JPWO2014129182A1 - 異物検出装置、異物検出方法、および非接触充電システム - Google Patents

Abstract

異物検出装置（１００）は、検出用コイル（１０３）と、不平衡信号を生成する送信回路（１０１）と、送信回路（１０１）からの不平衡信号を平衡信号へ変換する平衡不平衡変換回路（１０４）と、検出用コイル（１０３）から反射された電力成分である反射電力の周波数特性の変化により異物を検出する検出回路（１０８）とを備える。検出用コイル（１０３）と検出回路（１０８）との間の配線が長い場合でも配線が線状アンテナとして動作せずに、異物を検出できる。

Description

本発明は、異物検出装置、異物検出方法、および非接触充電システムに関するものである。

近年、例えば電気自動車などへの非接触充電のために、無線電力伝送システム（非接触充電システム）が開発されている。無線電力伝送システムにおいては、充電装置側に送電コイルと高周波発振源とが、電気自動車側に受電コイルがそれぞれ設けられる。また、無線電力伝送システムにおいては、電磁誘導方式を用いることにより、非接触で高効率の電力伝送が実現できる。

電磁誘導方式による無線電力伝送システムでは、大電力を伝送するため、送電コイルと受電コイルとの間および／またはその周囲に金属の異物が混入するとシステムが発熱する危険がある。そのため、充電前および充電中の金属の異物の検出が安全上、重要な課題となる。

従来、無線電力伝送システムにおける異物の検出方法として、金属と検出用コイルとの間の電磁誘導によって生じる検出用コイルのインダクタンスの変化を検出する方法がある（例えば特許文献１を参照）。

送電コイル上および／またはその周囲にある金属の異物を検出するために、送電コイルの近傍に複数の検出用コイルを配置した場合、送電コイルから発生する交流磁界により検出用コイルに大きな電圧が誘起される。その結果、検出回路の破壊または誤動作を引き起こす。

また、充電装置の高周波発振源は、大電力を出力するために一般にインバータ回路によって構成されており、インバータ回路の矩形波によるスイッチングのため、発振周波数のみではなく、スイッチングノイズなど発振周波数より十分高い周波数成分の電圧が検出用コイルに誘起される。特許文献１では、金属検出に利用する周波数を送電コイルから発生する磁界の周波数より高く設定することにより、検出への影響を低減することが記載されている。

特開２０１２−１６１２５号公報

しかしながら、上記特許文献１の方法では、検出用コイルに誘起される電圧の周波数成分が非常に高い周波数領域まで及ぶ場合、金属検出に利用する周波数を送電コイルから発生する磁界の周波数より高くすると、金属検出に利用する周波数の波長が非常に短くなる。そのため、検出用コイルと検出回路との間の配線長が電磁気的に長くなり、配線がダイポールアンテナなどのような線状アンテナとして動作する。

これにより、検出用コイルの放射抵抗が増加してＱ値が低下することにより異物検出性能が低下する、検出用コイルがインダクタンスとして十分に機能しないために異物の検出ができない、といった問題が生じる。

また、電気自動車への充電用途に利用される送電コイルは寸法（例えば、円形コイルの場合は直径）が非常に大きいため、多くの検出用コイルを配置する必要がある。このとき、検出用コイルと検出回路との間の配線は、物理的に長くなる。この場合も、配線がダイポールアンテナなどのような線状アンテナとして動作し、上記と同様の問題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑み、検出用コイルと検出回路との間の配線が長い場合でも配線が線状アンテナとして動作することを抑制し、異物の検出ができる異物検出装置、異物検出方法、および非接触充電システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の異物検出装置は、検出用コイルと、不平衡信号を生成する送信回路と、前記送信回路からの不平衡信号を平衡信号へ変換する平衡不平衡変換回路と、前記検出用コイルから反射された電力成分である反射電力の周波数特性の変化により異物を検出する検出回路とを備える。

また、本発明の異物検出方法は、不平衡信号を平衡信号に変換して検出用コイルへ給電し、前記検出用コイルから反射された電力成分である反射電力の周波数特性の変化により異物を検出する。

