JP6075173B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

従来より、給電システムとして、一対のコイルの磁気的結合によって非接触で電力の供給を行う非接触給電システムが知られている。この非接触給電システムは、例えば電気自動車といった電動車両への適用が進められており、給電スタンドなどの駐車スペースには送電機能を担う装置（非接触給電装置）が設けられ、バッテリなどの負荷を備える電動車両には受電機能を担う装置が設けられる。送電側の装置は、交流電源に接続する一方のコイルや、駆動周波数に応じた交流電流を当該コイルに出力する電力変換手段（インバータ）などを備え、受電側の装置は、負荷に接続する他方のコイルを備えている。そして、駐車スペース側のコイルを送電コイル（一次コイル）、電動車両側のコイルを受電コイル（二次コイル）として利用することにより、一対のコイルの磁気的結合により駐車スペース側の交流電源から負荷である車両側のバッテリへと電力を供給することができる。

この非接触給電システムでは、送受電コイルから送電周波数の整数倍の高調波ノイズが放射されるため、法規制の要請をみたすレベルや、電子機器に干渉を起こさないレベルまで高調波ノイズを低減する必要がある。この高調波ノイズは、送電コイル電流に含まれる高調波成分が電磁波となって空間に放出されるものであるため、送電コイルに流れる電流の高調波成分を除去する必要がある。

例えば特許文献１には、送電コイルの前段にフィルタ部（例えばＬＣフィルタ）を設け、所定周波数以上の周波数成分を抑制する無線エネルギー伝達システムが開示されている。

特表２０１２−５０４３８７

ところで、電動車両での使用態様を考えた場合には、負荷であるバッテリの充電量状態の変化や、ドライバーの技量等に起因する受電コイルとの位置ずれに伴うコイル結合度合いの変化により、負荷インピーダンスが変化する。このインピーダンス変化により、フィルタ部の一部及び送電コイルを含む回路の合成インピーダンスが大きくなると、フィルタ部からの出力電圧が上昇する。

そのため、フィルタ部からの出力電圧が高くなると、フィルタ部から送電コイルへと至る電力用のケーブルを被覆などで高耐圧化する必要があり、コストの上昇を招くばかりか、電気設備の規格などでケーブルの敷設が制約されるなどの不都合がある。また、高耐圧化したケーブルの配線長が長くなることで、ケーブルとアース間の浮遊容量が大きくなり、漏洩電流が大きくなるという問題がある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価で敷設の制約も少なく、かつ漏洩電流の抑制を図ることができる非接触給電装置を提供することできる。

かかる課題を解決するために、本発明に係る非接触給電装置は、受電コイルと磁気的に結合する送電コイルに交流電流を出力する電力変換部と、送電コイルとの間に、所定周波数以上の周波数成分を抑制するフィルタ部を配設している。そして、フィルタ部は、電力変換部よりも送電コイルに近い位置に配置され、フィルタ部と送電コイルとの間を接続するケーブルの配線長は、電力変換部とフィルタ部との間を接続するケーブルの配線長よりも短く構成されている。

本発明によれば、フィルタ部から送電コイルまでのケーブルの配線長を相対的に短く設定することができる。これにより、コストの掛かる高耐圧化を施すケーブルの範囲を縮小することができるので、安価で敷設の制約も少なく、かつ漏洩電流の抑制を図ることができる。

非接触給電システムの構成を模式的に示すブロック図 給電装置の回路構成及びケーブルの配線長を示す説明図 筐体を含む給電装置の構成を示す説明図 送電コイル及びフィルタ部を示す説明図 筐体を含む給電装置の構成を示す説明図

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る非接触給電システムの構成を模式的に示すブロック図である。非接触給電システムは、送電側の装置である給電装置（非接触給電装置）１００と受電側の装置を含む電動車両（以下単に「車両」という）２００とを備え、給電装置１００から非接触で電力を供給し、車両２００に設けられるバッテリ２８を充電する給電システムである。

