JP7331394B2

JP7331394B2 - 走行中給電システム

Info

Publication number: JP7331394B2
Application number: JP2019048201A
Authority: JP
Inventors: 英介高橋; 勇人角谷; 拓也木口; 宜久山口
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2019-03-15
Publication date: 2023-08-23
Anticipated expiration: 2039-03-15
Also published as: JP2020150754A; WO2020189077A1; US20220001753A1; US11850952B2

Description

本開示は、走行中の車両などの移動体に電力を供給する走行中給電システムに関する。

特許文献１には、走行中の車両に電力を供給する非接触給電装置が開示されている。この非接触給電装置は、送電用のコイルの回りに一次側シールド部材と二次側シールド部材を備えることで、外部に漏洩する電磁界を低減している。

特開２０１４－１０３７３５号公報

シールド部材を設けることで、漏洩する電磁界が低減した。しかし、逆に、シールド部材に渦電流が生じ、損失が大きくなるという課題が生じた。そこで、外部に漏洩する電磁界の低減と、渦電流による損失の低減と、を両立できる技術が求められている。この課題は、バイクなど他の移動体に走行中給電する場合にも生じる。

本開示の一形態によれば、走行中給電システム（１００、１１０、１２０）が提供される。この走行中給電システムは、送電用のコイル（４０）と、前記コイルに電力を供給する送電回路（３０）と、前記コイルの電磁界をシールドするシールド部材（５０、５４）と、前記シールド部材に設けられた穴（５２、５６）と、を備え、前記穴の円相当径は、前記コイルと前記穴が設けられた前記シールド部材との間隔の０．７５倍以上かつ１．３５倍以下である。この形態によれば、シールド部材により電磁界の漏洩を低減し、シールド部材に穴を設け、穴の大きさよりも小さな渦の渦電流の発生を抑制することで、渦電流による損失を低減できる。また、小さな渦の渦電流は、遠方への漏洩電磁界の低減における寄与度が小さい。そのため、小さな渦の渦電流の発生を抑制しても、漏洩電磁界を低減する効果への悪影響が小さい。

走行中給電システムのブロック図である。走行中非接触給電システムのコイルとシールド部材の構成を示す説明図である。走行中受電システムの受電コイルとシールド部材の構成を示す説明図である。走行中給電システムの送電コイルとシールド部材の構成を示す説明図である。（シールド部材の穴の円相当径）／（送電コイルとシールド部材との間隔）と、漏洩電流、損失との関係を示すグラフである。第２実施形態における走行中給電システムのコイルとシールド部材の構成を示す説明図である。第３実施形態における走行中給電システム（敷設ユニット）を示す説明図である。第３実施形態における走行中給電システム（敷設ユニット）を示す説明図である。第３実施形態における走行中給電システム（敷設ユニット）を示す説明図である。

・第１実施形態：
図１に示すように、走行中非接触給電システムは、道路１０５側の走行中給電システム１００と、車両２０２側の走行中受電システム２００とを備える。走行中非接触給電システムは、車両２０２の走行中に走行中給電システム１００から車両２０２に給電することが可能なシステムである。車両２０２は、例えば、電気自動車やハイブリッド車として構成される。図１において、ｘ軸方向は車両２０２の進行方向を示し、ｙ軸方向は車両２０２の幅方向を示し、ｚ軸方向は鉛直上方向を示す。後述する他の図におけるｘ、ｙ、ｚ軸の方向も、図１と同じ方向を示している。

道路１０５側の走行中給電システム１００は、複数の送電用のコイル４０（以下「送電コイル４０」とも呼ぶ。）と、複数の送電コイル４０のそれぞれに交流電圧を供給する複数の送電回路３０と、複数の送電回路３０に直流電圧を供給する電源回路１０と、受電コイル位置検出部２０とを備えている。