本発明によれば、検出用コイルと検出回路との間の配線が長い場合でも配線が線状アンテナとして動作せず、異物の検出ができる。

本発明における異物検出装置の基本構成を示すブロック図である。 本発明の実施の形態１における異物検出装置の詳細構成を示す図である。 車両への無線電力伝送システムの応用例を示した正面図である。 図３中の送電コイルケースの拡大平面図である。 図３中の送電コイルケースの拡大断面図である。 本発明における異物による反射電力の周波数特性の変化を示す図である。 本発明の実施の形態２における異物検出装置の詳細構成を示す図である。 本発明の実施の形態３における異物検出装置の詳細構成を示す図である。 図８の変形例における異物検出装置の詳細構成を示す図である。 図９の異物検出装置の等価回路モデルを示す図である。 図１０中のコイルＬ１とコイルＬ２との間の相互結合が無い場合のコイルＬ１の反射電力の周波数特性図であって、（ａ）は異物および雨水が無い場合を、（ｂ）は異物（金属）がある場合を、（ｃ）は雨水がある場合をそれぞれ示している。 図１０中のコイルＬ１とコイルＬ２との間の相互結合を考慮に入れつつ短絡回路を使用しない場合のコイルＬ１の反射電力の周波数特性図であって、（ａ）は異物および雨水が無い場合を、（ｂ）は異物（金属）がある場合を、（ｃ）は雨水がある場合をそれぞれ示している。 図１０中のコイルＬ１とコイルＬ２との間の相互結合を考慮に入れつつ短絡回路を使用した場合のコイルＬ１の反射電力の周波数特性図であって、（ａ）は異物および雨水が無い場合を、（ｂ）は異物（金属）がある場合を、（ｃ）は雨水がある場合をそれぞれ示している。 図９中の短絡回路の詳細構成例を示す回路図である。

以下、本発明の異物検出装置、異物検出方法、および非接触充電システムを実施するための形態について、図面に沿って説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではなく、同様の分野における類似の用語または類似の描写を用いて表現することが可能であることは、当業者において容易に理解されるであろう。

図１は、本発明の異物検出装置１００の基本構成を示す図である。送信回路１０１は、電圧源Ｖｇにより不平衡信号を生成し、平衡不平衡変換回路１０４へ不平衡信号を出力する。平衡不平衡変換回路１０４は、送信回路１０１から入力される不平衡信号を平衡信号へ変換して検出用コイル１０３へ出力する。検出回路１０８は、検出用コイル１０３から反射された電力成分である反射電力の周波数特性の変化により異物を検出する。具体的には、反射電力の整合周波数の変化量によって異物を検出する。

この構成により、検出用コイル１０３と検出回路１０８との間の配線が長い場合でも配線が線状アンテナとして動作することを抑制し、金属の異物２０１などの検出ができる。その結果、異物検出の精度の劣化を防ぐことができる。

（実施の形態１）
図２は、実施の形態１における異物検出装置１００の詳細構成を示す図である。送信回路１０１は、所定の周波数の高周波電力を生成し、高周波の不平衡信号を伝送する同軸ケーブル１０２などを介して、後述する検出用コイル１０３へ高周波電力を出力する。同軸ケーブル１０２は、中心導体の周りを外部導体でシールドされた伝送線路である。検出用コイル１０３は、金属の異物２０１を検出するために、高周波の磁界を発生するコイルであり、ｎ（ｎは２以上の整数）個の配列されたコイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎからなる。

平衡不平衡変換回路１０４は、後述する整合回路１０５と同軸ケーブル１０２とに接続され、同軸ケーブル１０２から入力される不平衡信号を平衡信号へ変換して整合回路１０５へ出力する。

整合回路１０５は、検出用コイル１０３と平衡不平衡変換回路１０４との間でインピーダンス整合を行う。整合回路１０５は、所定の整合周波数ｆ０にて、平衡不平衡変換回路１０４の平衡側インピーダンスと一致するように、検出用コイル１０３のインピーダンス変換を行う。

