JP6453545B2 - 受電ユニット及びそれを有する給電システム - Google Patents

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Description

本発明は、車両に設けられ、車両外から非接触で給電された電力を受電する受電ユニット、及びこの受電ユニットを有する給電システムに関する。
近年、例えば、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等が備える二次電池（以下、単に「動力用バッテリ」という）の充電などにおいて、充電作業を容易にするために、プラグ接続等の物理的接続を必要としないワイヤレス（非接触）での電力伝送技術が用いられている。
例えば、特許文献１に開示されている給電システムでは、給電施設において地面に設置される給電部と、車両の下面に取付けられた受電部とを有し、これら給電部と受電部とを電磁的に結合させることにより非接触で電力を伝送している。
このような給電システムにおいて、受電部は車両の下面に取付けられることから、エンジンやモータなどを有するドライブユニット又は排気管などの発熱体の近くに配置されることがある。この受電部は、電磁的結合のための回路に含まれるコイル及びコンデンサと、これらを収容するケースを有している。受電部に用いられるコイルのコイル線は主に銅などの金属が用いられており温度上昇によって抵抗値が増加する性質を有しており、また、コンデンサやコイルの構成部品であるフェライト製のコア等は使用温度の上限値が定められている。そのため、車両の発熱体からの熱が受電部のコイル及びコンデンサに伝わることを回避するために、これらコイル及びコンデンサとケースとの間に隙間をあけて空気による断熱層を設けていた。
特開２０１３−９０４７０号公報
しかしながら、例えば、車両が長時間の走行を終えて上記給電部のある充電ステーションに到着したとき、長時間発熱体の輻射熱に晒されることによりケース内のコイル及びコンデンサが高温になってしまうことがある。そのため、コイル線の抵抗値増加により電力の伝送効率が低下し、コンデンサやフェライト製のコア等の温度が使用温度上限値を超えてしまう恐れがあった。また、ケース内に断熱層を設けているため、一度高温になったコイルやコンデンサの熱が放出されにくいので、コイル及びコンデンサの熱が下がりにくかった。
本発明は、かかる問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、コイル及びコンデンサの少なくとも一方の温度上昇を抑制することができる受電ユニット及びそれを備える給電システムを提供することを目的とする。
請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、車両の下面に設けられ、地面に設けられた給電部から伝送された電力を非接触で受電する受電ユニットであって、前記電力の受電に用いられるコイル及びコンデンサと、前記コイル及び前記コンデンサを収容する１つの空間が内側に設けられたケースとを有し、前記コイルは、平板状のコアと、当該コアに巻き付けられたコイル線と、を備え、前記コンデンサは、前記コアの面内方向に沿って当該コアと並べられて配置された回路基板の表面に実装されたものあり、前記ケースは、本体部及び蓋部を有し、前記本体部と前記蓋部とを組み合わせることで前記空間を形成するものであって、前記ケース内側において、前記コイル及び前記コンデンサを覆いつつ前記蓋部に接するように、前記空間全体に熱伝導部材が充填されていることを特徴とする受電ユニットである。
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記回路基板が、熱伝導材料を含んでいることを特徴とするものである。
請求項３に記載された発明は、上記目的を達成するために、地面に設けられた給電部と車両に設けられた受電部とを有し、前記受電部が前記給電部から伝送された電力を非接触で受電する給電システムであって、前記受電部が、請求項１又は２に記載の受電ユニットを有していることを特徴とする給電システムである。
請求項１、３に記載された発明によれば、給電部から伝送された電力を非接触で受電するために用いられるコイル及びコンデンサと、これらコイル及びコンデンサを収容する空間が内側に設けられたケースとを有している。そして、ケース内側の空間のうちの少なくともコイル又はコンデンサが配置されている部分に熱伝導部材が充填されている。このようにしたことから、コイル及びコンデンサのうちの少なくとも一方が熱伝導部材によって覆われてケースと熱的に接続される。そのため、例えば、車両のドライブユニットや排気管などの発熱体の熱にケースが晒された場合でも、当該熱がケースの発熱体側から熱伝導部材を通じてケースの地面側に伝わって放出される。これにより、発熱体の熱がコイルやコンデンサに伝わった場合でも速やかにその熱を放出できるので、熱伝導部材で覆われたコイル又はコンデンサの温度上昇を抑制することができる。
