化量がしきい値以下である場合（ステップＳ６のＮＯ肢）、異物の侵入がないと判定され、ステップＳ８において、制御部１０７はインバータ部１０４に電力伝送を継続させる。
図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるステップＳ７の異物処理の詳細を示すのフローチャートである。
異物処理では、まずステップＳ２１において、カバー１２１周辺に異物が侵入したことを、表示や音などによって使用者に告知する。
次に、ステップＳ２２において、測定静電容量の初期値からの変化量と異物の有無を判定するための二次しきい値とを比較して、経時変化要因の排除や危険度を含めた詳細な判断をする。
ここで、経時変化要因とは、非接触電力伝送装置に含まれる構成要素の温度上昇や、気候変動など、給電中における環境変化による静電容量の変動を意味する。
また、二次しきい値とは、しきい値に経時変化要因を考慮した一定値を加えた値や、異物侵入時の静電容量を設計データから求めた危険限度値などを意味する。
ステップＳ２２において、測定静電容量の初期値からの変化量が二次しきい値を超えていると判定された場合（ステップＳ２２のＹＥＳ肢）、ステップＳ２３に移行し、制御部１０７が、一次コイルユニット１０５から二次コイルユニット１１１への伝送電力を所定量（例えば、１／２）落とす、あるいは電力伝送を停止するなどの伝送電力を抑制する制御を行う。さらに、ステップＳ２４において、異物侵入により伝送電力を制御していることを表示や音などにより使用者に告知して、異物処理を終了する。
一方、ステップＳ２２において、測定静電容量の初期値からの変化量が二次しきい値以下であると判定された場合（ステップＳ２２のＮＯ肢）、ステップＳ２３、ステップＳ２４を迂回して異物処理を終了する。
図７（Ａ）のステップＳ９では、人による異物排除や車の使用などの理由により、電力伝送を中断する指示がある場合（ステップＳ９のＹＥＳ肢）、ステップＳ１１に移り、制御部１０７はインバータ部１０４に電力伝送終了を指示し、一次コイルユニット１０５から二次コイルユニット１１１への電力供給が停止され、センサ１０６は静電容量測定動作を終了する。
ステップＳ９において、電力伝送の中断指示がない場合（ステップＳ９のＮＯ肢）、ステップＳ１０に移り、充電が完了したかどうかを判定し、充電が完了していない場合（ステップＳ１０のＮＯ肢）にはステップＳ５に戻り、充電が完了している場合（ステップＳ１０のＹＥＳ肢）にはステップＳ１１において電力供給を終了するとともに、異物検知動作を終了する。
以上、本実施形態によれば、給電装置１０１は、カバー１２１周辺に存在する物体を検知可能なセンサ１０６を備えている。そして、センサ１０６から電極１１７に供給される交流電圧の周波数は、磁束の周波数よりも高くなるように設定されている。これにより、センサ１０６によって測定される静電容量が磁束の影響を受けにくくなるため、センサ１０６は異物１２３を確実に検知することができる。つまり、センサ１０６によって、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間への異物１２３の侵入が確実に検知される。
具体的に、給電装置から受電装置への給電中において、磁束等に起因して、静電容量検知方式センサが測定した静電容量には誤差が生じうる。このような誤差を抑制するためには、磁束の影響を排除するためのフィルタ等が必要となる場合がある。ところが、フィルタ等の部品をセンサに搭載すると、センサを構成する回路面積およびコストが増大してしまう。
これに対して、本実施形態に係る非接触電力伝送装置では、上述したように、交流電圧の周波数を磁束の周波数よりも高く設定することで、磁束の影響を無視することができる。したがって、センサ１０６の回路面積およびコストの増大を抑制することができるとともに、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間への異物１２３の侵入を確実に検知することができる。
なお、本実施形態では、給電装置１０１の一次コイルユニット１０５に静電容量検知方式センサ１０６を設置した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。このような場合に代えて、例えば、受電装置１１０の二次コイルユニット１１１に静電容量検知方式センサ１０６が設置されているような場合であってもよい。さらに給電装置１０１の一次コイルユニット１０５および受電装置１１０の二次コイルユニット１１１のそれぞれに静電容量検知方式センサ１０６を設置してもよい。
また、図３では、静電容量検知方式センサ１０６の静電容量検知方式として、Ｃ／Ｖ変換部１１９によって、静電容量の変化を検知する場合を示したが、これに限定するものではない。例えば、異物がないときの、電極１１７とその周辺との間の静電容量と共振するような周波数の交流電圧を電極１１７に印加しておき、異物１２３が近付いたときの静電容量の変化によって共振周波数が変化し、電圧振幅が変化することから静電容量の変化を検知してもよい。
また、異物がないときの、電極１１７とその周辺との間の静電容量と共振するような周波数の交流電圧を電極１１７に印加しておき、異物１２３が近付いたときの静電容量の変化によって共振周波数が変化し、流れる電流が変化することから静電容量の変化を検知してもよい。
また、上述の説明では、磁束の基本波の周波数を２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数を２００ｋＨｚに設定した場合を一例として説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されない。例えば、磁束の基本波の周波数を１００ｋＨｚとした場合には、交流電圧の周波数をそれよりも高く設定すればよい。