平衡不平衡変換回路１０４および整合回路１０５は、検出用コイル１０３により近い箇所で接続されるほどよい。本発明の装置では、後述するが、検出対象物による検出用コイル１０３のインダクタンスの変化に伴う周波数特性を利用して異物を検出する。しかしながら、検出用コイル１０３と平衡不平衡変換回路１０４および整合回路１０５との間を接続する配線が長くなると、配線がインダクタンス成分を有し、検出対象物による検出用コイル１０３のインダクタンスの変化量が小さくなる。そこで、平衡不平衡変換回路１０４および整合回路１０５が、検出用コイル１０３により近い箇所に接続されることで、異物検出性能が低下するのを抑制することができる。

寄生容量１０６は、検出用コイル１０３に生じる寄生容量であり、等価回路においては、検出用コイル１０３の各々に並列に容量成分が生じる。検出用コイル１０３の近傍に誘電体が存在する場合、寄生容量１０６の容量値は増加する。誘電体として、例えば、後述する送電コイルケース、当該送電コイルケースの上に付着する雨水などが挙げられる。

方向性結合器１０７は、送信回路１０１からの高周波電力である不平衡信号を平衡不平衡変換回路１０４へ出力し、検出コイル１０３から反射された電力成分を抽出して、後述する検出回路１０８へ出力する。

検出回路１０８は、方向性結合器１０７によって抽出された反射電力を受信し、反射電力が最小となる整合周波数の変化量によって異物を検出する。

スイッチ回路１０９は、検出用コイル１０３として配列された複数のコイルＬ１，Ｌ２，…，Ｌｎのうち給電させるコイルを選択して切り替える。

以上の異物検出装置１００と、送電コイル３０２と、高周波発振源３０５とを組み合わせることで、非接触充電システムが構成される。高周波発振源３０５は、非接触充電のために送電コイル３０２へ所定の周波数の高周波電力を供給する。

図３は、車両３０１への無線電力伝送システムの応用例を示した正面図である。図３は、送電コイル３０２が地上側に、受電コイル３０３が車両３０１側に搭載される例を示す。送電コイルケース３０４は樹脂などの誘電体で形成され、送電コイル３０２を収納する。検出用コイル１０３は送電コイル３０２の上方に配置され、かつ送電コイルケース３０４の中に収納される。

図４は、送電コイルケース３０４の拡大平面図である。送電コイル３０２の上および／またはその周囲にある異物を検出するために、送電コイル３０２およびその周囲を隙間なく覆うように検出用コイル１０３が配列されている。これらの検出用コイル１０３はスイッチ回路１０９によって切り替えられ、送電コイル３０２および／またはその周囲に存在する金属の異物２０１を検出する。

図２において、検出用コイル１０３は、金属の異物２０１だけでなく送電コイル３０２との間でも磁界結合が生じ、検出用コイル１０３によって送電コイル３０２に電流が誘起する。検出用コイル１０３と送電コイル３０２との磁界結合が生じることで金属の異物２０１による受信電力の変化が小さくなり、異物検出性能が劣化する。

図５は、送電コイルケース３０４の拡大断面図である。検出用コイル１０３と送電コイル３０２との磁界結合の影響を小さくするため、金属の異物２０１と検出用コイル１０３との間の距離、例えば送電コイルケース３０４の（外部）表面と検出用コイル１０３（の上面）との間の距離をａとし、送電コイル３０２と検出用コイル１０３との間の距離、例えば送電コイル３０２の上面と検出用コイル１０３の下面との間の距離をｂとするとき、距離ａは距離ｂに比べて短くなるように検出用コイル１０３を配置したほうがよい。これにより、検出用コイル１０３と送電コイル３０２との磁界結合の影響が小さくなり、異物検出性能の劣化を抑制することができる。

以上のように構成された異物検出装置１００における異物検出方法を概説すれば、不平衡信号が平衡信号に変換されて検出用コイル１０３へ給電され、検出コイル１０３からの反射電力の周波数特性の変化により異物が検出されるのである。

図６は、異物による反射電力の周波数特性の変化を示す図である。電気自動車は屋外に駐車されて充電される場合があるため、天候に左右されることなく異物の異物を検出できることが求められる。具体的には、降雨時に雨水の影響を受けることなく、水と金属とを区別して検出できることが求められる。