また、請求項１に記載された発明によれば、熱伝導部材が、ケース内側の空間全体に充填されている。このようにしたことから、ケース全体として熱伝導性が向上し、その内側に収容されたコイル及びコンデンサの温度上昇を抑制することができる。
請求項２に記載された発明によれば、ケース内側の空間のうちの少なくともコンデンサが配置されている部分に熱伝導部材が充填されている。そして、コンデンサが実装される回路基板をさらに有し、この回路基板が、熱伝導材料を含んでいる。このようにしたことから、例えば、コンデンサを実装する回路基板として一般的に用いられるガラスエポキシ基板を採用した構成に比べて、鉄や銅等の金属板からなる層を設けた回路基板やセラミック粉などを配合した回路基板などの熱伝導材料を含む回路基板を採用することで回路基板の熱伝導性が向上し、コンデンサの温度上昇をさらに抑制することができる。
本発明の一実施形態の給電システムの概略構成を示す図である。 図１の給電システムが備える給電ユニット及び受電ユニットの配置を説明する図である。 図２の受電ユニットの分解斜視図である。 図２の受電ユニットの断面図である。 図２の受電ユニットの変形例の構成を示す断面図である。 図２の受電ユニットの受電側コンデンサユニットが有する回路基板の変形例の構成を示す断面図である。 本発明の実施例における温度上昇の経過を示すグラフである。 比較例における温度上昇の経過を示すグラフである。
以下、本発明の一実施形態の給電システムについて、図１〜図４を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の給電システムの概略構成を示す図である。図２は、図１の給電システムが備える給電ユニット及び受電ユニットの配置を説明する図である。図３は、図２の受電ユニットの分解斜視図である。図４は、図２の受電ユニットの断面図である。
本実施形態の給電システムは、磁界共鳴方式を用いて非接触で地面側から車両に電力を供給する。なお、給電側と受電側とを電磁的に結合させることにより電力を伝送するものであれば、磁界共鳴方式以外の方式を用いてもよい。
図１に示すように、給電システム１は、地面Ｇ（図２に示す）に配置される給電部としての給電装置２０と、車両Ｖ（図２に示す）に配置される受電部としての受電装置３０と、を備えている。この車両Ｖは、エンジン及びモータを有するドライブユニットＤＲＶと、モータに電力を供給する動力用バッテリＢＡＴＴと、エンジンの排気ガスを排出する排気管ＥＸと、を備えている。図２において、左側が車両Ｖの前方である。
給電装置２０は、高周波電源２１と、給電ユニット２２と、整合器２７と、制御部２８と、を備えている。
高周波電源２１は、例えば、商用電源から高周波電力を生成して、後述する給電ユニット２２に供給している。この高周波電源２１により生成される高周波電力は、給電ユニット２２の共振周波数及び後述する受電ユニット３２の共振周波数と等しい周波数に設定されている。
給電ユニット２２は、給電側コイル２３と、給電側コンデンサ体２４とを有している。これら給電側コイル２３と給電側コンデンサ体２４とは、給電側ケース２５に収容されている。給電ユニット２２は、図２に示すように、地面Ｇ上に設置されている。給電ユニット２２は、地面Ｇに埋設されていてもよい。
給電側コイル２３は、図示しないフェライト製のコアにリッツ線（複数のエナメル被覆の細線を編み上げた導線）がコイル状に巻き付けられて構成されている。給電側コンデンサ体２４は、図示しない回路基板に互いに直列若しくは並列、又は直列及び並列に接続されて実装された複数の図示しないコンデンサを有している。給電側コイル２３と給電側コンデンサ体２４とは、互いに直列接続されて所定の共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、給電側コイル２３と給電側コンデンサ体２４とは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。
整合器２７は、高周波電源２１と給電側コイル２３及び給電側コンデンサ体２４からなる共振回路との間のインピーダンスを整合させるための回路である。
制御部２８は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有する周知のマイクロコンピュータなどで構成され、給電装置２０全体の制御を司る。制御部２８は、例えば、電力伝送の要求に応じて、高周波電源２１のオンオフ制御を行う。
受電装置３０は、受電ユニット３２と、整流器３８と、を備えている。