給電装置１００は、車両２００の駐車スペースを備える充電スタンドなどに設置されており、車両２００に対して電力を供給する。この給電装置１００は、電力制御部１１と、送電コイル１２と、フィルタ部１３と、無線通信部１４と、制御部１５とを主体に構成されている。ここで、図２は、給電装置１００の回路構成及びケーブルの配線長を示す説明図である。

電力制御部１１は、交流電源３００から送電される交流電力を、高周波の交流電力に変換し、送電コイル１２に送電するための機能を備えている。この電力制御部１１は、整流部１１１と、ＰＦＣ（Power Factor Correction）回路１１２と、インバータ１１３とを
備えている。

整流部１１１は、交流電源３００と電気的に接続され、交流電源からの出力交流電流を整流する。すなわち、整流部１１１は、交流電源３００からの交流電流を直流電流に変換して出力する。

ＰＦＣ回路１１２は、整流部１１１とインバータ１１３との間に接続されている。ＰＦＣ回路１１２は、例えば昇圧チョッパ回路などを含み、整流部１１１からの出力電流の波形を整形することで力率を改善するための回路である。ＰＦＣ回路１１２の出力は平滑コンデンサで平滑される。

インバータ１１３は、平滑コンデンサやＩＧＢＴ等のスイッチング素子等を含む電力変換部である。インバータ１１３には整流部１１１からの直流電流が入力されており、駆動
周波数に応じた交流電流を送電コイル１２に出力する。例えば、インバータ１１３は、ＰＷＭ制御により制御部１５から出力される駆動信号に基づいて直流電圧からＰＷＭパルスを生成し、これにより、等価的な正弦波交流電圧を送電コイル１２に印加する。

送電コイル１２は、車両２００側の受電コイル２２に対して非接触で電力を供給するためのコイルである。送電コイル１２は、コイルと、共振用のコンデンサとを直列に接続して構成されているが、コイルと共振コンデンサの接続は、並列や直並列などでもよい。この送電コイル１２は、車両２００を駐車する駐車スペースといった目的箇所に設けられており、車両２００が駐車スペースの規定位置に駐車した場合、車両２００側の受電コイル２２の下方に対峙する。

フィルタ部１３は、インバータ１１３と送電コイル１２との間に配設されており、インバータ１１３からの出力電流に含まれる高調波成分を除去する機能を担っている。フィルタ部１３は、例えばローパスフィルタであり、本実施形態では、コイルとコンデンサとで構成されたＬＣ回路で実現されている。なお、コイルのインダクタンスと、コンデンサの静電容量は、可変に構成されたものであってもよいし、ＬＣ回路を多段で設けてもよいし、コイルとコンデンサとを並列した回路を併用してもよい。

無線通信部１４は、車両２００側に設けられた無線通信部２４と双方向に通信を行う。無線通信部１４と無線通信部２４との間の通信周波数には、インテリジェンスキーなどの車両周辺機器で使用される周波数より高い周波数が設定されているため、無線通信部１４と無線通信部２４との間で通信を行っても、車両周辺機器は、当該通信による干渉を受けにくい。無線通信部１４及び無線通信部２４との間の通信には、例えば各種の無線ＬＡＮ方式が用いられ、遠距離に適した通信方式が用いられている。

制御部１５は、給電装置１００を制御する機能を担っている。この制御部１５としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。例えば、制御部１５は、電力制御部１１、送電コイル１２及び無線通信部１４を制御する。制御部１５は、無線通信部１４と無線通信部２４との間の通信により、電力供給を開始する旨の制御信号を車両２００側に送信したり、電力を受給したい旨の制御信号を車両２００側から受信したりする。制御部１５は、インバータ１１３のスイッチング制御などを行い、送電コイル１２から出力される電力を制御する。

車両２００は、受電コイル２２と、無線通信部２４と、充電制御部２５と、整流部２６と、リレー部２７と、バッテリ２８と、インバータ２９と、モータ３０と、通知部３２とを備えている。