検出用コイル１０３の近くに金属の異物２０１がある場合、検出用コイル１０３と金属の異物２０１との間に電磁誘導が生じ、検出用コイル１０３のインダクタンスが低下する。これにより整合周波数が、金属の異物２０１が無い場合に比べて高くなる。

一方、検出用コイル１０３の近くに雨水がある場合、雨水は誘電率が高いため検出用コイル１０３と雨水との間に容量結合が生じ、検出用コイル１０３の有する寄生容量１０６が大きくなる。これにより整合周波数が、雨水が無い場合に比べて低くなる。

検出回路１０８は、この整合周波数の変化によって金属の異物２０１と雨水とを区別して検出する。金属の異物２０１および雨水が無い場合の整合周波数ｆ０を基準として、反射電力の整合周波数が基準整合周波数ｆ０より高い場合は、検出用コイル１０３の近くに金属の異物２０１があると判断する。また、反射電力の整合周波数が基準整合周波数ｆ０より低い場合は、検出用コイル１０３の近くに雨水があると判断する。

なお、基準整合周波数ｆ０は、本発明の異物検出装置１００が設置される際に初期設定されてもよい。そのときの金属などの異物あるいは雨水が無い状態は、目視で判断されてもよいし、他の検出装置などで予め確認してもよい。あるいは、基準整合周波数ｆ０は、本発明の異物検出装置１００が出荷される際に設定されてもよい。

次に、配線長の影響低減について説明する。充電時は送電コイル３０２から発生する交流磁界により、検出用コイル１０３に大きな電圧が誘起される。この大きな誘起電圧により、検出用コイル１０３に接続される各回路が破壊される可能性がある。これを防ぐために、送信回路１０１から異物検出のために出力される高周波電力の周波数を高くした場合、高周波電力の波長が短くなり、その結果検出用コイル１０３へ電力を供給する配線の長さが電磁気的に長くなる。

このとき、配線がダイポールアンテナなどのような線状アンテナとして動作する。これにより、検出用コイル１０３の放射抵抗が増加し、検出用コイル１０３のＱ値が低下することにより異物検出性能が低下する。つまり、検出用コイル１０３がインダクタンスとして機能しないため、異物の検出ができないという問題が発生する。

特に、電気自動車への充電用途に利用される送電コイル３０２は寸法（例えば、円形コイルの場合は直径）が非常に大きいため、多くの検出用コイル１０３を配置する必要がある。この場合、配線の長さは物理的に長くなる。

そこで、図２に示す本発明の異物検出装置１００の構成では、検出用コイル１０３と各回路との間を漏洩電磁界の抑制効果が高い同軸ケーブル１０２にて接続し、検出用コイル１０３の反射電力の周波数特性により異物を検出する方法をとる。さらに、同軸ケーブル１０２の外皮に誘起される漏洩電流を低減するために、平衡不平衡変換回路１０４を介して検出用コイル１０３に平衡給電を行う。これにより、検出用コイル１０３への給電時に給電される電力は同軸ケーブル１０２のシールド内を伝達し、同軸ケーブル１０２が電磁気的に長い場合においても線状アンテナとして動作することを防ぐことができる。

（実施の形態２）
以下に、図７に示される異物検出装置２００における回路破壊防止について説明する。

図２のように、実施の形態１で説明した異物検出装置１００と、送電コイル３０２と、高周波発振源３０５とを組み合わせることで、非接触充電システムが構成される。高周波発振源３０５は、非接触充電のために送電コイル３０２へ所定の周波数の高周波電力を供給する。

高周波発振源３０５は大電力を伝送するため、検出用コイル１０３と送電コイル３０２との間で磁界結合が生じると、送信回路１０１、検出回路１０８、およびスイッチ回路１０９に大電力が入力され、各回路が破壊される危険が生じる。このため、送信回路１０１から出力される高周波電力の周波数は、高周波発振源３０５から出力される高周波電力の周波数より高い値に設定される。