受電ユニット３２は、図３、図４に示すように、コイルとしての受電側コイル３３と、コンデンサとしての受電側コンデンサ体３４と、これらを収容するケースとしての箱形の受電側ケース３５と、受電側ケース３５内側の空間Ｋに充填された熱伝導部材３６と、を有している。
受電側コイル３３は、矩形平板状のフェライト製のコア３３ａと、コア３３ａにコイル状に巻き付けられたリッツ線からなるコイル線３３ｂと、を有している。コイル線３３ｂは、リッツ線以外の導線で構成されていてもよい。
受電側コンデンサ体３４は、ガラスエポキシ基板の表面に配線パターンを形成した矩形平板状の回路基板３４ａと、回路基板３４ａの表面に実装され、互いに直列若しくは並列、又は直列及び並列に接続された複数のセラミックコンデンサ３４ｂと、を有している。
受電側コイル３３と受電側コンデンサ体３４とは、互いに直列接続されて給電ユニット２２と同一の共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、受電側コイル３３と受電側コンデンサ体３４とは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。
受電側ケース３５は、本体部３５ａと蓋部３５ｂとに分割可能に形成されている。本体部３５ａは、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの給電装置２０からの磁気を通すことが可能な材料で構成されている。蓋部３５ｂは、例えば、アルミニウム又はアルミニウム合金などの磁気を通さない（磁気シールドとなる）材料で構成されている。または、蓋部３５ｂも本体部３５ａと同様にＦＲＰなどの樹脂製とし、蓋部３５ｂの上方に銅やアルミニウムからなる磁気シールド板等を配置してもよい。受電側ケース３５は、本体部３５ａと蓋部３５ｂとを組み合わせて図示しないねじ等の固定手段により固定することで、内側に受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４を収容する空間Ｋを形成する。本実施形態では、空間Ｋにおいて、受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４は、水平方向に並べて配置されている。また、受電側ケース３５は、蓋部３５ｂが車両Ｖの下面側、本体部３５ａが地面Ｇ側となるように車両Ｖの下面に取付けられる。
受電側コイル３３から延びる引出線３３ｃ及び受電側コンデンサ体３４から延びる引出線３４ｃは、それぞれ受電側ケース３５の内側から外側に引き出されて配索された一対のリード線３７、３７に接続される。
熱伝導部材３６は、例えば、電気絶縁性を有するシリコーンゴムであり、図４に示すように、受電側ケース３５内側の空間Ｋ全体に充填されている。この熱伝導部材３６は、受電側ケース３５の本体部３５ａに受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４を収容して蓋部３５ｂを被せ、受電側ケース３５に設けられた図示しない充填孔から空間Ｋに液体シリコーンゴムを注入したのち硬化させて形成している。これ以外にも、例えば、シリコーンゴムからなる熱伝導シートを受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４を何重にも巻き付けたのち受電側ケース３５内に押し込むことにより、受電側ケース３５内の空間Ｋを埋めた構成としてもよい（この構成も「熱伝導部材が充填され」た構成に含む）。熱伝導部材３６は、シリコーンゴム以外にも、例えばエポキシ樹脂などでもよく、比較的熱伝導率の高い材料であれば、本発明の目的に反しない限り、その材料は任意である。
整流器３８は、受電ユニット３２が受電した高周波電力を直流電力に変換する。この整流器３８には、例えば、車両Ｖに搭載された動力用バッテリＢＡＴＴの充電に用いられる充電ユニットなどの負荷Ｌが接続される。
上述した給電システム１は、給電施設において、駐車した車両Ｖの動力用バッテリＢＡＴＴの充電操作が入力されて車両Ｖへの電力伝送の要求が発生すると、制御部２８が、高周波電源２１をオンして高周波電力を生成する。そして、この高周波電力が給電ユニット２２に供給されると、給電ユニット２２と受電ユニット３２とが磁界共鳴して、給電ユニット２２から高周波電力が伝送されて、当該高周波電力が受電ユニット３２で受電される。受電ユニット３２で受電された高周波電力は、整流器３８で直流電力に変換されて、車両Ｖの充電ユニットに供給され、この充電ユニットにより動力用バッテリＢＡＴＴが充電される。
次に、上述した給電システム１における作用について説明する。