複数の送電コイル４０は、道路１０５の進行方向に沿って設置されている。送電回路３０は、電源回路１０から供給される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して送電コイル４０に印加する回路であり、インバータ回路、フィルタ回路、共振回路を含んでいる。本実施形態では、インバータ回路、フィルタ回路、共振回路については、説明を省略する。電源回路１０は、直流電圧を送電回路３０に供給する回路である。例えば、電源回路１０は、商用電源から供給される交流電圧を整流して直流電圧を出力するＡＣ／ＤＣコンバータ回路として構成される。電源回路１０が出力する直流電圧は、完全な直流電圧でなくてもよく、ある程度の変動（リップル）を含んでいても良い。

受電コイル位置検出部２０は、車両２０２に搭載されている受電用のコイル２４０（以下「受電コイル２４０」とも呼ぶ。）の位置を検出する。受電コイル位置検出部２０は、例えば、複数の送電回路３０における送電電力や送電電流の大きさから受電コイル２４０の位置を検出しても良く、あるいは、車両２０２との無線通信や車両２０２の位置を検出する位置センサを利用して受電コイル２４０の位置を検出しても良い。複数の送電回路３０は、受電コイル位置検出部２０で検出された受電コイル２４０の位置に応じて、受電コイル２４０に近い１つ以上の送電コイル４０を用いて送電を実行する。

車両２０２は、メインバッテリ２１０と、補機バッテリ２１５と、制御装置２２０と、受電回路２３０と、受電コイル２４０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２６０と、インバータ回路２７０と、モータジェネレータ２８０と、補機２９０と、を備えている。受電コイル２４０は、受電回路２３０に接続されており、受電回路２３０の出力には、メインバッテリ２１０と、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２６０の高圧側と、インバータ回路２７０と、が接続されている。ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２６０の低圧側には、補機バッテリ２１５と、補機２９０とが接続されている。インバータ回路２７０には、モータジェネレータ２８０が接続されている。

受電コイル２４０は、送電コイル４０との間の電磁誘導によって誘導起電力を生じる装置である。受電回路２３０は、受電コイル２４０から出力される交流電圧を直流電圧に変換する整流回路を含む。なお、受電回路２３０は、整流回路にて生成した直流の電圧を、メインバッテリ２１０の充電に適した電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ回路を含んでいても良い。受電回路２３０から出力される直流電圧は、メインバッテリ２１０の充電や、インバータ回路２７０を介したモータジェネレータ２８０の駆動に利用することができ、また、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２６０を用いて降圧することで、補機バッテリ２１５の充電や、補機２９０の駆動にも利用可能である。

メインバッテリ２１０は、モータジェネレータ２８０を駆動するための比較的高い直流電圧を出力する２次電池である。モータジェネレータ２８０は、３相交流モータとして動作し、車両２０２の走行のための駆動力を発生する。モータジェネレータ２８０は、車両２０２の減速時にはジェネレータとして動作し、３相交流電圧を発生する。インバータ回路２７０は、モータジェネレータ２８０がモータとして動作するとき、メインバッテリ２１０の直流電圧を３相交流電圧に変換してモータジェネレータ２８０に供給する。インバータ回路２７０は、モータジェネレータ２８０がジェネレータとして動作するとき、モータジェネレータ２８０が出力する３相交流電圧を直流電圧に変換してメインバッテリ２１０に供給する。

ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２６０は、メインバッテリ２１０の直流電圧を、より低い直流電圧に変換して補機バッテリ２１５及び補機２９０に供給する。補機バッテリ２１５は、補機２９０を駆動するための比較的低い直流電圧を出力する２次電池である。補機２９０は、車両２０２の空調装置や電動パワーステアリング装置、ヘッドライト、ウインカ、ワイパー等の周辺装置や車両２０２の様々なアクセサリーを含む。である。

制御装置２９０は、車両２０２内の各部を制御する。制御装置２２０は、走行中非接触給電を受ける際には、受電回路２３０を制御して受電を実行する。

図２、図３に示すように、車両２０２側の走行中受電システム２００は、受電コイル２４０近傍の構成として、２巻線２４２と、コア２４５と、シールド部材２５０と、を備える。受電コイル２４０は、巻線２４２と、コア２４５とを有する。