さらに、図７の異物検出装置２００に示されるように、送信回路１０１から出力される高周波電力の周波数は通過させ、高周波発振源３０５から出力される高周波電力の周波数は阻止する特性を有するフィルタ回路である回路保護フィルタ１１０を、例えば整合回路１０５と寄生容量１０６との間に配置して、検出用コイル１０３に接続する。これにより、送信回路１０１、検出回路１０８、およびスイッチ回路１０９などを保護することができる。なお、図７では、ハイパスフィルタとして動作するコンデンサを検出用コイル１０３の両端に接続した例を示す。

また、図４に示されるように、検出用コイル１０３のそれぞれのコイルの寸法（例えば、円形コイルの場合は直径）は、送電コイル３０２の寸法（例えば、円形コイルの場合は直径）に比べて小さくなるように設定される。これにより、検出用コイル１０３と送電コイル３０２との間の磁界結合を小さくし、送信回路１０１、検出回路１０８、およびスイッチ回路１０９に入力される電力を低減することができる。

（実施の形態３）
以下に、図８に示される異物検出装置３００における検出用コイル１０３を構成するコイル間の相互結合低減について説明する。

図４に示されるように、複数の検出用コイル１０３は互いに近接して配置されるため、それぞれ相互結合が生じる。図２において、検出用コイル１０３のうちコイルＬ１が選択されている場合、コイルＬ１以外の選択されていないコイルはコイルＬ１と結合し、電流が誘起される。これにより金属の異物２０１による受信電力の変化が小さくなり、異物検出性能が劣化する。

そこで本実施の形態では、図８に示されるように、選択されていない検出用コイル１０３の２つの端子を、短絡回路１１１にて短絡する。なお、ここでは、短絡回路１１１が整合回路１０５と寄生容量１０６との間に設けられた場合を示す。

これにより、選択されていない検出用コイル１０３のインピーダンスが大きく変化し、検出用コイル１０３と平衡不平衡変換回路１０４との間でインピーダンスの不整合状態が生じる。よって、選択されていない検出用コイル１０３の各々に電流が相互結合によって誘起されることを防止することができる。

また、図９の異物検出装置３００に示されるように、短絡回路１１１は、回路保護フィルタ１１０を介して、つまり回路保護フィルタ１１０と整合回路１０５との間に設けて、検出用コイル１０３と接続してもよい。これにより、送電コイル３０２から発生する交流磁界により検出用コイル１０３に誘起された大きな誘起電圧によって短絡回路１１１が破壊されることを防止することができる。

等価回路による計算結果を用いて、相互結合低減による異物検出性能の改善効果を説明する。

図１０は、図９の異物検出装置３００の等価回路モデルである。検出用コイル１０３から整合回路１０５までを等価回路で表現し、金属の異物２０１を抵抗とインダクタンスとの直列回路で表現した。異物２０１がコイルＬ１の近くにある場合、金属の異物２０１のインダクタンスとコイルＬ１との間に結合係数ｋ（＝−０．１）の磁界結合が生じるとし、一方で、雨水がコイルＬ１の近くにある場合、容量結合により寄生容量１０６のうちコイルＬ１の寄生容量が増加するとして計算した。

整合回路１０５は直並列接続されたコンデンサで構成されている。また、平衡不平衡変換回路１０４の平衡側インピーダンスは５０Ωとし、検出用コイル１０３はコイルＬ１およびコイルＬ２からなるものとして計算した。異物が無いときの基準整合周波数ｆ０が１７０ＭＨｚとなるように調整した。

以下に、計算結果を示す。図１１（ａ）、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、検出用コイル１０３を構成するコイル間の相互結合が無い場合のコイルＬ１の反射電力の周波数特性を示す。図１１（ｂ）の異物（金属）がある場合の整合周波数は、図１１（ａ）の異物および雨水がない場合の基準整合周波数ｆ０に比べて高くなり、図１１（ｃ）の雨水がある場合の整合周波数は、図１１（ａ）の異物および雨水がない場合の基準整合周波数ｆ０に比べて低くなっていることが分かる。

