JPWO2014156655A1 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

本発明の非接触電力伝送装置は、地上コイル１４を覆うようにセンサコイルが平面的に配置されたサーチコイル１９を備え、サーチコイル１９の近傍に異物が存在しないときにセンサコイルに生じる電圧を基準電圧テーブルとして記憶する。そして、非接触電力伝送装置は、センサコイルに生じた電圧と基準電圧テーブルとを比較してサーチコイル１９の近傍に異物が存在するか否かを判断する。

Description

本発明は、電力伝送用コイルを介して非接触で電力を送信、或いは受信する非接触電力伝送装置に関する。

従来では、プラグ接続を必要とせずに非接触で電気自動車のバッテリに電力を充電する非接触電力伝送装置として、国際公開２０１１／１４２４１９号公報（特許文献１）に記載された給電システムが知られている。該特許文献１に記載された給電システムでは、車両に設けられたコイルと、給電装置側に設けられたコイルとを対向配置し、この状態で給電側のコイルに電流を流すことによって充電側のコイルに電力を伝達している。そして、このような構成により、特許文献１に記載された給電システムは、プラグ接続等の操作を必要とせずに簡易に車両のバッテリへ電力を充電することができる。

このような従来の給電システムでは、給電装置側の電力伝送用コイルと充電側の電力伝送用コイルとの間に強い磁界が発生するので、コイルの近傍に鉄、アルミニウム、ステンレス等の金属性の異物が置かれると、この異物によって磁界が乱されることがある。その結果、異物が発熱して高温となる場合がある。例えば、給電装置側の電力伝送用コイル上に鉄製の異物（ボルトや釘）が落ちている場合には、この異物が渦電流によって加熱して温度が上昇するという不具合が発生する。

国際公開２０１１／１４２４１９号公報

上述したように、特許文献１に開示された従来例では、電力伝送用コイルの近傍に金属製の異物が存在する場合には、この異物が発熱して高温状態になってしまうという問題があった。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、電力伝送用コイルの近傍に存在する異物を検出することのできる非接触電力伝送装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る非接触電力伝送装置は、電力伝送用コイルを覆うように複数のセンサコイルが平面的に配置されたサーチコイルを備え、複数のセンサコイルに生じた電圧を検出する。また、非接触電力伝送装置は、サーチコイルの近傍に異物が存在しないときに複数のセンサコイルに生じる電圧を基準電圧テーブルとして記憶する。そして、非接触電力伝送装置は、複数のセンサコイルに生じた電圧と基準電圧テーブルとを比較し、この比較結果に基づいてサーチコイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する。

図１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置が採用された非接触充電システムの構成を示すブロック図である。 図２は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置に用いられるサーチコイルの詳細な構成を示す説明図である。 図３は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置に用いられる地上コイルと車両側コイルの位置関係を示す説明図である。 図４は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置に用いられる地上コイルと車両側コイルに生じる磁束の方向を示す説明図である。 図５は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置に設けられた電圧検出制御部の詳細な構成を示すブロック図である。 図６は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置の地上コイル及び車両側コイルとして用いられるソレノイド型コイルの構成を示す説明図である。 図７は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置の地上コイル及び車両側コイルとして用いられるソレノイド型コイルに生じる磁束を示す説明図である。 図８は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置の地上コイル及び車両側コイルとして用いられるソレノイド型コイルに生じる磁束分布を示す説明図である。 図９は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置の地上コイル及び車両側コイルとして用いられるディスク型コイルの構成を示す説明図である。 図１０は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置の地上コイル及び車両側コイルとして用いられるディスク型コイルに生じる磁束を示す説明図である。 図１１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置で用いられる基準電圧テーブルの電圧分布を示す特性図である。 図１２は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置で用いられる基準電圧テーブルと実際に測定された電圧との対比を示す特性図である。 図１３は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル上に鉄が置かれている場合の電圧分布の変化を示す説明図である。 図１４は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル上にアルミニウムが置かれている場合の電圧分布の変化を示す説明図である。 図１５は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル中央部に棒状の鉄が置かれている場合の磁束を示す説明図である。 図１６は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル端部に鉄が置かれている場合の磁束を示す説明図である。 図１７は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル近傍に鉄が置かれた場合の各センサコイルに生じる電圧の変化を示す図である。 図１８は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル中央部にシート状のアルミニウムが置かれている場合の磁束を示す説明図である。 図１９は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル端部にシート状のアルミニウムが置かれている場合の磁束を示す説明図である。 図２０は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のサーチコイル近傍にアルミニウムが置かれた場合の各センサコイルに生じる電圧の変化を示す図である。 図２１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置における棒状の鉄の向きと磁束の方向による温度上昇を説明するための図である。 図２２は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置による基準電圧テーブル作成処理の処理手順を示すフローチャートである。 図２３は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置による異物検出処理の処理手順を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置が採用された非接触充電システムの構成を示すブロック図である。図１に示すように、この非接触充電システム１００は、電気自動車（以下、「車両」という）に搭載される車両側装置１０１と、地上側に設置されて車両に電力を供給する給電装置１０２とから構成されている。そして、給電装置１０２から電力を送信し、この電力を車両側装置１０１が非接触で受信し、受信した電力を電気自動車に搭載されたバッテリに充電する。