受電コイル２２は、給電装置１００側の送電コイル１２から非接触で電力を受けるためのコイルである。受電コイル２２は、コイルと、共振用のコンデンサとを直列に接続して構成されているが、コイルと共振コンデンサの接続は、並列や直並列などでもよい。この受電コイル２２は、例えば、車両２００の底面（シャシ）等で後方の車輪の間といった目的箇所に設けられており、車両２００が駐車スペースの規定位置に駐車されると、給電装置１００側の送電コイル１２の上方に対峙する。

無線通信部２４は、給電装置１００側に設けられた無線通信部１４と、双方向に通信を行う。

整流部２６は、受電コイル２２に接続され、受電コイル２２からの交流電流を直流電流に変換して出力する電力変換部である。例えば、整流部２６は、受電コイル２２からの出力を、整流回路による整流処理及びフィルタ回路によるフィルタ処理を通じて、直流電流
への変換を行う。

リレー部２７は、充電制御部２５の制御によりオン及びオフが切り変わるリレースイッチを備えている。リレー部２７は、当該リレースイッチをオフにすることで、バッテリ２８を含む回路と、受電コイル２２及び整流部２６を含む回路とを切り離すことできる。

バッテリ２８は、車両２００の電力源であり、例えば複数の二次電池を電気的に接続して構成された蓄電手段である。

インバータ２９は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子、ＰＷＭ制御回路等を含む電力変換装置であり、制御信号に基づいて、バッテリ２８から出力される直流電流を交流電流に変換し、当該交流電流をモータ３０に供給する。モータ３０は、例えば三相の交流電動機により構成され、車両２００を駆動させるための駆動源である。

通知部３２は、警告ランプ、ナビゲーションシステムのディスプレイ又はスピーカ等により構成され、車室内のインストルメントパネル等に配置されている。この通知部３２は、充電制御部２５による制御に基づいて、ユーザに対して光、画像又は音等を出力する。

充電制御部２５は、バッテリ２８の充電を制御する機能を担っている。この充電制御部２５としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。例えば、充電制御部２５は、無線通信部２４及び無線通信部１４の通信により、電力供給を開始する旨の制御信号を給電装置１００側から受信したり、電力を受給したい旨の制御信号を給電装置１００側に送信したりする。

また、図示を省略しているが、充電制御部２５は、車両２００全体を制御するコントローラとＣＡＮ通信網で接続されている。当該コントローラは、インバータ２９のスイッチング制御や、バッテリ２８の充電状態（ＳＯＣ）を管理している。充電制御部２５は、コントローラから、バッテリ２８を充電するための電力指令である、充電電力指令を取得することができる。

本実施形態に係る非接触給電システムでは、送電コイル１２と受電コイル２２との間で、電磁誘導作用により非接触状態で電力の送電を行う。すなわち、一次コイルである送電コイル１２に電圧が加わると、送電コイル１２と二次コイルである受電コイル２２との間に磁気的な結合が生じ、送電コイル１２から受電コイル２２へ電力が供給される。

再び図２を参照するに、フィルタ部１３と送電コイル１２とはケーブルを介して電気的に接続され、また、インバータ１１３とフィルタ部１３ともケーブルを介して電気的に接続されている。ここで、本実施形態の特徴の一つとして、フィルタ部１３は、インバータ１１３よりも送電コイル１２に近い位置に配置されている。そして、フィルタ部１３と送電コイル１２との間を接続するケーブルの配線長Ｄ２は、インバータ１１３とフィルタ部１３との間を接続するケーブルの配線長Ｄ１よりも短い関係に設定されている。このような関係を前提として、図３に示すように、送電コイル１２と、インバータ１１３を含む電力制御部１１とはそれぞれ独立した筐体１０１，１０２に収容されている。そして、フィルタ部１３は、送電コイル１２を収容する筐体１０２内部に収容されている。