図１２（ａ）、図１２（ｂ）および図１２（ｃ）は、検出用コイル１０３を構成するコイル間の相互結合がある場合のコイルＬ１の反射電力の周波数特性を示す。コイルＬ１とコイルＬ２との間の磁界による結合係数ｋ１２は−０．１として計算した。整合周波数の変化量が図１１（ａ）〜図１１（ｃ）の場合に比べて小さくなっていることが分かる。

図１３（ａ）、図１３（ｂ）および図１３（ｃ）は、検出用コイル１０３を構成するコイル間の相互結合がある場合において、コイルＬ２の短絡回路１１１を短絡した条件でのコイルＬ１の反射電力の周波数特性を示す。整合周波数の変化量が図１１（ａ）〜図１１（ｃ）の場合とほぼ同等となっていることが分かる。

図１４に、ダイオードを用いた短絡回路１１１を示す。検出用コイル１０３の両端子にダイオード１２０を並列に接続し、当該ダイオード１２０の両端にそれぞれバイアス抵抗１２１，１２２を介して直流電圧Ｖ１，Ｖ２を印加する。直流電圧Ｖ１，Ｖ２の電位差を変化させることにより、ダイオード１２０をオン状態（短絡状態）またはオフ状態（開放状態）に切り替える。

なお、上記実施の形態３においては、検出用コイル１０３の両端子を短絡する方法について説明したが、図１０に示した整合回路１０５のコンデンサの一部を短絡することで、選択されていない検出用コイル１０３をインピーダンス不整合状態としてもよい。

以上で説明した異物検出装置および異物検出方法により、検出用コイルと検出回路との間の配線が長い場合でも配線が線状アンテナとして動作することを抑制し、異物検出が実現できる。また、水と金属とを区別した異物検出を実現できる。

本発明の異物検出装置および異物検出方法は、携帯機器、電気推進車両などの非接触充電器の異物検出装置および異物検出方法に適用できる。

１００，２００，３００ 異物検出装置
１０１ 送信回路
１０２ 同軸ケーブル
１０３ 検出用コイル
１０４ 平衡不平衡変換回路
１０５ 整合回路
１０６ 寄生容量
１０７ 方向性結合器
１０８ 検出回路
１０９ スイッチ回路
１１０ 回路保護フィルタ
１１１ 短絡回路
１２０ ダイオード
１２１，１２２ バイアス抵抗
２０１ 金属の異物
３０１ 車両
３０２ 送電コイル
３０３ 受電コイル
３０４ 送電コイルケース
３０５ 高周波発振源

Claims (7)

1. 検出用コイルと、
   不平衡信号を生成する送信回路と、
   前記送信回路からの不平衡信号を平衡信号へ変換する平衡不平衡変換回路と、
   前記検出用コイルから反射された電力成分である反射電力の周波数特性の変化により異物を検出する検出回路とを備えた異物検出回路。
2. 請求項１記載の異物検出装置において、
   前記検出回路は、前記反射電力の整合周波数の変化量により異物を検出する異物検出装置。
3. 請求項１記載の異物検出装置において、
   前記検出回路は、基準整合周波数に対して、前記反射電力の整合周波数の方が高い場合には異物が金属であると検出し、前記反射電力の整合周波数の方が低い場合には異物が水であると検出する異物検出装置。
4. 請求項１記載の異物検出装置において、
   前記検出用コイルは複数のコイルで構成され、
   前記検出用コイルのうち選択されないコイルの両端子を短絡する短絡回路をさらに備えた異物検出装置。
5. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の異物検出装置において、
   送電コイルを収納する送電コイルケースをさらに備え、
   前記検出用コイルは前記送電コイルの上方に配置されて前記送電コイルケースの中に収納され、
   前記送電コイルケースの表面と前記検出用コイルとの間の距離が前記送電コイルと前記検出用コイルとの間の距離に比べて短くなるように、前記検出用コイルが配置された異物検出装置。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の異物検出装置と、
   送電コイルと、
   前記送電コイルに所定の周波数の高周波電力を供給する高周波発振源とを備えた非接触充電システム。
7. 不平衡信号を平衡信号に変換して検出用コイルへ給電し、
   前記検出用コイルから反射された電力成分である反射電力の周波数特性の変化により異物を検出する異物検出方法。

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