車両Ｖの走行などにより、エンジン及びモータを有するドライブユニットＤＲＶ及び排気管ＥＸが発熱して、受電ユニット３２の受電側ケース３５の蓋部３５ｂに伝わる。この蓋部３５ｂに伝わった熱は、熱伝導部材３６を通じて受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４に伝わるが、さらに熱伝導部材３６を通じて受電側ケース３５の本体部３５ａに伝わり本体部３５ａから空気中に放出される。これにより、受電ユニット３２に伝わった熱が速やかに空気中に放出される。
以上より、本実施形態によれば、受電ユニット３２が、給電装置２０から伝送された電力を非接触で受電するために用いられる受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４と、これら受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４を収容する空間が内側に設けられた受電側ケース３５とを有している。そして、受電側ケース３５内側の空間Ｋ全体に熱伝導部材３６が充填されている。このようにしたことから、受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４が熱伝導部材によって覆われて受電側ケース３５と熱的に接続される。そのため、例えば、車両のドライブユニットＤＲＶや排気管ＥＸなどの発熱体の熱に受電側ケース３５が晒された場合でも、当該熱が受電側ケース３５の発熱体側から熱伝導部材３６を通じて受電側ケース３５の地面Ｇ側に伝わって放出される。そのため、発熱体の熱が受電側コイル３３や受電側コンデンサ体３４に伝わった場合でも速やかにその熱を放出できるので、受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４の温度上昇を抑制することができる。
以上、本発明について、好ましい実施形態を挙げて説明したが、本発明の受電ユニット及び給電システムは上記実施形態の構成に限定されるものではない。以下、参考例と変形例とについて説明する。
例えば、上述した実施形態では、熱伝導部材３６が受電側ケース３５内側の空間Ｋ全体に充填されている構成であったが、これとは異なる参考例について説明する。
例えば、図５（ａ）に示すように、受電側コンデンサ体３４の全体を覆うように、空間Ｋにおける受電側コンデンサ体３４が配置された部分Ｋ１のみに充填された熱伝導部材３６Ａを有する構成の受電ユニット３２Ａとしてもよい。
または、図５（ｂ）に示すように、受電側コイル３３の全体を覆うように、空間Ｋにおける受電側コイル３３が配置された部分Ｋ２のみに充填された熱伝導部材３６Ｂを有する構成の受電ユニット３２Ｂとしてもよい。
または、受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４が上下方向に並べて配置されるとともに、これら全体を覆うように、空間Ｋにおける受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４が配置された部分Ｋ３のみに充填された熱伝導部材３６Ｃを有する構成の受電ユニット３２Ｃとしてもよい。
即ち、参考例では、熱伝導部材が、受電側ケース３５内側の空間Ｋのうちの少なくとも受電側コイル３３又は受電側コンデンサ体３４が配置されている部分に充填されていれば、熱伝導部材の配置は任意である。
また、上述した実施形態では、受電側コンデンサ体３４の回路基板３４ａが、ガラスエポキシ基板で構成されているものであったが、空間Ｋの少なくとも受電側コンデンサ体３４が配置された部分に熱伝導部材３６が充填されている構成においては、これに限定されるものではない。
例えば、図６（ａ）に示すように、ガラスエポキシ材ＧＥの内側に銅又はアルミニウム（これらの合金含む）などの金属からなる平板状の熱伝導材ＴＣ１を包含した回路基板３４ａ１を有する構成の受電側コンデンサ体３４Ａとしてもよい。
または、図６（ｂ）に示すように、ガラスエポキシ材ＧＥに、熱伝導性の比較的高い粉状のセラミックフィラーＴＣ２を混合して形成した回路基板３４ａ２を有する構成の受電側コンデンサ体３４Ｂとしてもよい。
このように、受電側コンデンサ体において、複数のコンデンサを実装する回路基板が、金属やセラミックなどの比較的熱伝導率の高い熱伝導材料を含むようにすることで、例えば、複数のコンデンサを実装する回路基板として一般的に用いられるガラスエポキシ基板を採用した構成に比べて、回路基板の熱伝導性が向上し、コンデンサの温度上昇をさらに抑制することができる。
上述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、当業者は、従来公知の知見に従い、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。かかる変形によってもなお本発明の受電ユニット及び給電システムの構成を具備する限り、勿論、本発明の範疇に含まれるものである。
（評価試験）
本発明者は、以下に示す本発明の実施例１及び比較例１を用いて評価試験を行った。