図４は、フィルタ部１３及び送電コイル１２を収容した筐体１０２の状態を模式的に示す説明図である。送電コイル１２を収容する筐体１０２は、地面側に取り付けられるプレート部１０２ａと、当該プレート部１０２ａの周縁部と連結されて送電コイル１２及びフィルタ部１３を収容する箱状部（図示せず）とで構成されている。プレート部１０２ａは送電コイル１２を基準に、受電コイル２２とは逆側に相当する筐体１０２の領域を構成し
ており、送電コイル１２から放出される磁束を遮断するために、非磁性体からなる金属部材で形成されている。一方、箱状部は、送電コイル１２を基準に、受電コイル２２側に相当する筐体１０２の領域を構成しており、送電コイル１２から放出される磁束の影響を受けないように樹脂製の部材で形成されている。

プレート部１０２ａには、図４に示すように、送電コイル１２を構成するコイル１２ａ及び共振コンデンサ１２ｂが配設されている。また、同一筐体１０２内にフィルタ部１３を収容しているところ、当該フィルタ部１３をなすコンデンサ１３ａ及びコイル１３ｂもプレート部１０２ａに配設されている。また、フィルタ部１３は、プレート部１０２の中心に近い位置に配置されている。

再び図１を参照するに、このよう非接触給電システムにおいて、給電装置１００は、車両２００から出力される情報等に基づいて、電力供給を制御する。

ここで、車両２００側の充電制御部２５は、整流部２６からバッテリ２８へ出力される出力電圧及び出力電流を検出する。また、充電制御部２５は、バッテリ２８の充電状態に応じて車両２００のコントローラ（図示せず）から出力される充電電力指令を取得する。そして、充電制御部２５は、充電電力指令、バッテリ２８への出力電圧及び出力電流を無線通信用のデータに変換する。変換されたデータは、車両２００側の無線通信部２４により送信されると、給電装置１００側の無線通信部１４により受信され、給電装置１００側の制御部１５に出力される。

給電装置１００側の制御部１５は、ＰＦＣ回路１１２の入力電圧と、ＰＦＣ回路１１２の入力電流と、インバータ１１３の入力電圧に基づいて、ＰＦＣ回路１１２の入力電流とインバータ１１３の入力電圧とを昇圧チョッパ回路を操作することで制御する。

また、制御部１５には、インバータ１１３の入力電圧と、車両２００側から取得した充電電力指令及びバッテリ２８への出力電圧・出力電流が入力されている。インバータ制御部１５２は、これらの情報に基づいて、インバータ１１３をフィードバック制御することで電力の供給を行う。インバータ制御部１５２は、インバータ１１３の駆動周波数をフィードバック演算により求めると、この駆動周波数とそのデューティ指令値とに基づいてインバータ１１３に対する駆動信号を生成する。

このような制御動作を行う給電装置１００において、上記のフィルタ部１３は、以下の要件を満たすように設定されることが好ましい。

第１に、フィルタ部１３は、その遮断周波数が充電時の送電周波数（駆動周波数）よりも低くなるように選定される。これにより、低い次数の高調波成分も大きく低減できる。かかる要件は、次に示すように、電流の遅れ位相制御を実現するためにも必要となる。

第２に、インバータ１１３は、その出力電圧に対して電流が遅れ位相となるように選定されている。これにより、スイッチング損失が低いソフトスイッチングモードでインバータ１１３を駆動することができる。

第３に、インバータ１１３は、コイル結合係数や負荷条件によらず調整可能な周波数範囲で目標出力を得られるように選定されている。第１の要件に示すように、フィルタ部１１３の遮断周波数が充電時の送電周波数よりも低いため、送電磁界を発生させるための電流成分まで減衰させてしまう恐れがあるからである。

第４に、インバータ１１３は、基本波ノイズの漏洩レベルを抑えるために、送電コイル
１２及び受電コイル２２からの磁界が打ち消しあうようなコイル電流位相（送電コイル電流と受電コイル電流の位相差）となるように選定されている。本実施形態では、フィルタ部１３を送電コイル１２側に備えるため、フィルタ挿入により送電コイル電流と受電コイル電流との位相差がずれる。そこで、送電コイル１２及び受電コイル２２で発生する磁界を互いに打ち消しあう位相となる電流を印加すれば漏洩磁界が低減できるからである。