ここで、本実施形態に係る「非接触電力伝送装置」は車両側装置１０１、及び給電装置１０２の双方のことを示している。つまり、給電装置１０２は、電力伝送用コイル（後述する地上コイル１４）を介して非接触で電力を送信する非接触電力伝送装置である。また、車両側装置１０１は、電力伝送用コイル（後述する車両用コイル３５）を介して非接触で電力を受信する非接触電力伝送装置である。以下、非接触充電システム１００の構成について説明する。

図１に示す給電装置１０２は、商用電源１０（例えば、１００Ｖ、５０Ｈｚ）からの交流電力を整流して直流電力を出力する直流電源１１と、該直流電源１１から出力される直流電力を所望の周波数の交流電力に変換するインバータ１２と、車両を駐車する駐車スペースの路面に設けられた給電用の地上コイル１４と、該地上コイル１４との間で電力を共振させる共振コンデンサ１３と、を備えている。また、給電装置１０２は、直流電源１１及びインバータ１２の電圧、電流、温度を検出する電圧・電流・温度センサ１６と、地上側制御部１５と、異物の判定に用いる基準電圧データ（後述）を取得する際に操作する校正スイッチ１８と、基準電圧テーブルを記憶する基準電圧記憶部２１（基準電圧テーブル記憶部）と、車両側装置１０１との間で近距離通信を行う無線ＬＡＮ１７と、各種の情報（特に、異物の存在に関する情報）を表示する表示部２２と、を備えている。

更に、給電装置１０２は、地上コイル１４の上面側（電力の送信側）に設置され、該地上コイル１４と略平行に配置された平面形状のサーチコイル１９と、該サーチコイル１９に生じる電圧を測定する電圧検出制御部２０（電圧検出部）と、を備えている。

地上コイル１４は、例えばソレノイド型コイルやディスク型コイルを用いることができる。これらのコイルの詳細については、後述する。サーチコイル１９は、図２の平面図に示すように、複数のセンサコイル１９Ｌ（図では、一例として９×６の５４個を示している）が地上コイル１４の上面側（電力の送信側）を覆うように平面的に配置されて構成されている。そして、各センサコイル１９Ｌには、地上コイル１４から出力される磁束に起因した電圧が発生する。

図１に示す電圧検出制御部２０は、サーチコイル１９で発生した電圧を測定する。より詳細には、電圧検出制御部２０は、サーチコイル１９を構成する各センサコイル１９Ｌに生じた電圧を個別に検出し、検出した各電圧データを地上側制御部１５に送信する。詳細については後述する。

地上側制御部１５は、給電装置１０２を総括的に制御する。特に、地上側制御部１５は、インバータ１２、及び直流電源１１の動作を含む各種の制御を行う。具体的に、地上側制御部１５は、車両側装置１０１に対して電力を送信する際に、インバータ１２から出力される交流電力を地上コイル１４に供給して、地上コイル１４を励磁する制御を行う。また、操作者がサーチコイル１９の周囲に異物（釘、ボルト、空き缶等）が存在しないことを確認して校正スイッチ１８を操作した際には、地上側制御部１５は、地上コイル１４を励磁し、このときに各センサコイル１９Ｌで発生した電圧を基準電圧として測定し、この基準電圧を基準電圧テーブルとして、基準電圧記憶部２１に記憶する処理を行う。更に、地上側制御部１５は、電圧検出制御部２０で検出された電圧データと上記の基準電圧テーブルとを対比して、地上コイル１４の近傍に異物が存在するか否かを判断する。加えて、異物が存在する場合には、地上側制御部１５は、異物が存在する位置、及び異物の材質を判断して、給電装置１０２の操作者や車両の運転者に報知することや、警報の出力、強制的に電力を遮断する制御等を行う。