（実施例１）
図３、図４に示す受電ユニット３２において、縦２５０ｍｍ、横２６５ｍｍ、厚さ１４ｍｍのフェライト製のコア３３ａに、幅８ｍｍ、厚さ１ｍｍのリッツ線からなるコイル線３３ｂを間隔３ｍｍで２０回巻き付けて受電側コイル３３とした。受電側コイル３３には、受電側コイル３３を覆うようにシート状のシリコーンゴムからなる熱伝導部材３６を複数回巻き付けた。ガラスエポキシ材からなる回路基板３４ａに複数のセラミックコンデンサ３４ｂを実装して、これら複数のセラミックコンデンサを直列及び並列に接続することにより全体として静電容量４７ｎＦとなる受電側コンデンサ体３４とした。受電側コイル３３及び受電側コンデンサ体３４を直列に接続するとともに本体部３５ａ及び蓋部３５ｂともに樹脂製の受電側ケース３５に収容して、実施例１を作製した。この実施例１において、受電側コイル３３と受電側ケース３５との間の隙間は熱伝導部材３６で埋められている。蓋部３５ｂの上方には受電側コイル３３から５ｍｍ離れた位置に平面視が蓋部３５ｂより若干大きい銅製のシールド板を配置している。
（比較例１）
実施例１において、受電側コイル３３に熱伝導部材３６を巻き付けていないこと以外は実施例１と同様の構成として、比較例１を作製した。この比較例１において、受電側コイル３３と受電側ケース３５との間には７ｍｍの隙間（空間）が設けられている。
（評価試験）
上述した実施例１及び比較例１に周波数１００ｋＨｚ、電圧１５０Ｖｒｍｓ、電流１６Ａｒｍｓとなる交流電流を通電し、
（１）コア３３ａの中央位置、
（２）コイル線３３ｂの中央位置、
（３）受電側ケース３５における受電側コイル３３の巻線軸方向に相対する壁部の中央位置
における所定時間（１５０分）経過後の温度上昇を測定して、以下の判定基準により評価した。
（個別判定基準）
○・・・測定箇所において温度上昇が６５℃以下である。
×・・・測定箇所において温度上昇が６５℃超である。
（総合判定基準）
○・・・全ての測定箇所において温度上昇が６５℃以下である。
×・・・いずれかの測定箇所において温度上昇が６５℃超である。
評価結果を表１に示す。また、温度上昇の経過を図７、図８に示す。
Figure 0006453545
（考察）
車両Ｖの発熱体により加熱された受電ユニット３２周囲の雰囲気温度の上限は８０℃であり、上記実施例１及び比較例１のコイル線３３ａを構成するエナメル被覆細線の耐熱温度は１５０℃である。そのため、各測定部位の上昇温度について５℃のマージンを見込み、上昇温度６５℃を基準値として判定した。評価結果より、実施例１においては、最も温度上昇の高い上記（１）及び（２）において６５℃を下回り、一方、比較例１においては、上記（１）及び（２）において６５℃を超過してしまうことが確認できた。この評価結果からも、本発明の効果の一例を確認することができた。
１ 給電システム
２０ 給電装置（給電部）
２２ 給電ユニット
３０ 受電装置（受電部）
３２、３２Ａ〜３２Ｃ 受電ユニット
３３ 受電側コイル（コイル）
３３ａ コア
３３ｂ コイル線
３４、３４Ａ、３４Ｂ 受電側コンデンサ体（コンデンサ）
３４ａ 回路基板
３４ｂ セラミックコンデンサ
３５ 受電側ケース（ケース）
３５ａ 本体部
３５ｂ 蓋部
３６、３６Ａ〜３６Ｃ 熱伝導部材
Ｇ 地面
Ｋ 空間
Ｖ 車両
ＤＲＶ ドライブユニット
ＢＡＴＴ 動力用バッテリ
ＥＸ 排気管

Claims (3)

  1. 車両の下面に設けられ、地面に設けられた給電部から伝送された電力を非接触で受電する受電ユニットであって、
    前記電力の受電に用いられるコイル及びコンデンサと、前記コイル及び前記コンデンサを収容する１つの空間が内側に設けられたケースとを有し、
    前記コイルは、平板状のコアと、当該コアに巻き付けられたコイル線と、を備え、
    前記コンデンサは、前記コアの面内方向に沿って当該コアと並べられて配置された回路基板の表面に実装されたものあり、
    前記ケースは、本体部及び蓋部を有し、前記本体部と前記蓋部とを組み合わせることで前記空間を形成するものであって、
    前記ケース内側において、前記コイル及び前記コンデンサを覆いつつ前記蓋部に接するように、前記空間全体に熱伝導部材が充填されていることを特徴とする受電ユニット。
  2. 前記回路基板が、熱伝導材料を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の受電ユニット。
  3. 地面に設けられた給電部と車両に設けられた受電部とを有し、前記受電部が前記給電部から伝送された電力を非接触で受電する給電システムであって、
    前記受電部が、請求項１又は２に記載の受電ユニットを有していることを特徴とする給電システム。
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