このように本実施形態によれば、フィルタ部１３をインバータ１１３よりも送電コイル１２に近い位置に配置し、フィルタ部１１３と送電コイル１２と間のケーブルの配線長Ｄ２の長さを短くしている。このため、フィルタ部１１３から送電コイル１２に至るケーブルの配線長Ｄ２を相対的に短くすることができるので、高価で敷設に制限を伴う高耐圧被覆を施すケーブルの配線長を短くすることができる。その結果、安価で敷設の制約も少なく、かつ漏洩電流の抑制を図ることができる給電装置１００を提供することができる。

また、本実施形態によれば、フィルタ部１１３と送電コイル１２と間の間隔を短くすることができるので、これを同一筐体１０２内に収容することができる。この場合には、フィルタ部１１３と送電コイル１２との間のケーブルに高耐圧被覆を施さずに筐体１０２にてその要請を担うことができる。また、高耐圧被覆を施す場合であってもその配線長を短くすることができ。さらに、フィルタ部１１３を独立して設ける必要もないというメリットを有している。

もっとも、図５に示すように、フィルタ部１１３と送電コイル１２とをそれぞれ隣接配置される筐体１０２，１０３で収容してもよい。この場合であっても、インバータ１１３から送電コイル１２までのケーブルの配線長において、フィルタ部１１３と送電コイル１２と間のケーブルの配線長の相対長さを短くすることができる。このため、フィルタ部１１３の出力電圧が上昇するようなシーンが想定されるとしても、高耐圧被覆による配線長を短くすることができたりする。このため、漏洩電流を低減することができる。

さらに、本実施形態において、フィルタ部１３は、筐体１０２を構成する金属部材からなる領域（プレート部１０２ａ）に配設することで、当該プレート部１０２ａへと熱を逃がすことができる。これにより、フィルタ部１３の放熱効率を高めることができる。

以上、本発明の非接触充電装置を適用した非接触充電システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能であることはいうまでもない。

１００ 給電装置
１１ 電力制御部
１１１ 整流部
１１２ ＰＦＣ回路
１１３ インバータ
１２ 送電コイル
１３ フィルタ部
１４ 無線通信部
１５ 制御部
１０１ 筐体
１０２ 筐体
１０２ａ プレート部
１０３ 筐体
２００ 車両
２２ 受電コイル
２２１ 電圧センサ
２４ 無線通信部
２５ 充電制御部
２６ 整流部
２７ リレー部
２８ バッテリ

Claims (4)

1. 磁気的結合により受電コイルとの間で非接触で電力の授受を行う送電コイルと、
   交流電流を前記送電コイルに出力する電力変換部と、
   前記電力変換部と前記送電コイルとの間に配設されて所定周波数以上の周波数成分を抑制するフィルタ部とを有し、
   前記フィルタ部は、前記電力変換部よりも前記送電コイルに近い位置に配置され、
   前記フィルタ部と前記送電コイルとの間を接続するケーブルの配線長は、前記電力変換部と前記フィルタ部との間を接続するケーブルの配線長よりも短いことを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記送電コイルと前記電力変換部とはそれぞれ独立した筐体に収容されており、
   前記フィルタ部は、前記送電コイルを収容する筐体内部に収容されることを特徴とする請求項１に記載された非接触給電装置。
3. 前記送電コイルを収容する筐体は、前記受電コイルと逆側の領域が、前記送電コイルから放出される磁束を遮断するための非磁性体からなる金属部材で形成されており、
   前記フィルタ部は、前記金属部材に配設されることを特徴とする請求項２に記載された非接触給電装置。
4. 前記送電コイルと前記電力変換部とはそれぞれ独立した筐体に収容されており、
   前記フィルタ部は、前記送電コイルを収容する筐体に隣接配置される別の筐体に収容されることを特徴とする請求項１に記載された非接触給電装置。

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