コア２４５は、例えば軟磁性体で略直方体に形成されており、車両２０２の幅方向の略中央に配置されている。軟磁性体としては、例えば、フェライト、圧粉磁心、ダストコア、鉄系の軟磁性体が用いられる。鉄系の軟磁性体としては、例えば、電磁鋼板（ケイ素鋼板）やパーマロイ、アモルファス金属材料、ナノ結晶軟磁性体材料が挙げられる。

巻線２４２は、道路１０５側から受電コイル２４０を見た時に、巻線２４２の輪の中にコア２４５が見えるように、コア２４５の下方、すなわち道路１０５側に配置されている。図３に示す例では、車両２０２は、巻線２４２を２つ備え、２つの巻線２４２は、一部が重なっているが、２つの巻線２４２が重ならないように配置されていてもよい。また、巻線２４２を１つのみ備える構成であってもよい。また、複数のコア２４５と複数の巻線２４２を備える構成であってもよい。

シールド部材２５０は、コア２４５の道路１０５と反対側において、コア２４５を囲うように配置されている。道路１０５から見た時に、受電コイル２４０は、シールド部材２５０よりも内側に位置していることが好ましい。シールド効果をより高めることができる。シールド部材２５０は、使用周波数帯域における比透磁率が１よりも小さい材料で形成されている。具体的には、シールド部材２５０は、アルミニウム、銅などの導電性を有する非磁性体や、鉄などの導電性を有する強磁性体で形成されている。

図２、図４に示すように、道路１０５側の走行中給電システム１００は、送電コイル４０近傍の構成として、巻線４２と、コア４５と、シールド部材５０と、を備える。送電コイル４０は、巻線４２と、コア４５とを備える。コア４５は、例えば軟磁性体で略直方体に形成されている。道路１０５の車線のほぼ中央には、複数のコア４５が車両２０２の進行方向（ｘ方向）に沿って並ぶように、道路１０５に埋められて、配置されている。図４に示す例では、ｎ個のコア４５が隙間無く１つの列として配置されている。

コア４５の道路１０５の表面側に巻線４２が配置されている。巻線４２は、道路１０５の表面側から送電コイル４０を見た時に、巻線２４２の輪の中にコア４５が見えるように、コア４５の上方、すなわち道路１０５側に配置されている。巻線４２の道路１０５の幅方向（ｙ方向）の大きさは、コア４５の道路１０５の幅方向（ｙ方向）の大きさとほぼ等しいか、やや大きい。図４に示す例では、巻線２４２は、隣接する２つのコア４５を跨ぐように配置されているが、隣接する２つのコア４５を跨がないように構成してもよい。

コア４５の道路１０５の表面と反対側には、ｎ個のコア４５を囲うようにシールド部材５０が配置されている。本実施形態では、ｎ個のコア４５が隙間無く１つの列として配置されているが、隣接する２つのコア４５の間に隙間を設けても良い。この場合、シールド部材５０は、ｎ個のコア４５を囲う構成、各コア４５を囲う構成のいずれであっても良い。

シールド部材５０は、コア４５の道路１０５の表面と反対側において、ｎ個のコア４５を囲うように配置されている。なお、道路１０５の表面側から見た時に、送電コイル４０は、シールド部材５０よりも内側に位置していることが好ましい。シールド効果をより高めることができる。シールド部材５０は、シールド部材２５０と同様に、使用周波数帯域における比透磁率が１よりも小さい材料で形成されている。シールド部材５０は、円形の複数の穴５２を有する。ここで、送電コイル４０とシールド部材５０との間隔をＨ、穴５２の直径をＤとする。