即ち、地上側制御部１５は、電圧検出制御部２０（電圧検出部）で検出された電圧と、基準電圧テーブルとを比較し、この比較結果に基づいて、サーチコイル１９の近傍に異物が存在するか否かを判断する異物検出部としての機能を備えている。

一方、車両側装置１０１は、車両の底面に設けられた車両用コイル３５と、該車両用コイル３５との間で電力を共振させる共振コンデンサ３４と、車両用コイル３５を介して受信した交流電力を整流して直流電力に変換する整流回路３３と、直流電力を充電するバッテリ３１と、該バッテリ３１の充電、放電を切り替えるリレーボックス３２と、を備えている。

また、車両側装置１０１は、バッテリ３１の入出力電圧、電流、及びリレーボックス３２の温度を検出する電圧・電流・温度センサ３８と、車両側制御部３９と、異物の判定に用いる基準電圧テーブルを取得する際に操作する校正スイッチ４４と、基準電圧テーブルを記憶する基準電圧記憶部４３（基準電圧テーブル記憶部）と、給電装置１０２との間で近距離通信を行う無線ＬＡＮ４１と、各種の情報（特に、異物の存在に関する情報）を表示する表示部４２と、を備えている。

また、車両側制御部３９は、車両ネットワーク４０に接続されており、車両内のＥＣＵ等の車載機器との間でデータの送受信を行うことが可能となっている。

更に、車両側装置１０１は、車両用コイル３５の下面側（電力の受信側）を覆うように設置され、該車両用コイル３５と略平行に配置された平面形状のサーチコイル３６と、該サーチコイル３６に生じる電圧を測定する電圧検出制御部３７と、を備えている。

車両用コイル３５は、前述した地上コイル１４と同様に、ソレノイド型コイル、或いはディスク型コイルを用いることができる。サーチコイル３６は、前述した給電装置１０２側のサーチコイル１９と同様に、複数のセンサコイルが車両用コイル３５の下面側（電力の受信側）を覆うように平面的に配置された構成を有している。

電圧検出制御部３７は、サーチコイル３６で発生した電圧を測定する。より詳細には、電圧検出制御部３７は、サーチコイル３６を構成する各センサコイルに生じた電圧を個別に検出し、検出した各電圧データを車両側制御部３９に送信する。

車両側制御部３９は、車両側装置１０１を総括的に制御する。特に、車両側制御部３９は、サーチコイル３６の周囲に異物が存在しないことを確認した上で車両用コイル３５を励磁し、このときに各センサコイルで発生した電圧を測定し、この電圧を基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部４３に記憶する。また、車両側制御部３９は、電圧検出制御部３７による検出信号に基づいて、サーチコイル３６の近傍に異物が存在するか否かを判断する。更に、車両側制御部３９は、異物が存在すると判断した場合には、この異物が存在する位置、及び異物の材質を判断して、給電装置１０２の操作者や車両の運転者に報知することや、警報の出力、強制的にバッテリ３１への充電を遮断する制御等を行う。即ち、車両側制御部３９は、電圧検出制御部３７（電圧検出部）で検出された電圧と基準電圧テーブルとを比較し、この比較結果に基づいて、サーチコイル３６の近傍に異物が存在するか否かを判断する異物検出部としての機能を備えている。

ここで、車両側制御部３９、及び前述した地上側制御部１５は、例えば、中央演算ユニット（ＣＰＵ）や、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ハードディスク等の記憶手段からなる一体型のコンピュータとして構成することができる。

次に、図３を参照して、非接触充電が行われる際の、地上コイル１４と車両用コイル３５との位置関係について説明する。図３は、地上コイル１４と車両用コイル３５が対向したときの状態を模式的に示す側面図である。