また、磁束の強度によってもセンサ１０６への影響度合いが異なるため、例えば磁束の強度が低い場合には、磁束の周波数と交流電圧の周波数とを近い値に設定しても、十分な静電容量の測定精度を確保することができる。
また、発明者らによる実験では、磁束の周波数に対して交流電圧の周波数を少なくとも２倍に設定すれば異物の誤検知を抑制できることがわかった。
また、上述の説明では、信号処理部１２０が電圧供給部１１８に同期して信号処理を行ない、交流電圧の周波数の１周期毎に処理が完了する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。磁束の周波数に対して十分に短い期間で信号処理が完了すれば、交流電圧の周波数の複数周期にまたがって信号処理を行なっても磁束の影響は排除できる。
また、交流電圧の周波数の高周波化と、信号処理部１２０での信号処理時間を制限することによって、磁束の影響を排除する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電極１１７とＣ／Ｖ変換部１１９との間、またはＣ／Ｖ変換部１１９と信号処理部１２０との間等に、磁束の周波数成分の信号が十分減衰するようなローパスフィルタ、または交流電圧の周波数のみを通過させるバンドパスフィルタなどの検出フィルタを設置してもよい。この場合、信号処理部１２０での信号処理時間を制限する必要がないため、磁束の周波数が比較的高く、交流電圧の周波数がそれよりも高く設定されており、信号処理部１２０の処理速度が十分に取れず、誤差が大きくなるような場合に有効である。
また、電極１１７は、カバー１２１の裏側に配置される構成を示したが、これに限定されるものではない。例えば、電極１１７がカバー１２１内部に埋設されるような構成であってもよい。この場合、異物１２３と電極１１７との間の距離を小さくすることができるため、検知感度が向上し、さらに安定して異物検知を行うことができる。
また、センサ１０６は、静電容量検知方式センサに限定されるものではない。例えば、一次コイルユニット１０５のカバー１２１の内側に接触するようにシート状の感温センサを設け、カバー１２１上の異物の温度が上昇することを検知することにより異物の有無を検知するようにしてもよい。
なお、図５及び図６では、電極１１７が一定の面積を持つ場合を示したが、これに限定するものではない。例えば、帯状の電極を設置する場合、一次コイル１２２から発生する高周波磁界によって渦電流が発生しないように、電極をループ状にはせず、その端部を電気的に開放するようにすればよい。
また、電極１１７の端部同士が電気的に接続されるような場合には、電極１１７に細かくスリットを入れて、渦電流が流れるループが制限されるような形状にすればよい。
また、図７（Ａ）および（Ｂ）に示す処理では、しきい値と二次しきい値との２つの判定基準を設けて、段階的に異物検知等の処理を行っているが、例えば、しきい値と二次しきい値とを同一の値として、１つの判定基準により異物検知等の処理を行ってもよい。つまり、１つのしきい値を用いて、異物が実際に存在するか否かを判定するようにしてもよい。
また、本実施形態に係る非接触電力伝送装置に用いられるコイルは、プレート型あるいはソレノイド型のコイルであってもよい。
なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本発明に係る非接触電力伝送装置では、給電装置から受電装置への給電のための電磁場領域近辺に侵入した異物を確実に検知できるようにしたので、例えば人や物が不注意にあるいは誤って近づく可能性がある電気推進車両の受電装置への給電等に有用である。
１０１ 給電装置
１０６ 静電容量検知方式センサ
１１０ 受電装置
１１７ 電極
１１８ 電圧供給部
１１９ Ｃ／Ｖ変換部（静電容量測定部）
１２１ カバー
１２２ 一次コイル
１２３ 異物

Claims (4)

  1. 受電装置と、
    入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルを覆うカバーとを有し、前記受電装置に非接触で電力を供給する給電装置と、
    電極を有し、当該電極に交流電圧を供給し、当該電極と前記カバー周辺に存在する異物との間に生じる静電容量を測定することによって当該異物を検知する静電容量検知方式センサとを備え、
    前記静電容量検知方式センサにおける前記交流電圧の周波数は、前記一次コイルが発生する磁束の周波数よりも高く設定されている
    ことを特徴とする非接触電力伝送装置。
  2. 前記静電容量検知方式センサは、
    前記電極に前記交流電圧を供給する電圧供給部と、
    前記電極と前記異物との間に生じる静電容量を測定する静電容量測定部とを有する
    ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
  3. 前記磁束の強度が低い場合、前記交流電圧の周波数および前記磁束の周波数は近似した値に設定される
    ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
  4. 前記交流電圧の周波数は、前記磁束の周波数の２倍以上に設定される
    ことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
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