図５に示すように、シールド損失は、Ｄ／Ｈが０から大きくなると、減少していき、Ｄ／Ｈがほぼ１になるあたりで極小となり、Ｄ／Ｈが１を越えると、大きくなっていく。図５に示すグラフから。Ｄ／Ｈは、約１．７未満、すなわち、穴５２の直径Ｄは、送電コイル４０と穴５２が設けられたシールド部材５０との間隔Ｈの１．７倍未満であれば、穴５２を開けないよりもシールド損失が小さい。より好ましくは、Ｄ／Ｈは、１．５以下であり、１．３５以下である。また、Ｄ／Ｈの下限については、０．４以上が好ましく、０．６以上がより好ましい。こうすれば、穴５２よりも小さな渦の渦電流を低減できる。一般に、渦電流が生じれば、ジュール熱が生じ、損失となる。本実施形態では、穴５２よりも小さな渦の渦電流を低減することで、渦電流による損失を低減できる。

図５に示すように、横軸をＤ／Ｈ（穴５２の直径／送電コイル４０とシールド部材５０との間隔）とすると、漏洩電流は、Ｄ／Ｈが０から大きくなると、少しずつ多くなっていく。ただし、上述した渦電流による損失を低減できる範囲では、漏洩電流はさほど大きくなっていない。したがって、渦電流による損失を低減できる範囲であれば、漏洩電流の低減と、渦電流による損失の低減を両立できる。なお、穴５２の円相当径は、送電コイル４０の円相当径の半分以下であることが好ましい。円相当径とは、図形の面積に相当する、真円の直径を意味する。穴５２の円相当径が小さい方が漏電電流を少なくできるからである。

以上、第１実施形態によれば、送電コイル４０の電磁界をシールドするシールド部材５０を備え、シールド部材５０は、穴５２を有するので、シールド部材５０により漏洩電流を低減しつつ、穴５２により、穴５２よりも小さな渦の渦電流を低減することで渦電流による損失を低減できる。また、小さな渦の渦電流は、遠方への漏洩電磁界の低減における寄与度が小さい。そのため、小さな渦の渦電流の発生を抑制しても、漏洩電磁界を低減する効果への影響を低減できる。

Ｄ／Ｈの上限側については、約１．７未満であればよく、１．５以下がより好ましく、１．３５以下であればさらに好ましい。一方、Ｄ／Ｈの下限側については、０．４以上が好ましく、０．６以上であれば、より好ましく、０．７５以上であれば、さらに好ましい。

・第２実施形態：
図６に示すように、第２実施形態の道路１０５側の走行中給電システム１１０は、第１実施形態の走行中給電システム１１０と比較すると、シールド部材５０の内側に副シールド部材５５を備える点が異なっている。副シールド部材５５は、アルミニウムや銅などの非磁性金属で形成されている。この場合、送電コイル４０とシールド部材５０との間の水平方向（ｙ方向）の間隔をＬ１、送電コイル４０と副シールド部材５５との間の水平方向（ｙ方向）の間隔をＬ２とすると、Ｌ１＞Ｌ２である。この場合、穴５２は、送電コイル４０との水平方向の間隔が大きいシールド部材５０に形成されている。こうすれば、車両２０２の受電コイル２４０と、走行中給電システム１１０の送電コイル４０との間で相対的なズレが生じても、漏洩電流を低減しつつ、渦電流による損失を低減できる。

上記、第１、第２実施形態では、走行中給電システム１００、１１０のシールド部材５０に穴５２を設けたが、車両２０２側の走行中受電システム２００のシールド部材２５０に穴を設けても良い。また、第２実施形態において、さらに、副シールド部材５５に穴を設けても良い。

上記、第１、第２実施形態では、穴５２を略円形としたが、矩形形状であってもよく、他の多角形形状であってもよい。この場合、Ｄの値として、穴５２の形状を円とみなしたときに、矩形形状や他の多角形形状面積Ｓが同じとなる円の直径Ｄを用いても良い。この場合、Ｓ＝π×Ｄ^２／４となる。