図３に示すように、駐車スペースの路面に設けられた地上コイル１４の上面側を覆うようにサーチコイル１９が設けられ、且つ、車両底面に設けられた車両用コイル３５の下面側を覆うようにサーチコイル３６が設けられている。そして、車両が駐車スペースの所定の位置に停車すると、地上コイル１４と車両用コイル３５が互いに対向した状態となる。そして、地上コイル１４に電力が供給されると、この電力が車両用コイル３５に伝送され、図１に示したバッテリ３１を充電することができる。

図４は、地上コイル１４の周囲に生じる磁束の方向を示す説明図であり、図４（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示している。図４から理解できるように、地上コイル１４に電力を供給すると、地上コイル１４の一端側から他端側に向く方向に磁束が発生し、この磁束が図３に示した車両用コイル３５を通過するので、該車両用コイル３５に電力が発生する。従って、非接触での電力伝送が可能となる。

また、前述の図２に示したように、サーチコイル１９は、複数のセンサコイル１９Ｌを備えている。即ち、複数のセンサコイル１９Ｌが平面状に並べられてサーチコイル１９が形成されている。また、各センサコイル１９Ｌの側部には、電圧検出制御部２０が設けられている。そして、各センサコイル１９Ｌは、それぞれ電圧検出制御部２０と接続されている。

図５は、電圧検出制御部２０の詳細な構成を示すブロック図である。図５に示すように、電圧検出制御部２０は、各センサコイル１９Ｌ（図５では、各センサコイル１９Ｌを、チャンネル１，チャンネル２，・・・チャンネルｎと表記）と接続され、各センサコイル１９Ｌで検出された電圧信号を順次切り替えて出力するマルチプレクサ５１と、該マルチプレクサ５１から出力される電圧信号を増幅する差動増幅器５２と、該差動増幅器５２から出力される電圧信号を整流する整流器５３と、交流成分を除去するフィルタ５４と、電圧信号をＡ／Ｄ変換するＣＰＵ５５と、を備えている。

ＣＰＵ５５は、マルチプレクサ５１にチャンネル指定信号を送信する機能を備えている。従って、各センサコイル１９Ｌで検出された電圧信号は、アナログ信号としてＣＰＵ５５に入力され、更に該ＣＰＵ５５でディジタル化されて、図１に示した地上側制御部１５に送信される。なお、車両側装置１０１に設けられた電圧検出制御部３７についても、図５と同様の構成を備えている。

次に、図６〜１０を参照して、地上コイル１４及び車両用コイル３５として用いるソレノイド型コイル、及びディスク型コイルについて説明する。図６は、ソレノイド型コイル６１の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示している。図示のように、該ソレノイド型コイル６１は、平面形状のフェライト６２の周囲を絶縁材６３で覆い、更に、その周囲に電線６４を巻回して構成されている。また、電線６４の端部にはそれぞれ接続用の端子６５が設けられている。そして、端子６５をインバータ１２（図１参照）に接続し、電線６４に交流電流を流すことにより、ソレノイド型コイル６１の周囲に磁束を発生させることができる。この磁束は、車両用コイル３５側に伝達されるので、車両用コイル３５に電力を伝送することができる。

図７は、ソレノイド型コイル６１の周囲に発生する磁束を示す説明図であり、ソレノイド型コイル６１を側面方向から見たときの磁束を矢印で示している。図７の領域Ｒ１に示すように、ソレノイド型コイル６１の一方の端部から他方の端部（図中、右側から左側）に向かう磁束が発生している。

図８は、地上コイル１４（この場合は、ソレノイド型コイル６１）の上面側に設けられた複数のセンサコイル１９Ｌ１〜１９Ｌ９と、磁束との関係を模式的に示す説明図である。なお、図８では、一列に配置された各センサコイル１９Ｌを区別するために、末尾に数値を付して示している。即ち、一列に配置された各センサコイル１９Ｌを、１９Ｌ１〜１９Ｌ９として示している。

そして、図８に示すように、ソレノイド型コイル６１に生じる磁束は、端部側となるセンサコイル１９Ｌ１，１９Ｌ２，１９Ｌ８，１９Ｌ９を集中して通過することが分かる。また、地上コイル１４から出力される電力に応じて、磁束の大きさが変化する。