・第３実施形態：
図７から図９に示すように、第３実施形態の走行中給電システム１２０は、送電コイル４０と、ワイヤーメッシュ筋５４とを、コンクリート１２５を用いて一体に形成した敷設ユニットとして形成されている。送電コイル４０は、巻線４２と、コア４５を備えている。ワイヤーメッシュ筋５４は、金属製の棒を格子状に配置し、交点を溶接して形成されたものである。ワイヤーメッシュ筋５４は、コンクリートを補強する機能と、シールド部材としての機能を有する。また、ワイヤーメッシュ筋５４は、４つの金属棒で囲われる開口５６を有する。この開口５６は、シールド部材の穴として機能し、渦電流を低減する。この開口５６を「穴５６」とも呼ぶ。

図８に示すように、金属製の棒の間隔をＤ１、Ｄ２、送電コイル４０と、ワイヤーメッシュ筋５４との間隔をＨとする。円相当径Ｄと、Ｄ１、Ｄ２との間には、Ｄ１×Ｄ２＝π×Ｄ^２／４の関係がある。したがって、Ｄの値として、Ｄ＝（４×Ｄ１×Ｄ２／π）^１／２で算出される値を用いることができる。第１実施形態で説明したように、Ｄ／Ｈの上限側については、約１．７未満であればよく、１．５以下がより好ましく、１．３５以下であればさらに好ましい。一方、Ｄ／Ｈの下限側については、０．４以上が好ましく、０．６以上であれば、より好ましく、０．７５以上であれば、さらに好ましい。

予め走行中給電システム１２０を敷設ユニットとして工場で形成しておけば、コンクリート１２５を道路に現場打ちする必要がないので、現場でコンクリート１２５を養生する時間を省略できる。その結果、走行中給電システム１２０を敷設した後、直ぐに車両等の走行が可能となる。また、工場でコンクリート１２５を固化させるので、天候等により、コンクリート１２５の品質が左右されにくい。

上記第３実施形態では、金属製の棒を格子状に配置しているが、三角形や、長方形、六角形や、他の形状の開口を形成しても良い。

上記各実施形態では、走行中非接触給電システムは、車両２０２の走行中に走行中給電システム１００から車両２０２に給電することが可能なシステムとして説明した。車両２０２が減速等により走行エネルギーを電気エネルギーとして回生可能な場合において、車両２０２のメインバッテリ２１０が満充電である場合には、車両２０２の走行中受電システム２００から道路１０５側の走行中給電システム１００の電力を送ることができるように構成しても良い。

上記各実施形態では、Ｄの値として、穴５２の円相当径を用いたが、例えば、２辺がＤ１、Ｄ２の矩形形状の場合には、Ｄの値として、（Ｄ１×Ｄ２）^１／２を用いても良い。

本開示は、上述の実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の構成で実現することができる。例えば、発明の概要の欄に記載した各形態中の技術的特徴に対応する実施形態の技術的特徴は、上述の課題の一部又は全部を解決するために、あるいは、上述の効果の一部又は全部を達成するために、適宜、差し替えや、組み合わせを行うことが可能である。また、その技術的特徴が本明細書中に必須なものとして説明されていなければ、適宜、削除することが可能である。

３０送電回路４０送電コイル５０シールド部材５２穴１００走行中給電システム

Claims

走行中給電システム（１００、１１０、１２０）であって、
送電用のコイル（４０）と、
前記コイルに電力を供給する送電回路（３０）と、
前記コイルの電磁界をシールドするシールド部材（５０、５４）と、
前記シールド部材に設けられた穴（５２、５６）と、
を備え、
前記穴の円相当径は、前記コイルと前記穴が設けられた前記シールド部材との間隔の０．７５倍以上かつ１．３５倍以下である、走行中給電システム。
請求項１に記載の走行中給電システムであって、
前記シールド部材を２つ（５０、５５）備え、
前記穴は、前記コイルとの間隔が大きい方の前記シールド部材に設けられている、走行中給電システム。
請求項１または請求項２に記載の走行中給電システムであって、
前記穴の円相当径は前記コイルの円相当径の半分以下である、走行中給電システム。
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の走行中給電システムであって、
前記シールド部材は、前記コイルによる磁束の形成方向とは交差する方向に沿って前記コイルの外側に位置する、走行中給電システム。