従って、出力電力が決定すれば、各センサコイル１９Ｌ１〜１９Ｌｎ（ｎは、センサコイルの個数）を通過する磁束がほぼ一定値に決定するので、各センサコイル１９Ｌ１〜１９Ｌｎに生じる電圧が決定する。このため、地上コイル１４の近傍に磁束を乱すような異物（例えば、金属）が存在する場合には、各センサコイル１９Ｌ１〜１９Ｌｎに生じる電圧が、基準電圧（異物が存在しないときに予め取得した各センサコイル１９Ｌ１〜１９Ｌｎに生じる電圧）に対して変化する。したがって、この電圧変化を検出することにより、地上コイル１４の近傍に異物が存在するか否かを検出することができる。更に、異物の存在する位置も検出することができる。

なお、図８では、煩雑さを避けるため図中に４本の磁束のみを記載しているが、実際にはより複雑に磁束が発生している。

次に、ディスク型コイルについて説明する。図９は、ディスク型コイル７１の構成を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図を示している。図示のように、ディスク型コイル７１は、平板円形状のフェライト７２の上面を覆うように絶縁材７３が設けられ、更に、該絶縁材７３の上面側には電線７４が渦巻き状、且つドーナツ状（中央に穴のあいた形状）に巻回されている。更に、電線７４の端部にはそれぞれ端子７５が設けられている。そして、端子７５をインバータ１２（図１参照）に接続し、電線７４に交流電流を流すことにより、ディスク型コイル７１の周囲に磁束を発生させることができる。この磁束は、車両用コイル３５側に伝達されるので、車両用コイル３５に電力を伝送することができる。

図１０は、ディスク型コイル７１の周囲に発生する磁束を示す説明図であり、ディスク型コイル７１を側面方向から見たときの磁束を矢印で示している。図１０の領域Ｒ２（右半分の領域）に示すように、ディスク型コイル７１の一方の端部から他方の端部に向かう磁束が発生している。従って、この領域Ｒ２についても前述した図８に示したように、各センサコイル１９Ｌ（１９Ｌ１〜１９Ｌ９）で磁束が検出される。但し、これは右側の半分の領域を示しているので、図１０に示す磁束と対称的な形状となる磁束が左側の半分の領域にも発生している。

従って、各センサコイル１９Ｌに生じる電圧は予め判るので、この電圧を基準電圧とすれば、異物の存在を検出することができる。

次に、地上側制御部１５で実行される異物の検出手法について説明する。本実施形態では、初期的な操作として、サーチコイル１９の近傍に異物が存在しないときに、地上側制御部１５は、地上コイル１４に電力を供給して該地上コイル１４を励磁し、サーチコイル１９の各センサコイル１９Ｌに生じる電圧を検出する。そして、検出された電圧データは基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１に記憶される。

図１１は、各出力電力毎に設定された基準電圧テーブルの例を示す特性図である。図１１において、曲線ｓ１は、地上コイル１４の出力電力が１ＫＷである場合における各センサコイル１９Ｌで検出される基準電圧を示している。なお、図１１の横軸は、発生電圧が小さい順に「チャンネル」を並べている。即ち、曲線ｓ１の左端は発生電圧が最も小さいチャンネルを示し、右端は発生電圧が最も大きいチャンネルを示している。同様に、曲線ｓ２は出力電力が２ＫＷの場合、曲線ｓ３は出力電力が３ＫＷの場合の基準電圧を示している。

そして、実際の電力送信時に、サーチコイル１９の近傍に存在する異物を検出する際には、電圧検出制御部２０で検出された各センサコイル１９Ｌの電圧と基準電圧テーブルとの差分を演算する。その結果、例えば図１２に示すように、測定された電圧データ（曲線ｓ１２）と、基準電圧テーブルに記憶されている基準電圧（曲線ｓ１１）との差分が求められ、この差分に基づいて異物の存在を検出する。

つまり、地上側制御部１５は、各センサコイル１９Ｌで検出された電圧と基準電圧とを対比し、大きな相違が生じている場合には、サーチコイル１９の近傍、すなわち地上コイル１４の近傍に金属製の異物が存在するものと判断する。

ここで、図１に示した車両用コイル３５の下面側に設けられたサーチコイル３６についても、上記と同様の手法によって異物の存在を検出することができる。詳細な説明は省略する。これにより、車両用コイル３５に金属製の異物が絡まる等の理由によって車両用コイル３５の近傍に異物が存在する場合でも、サーチコイル３６を用いることによって異物を検出することができる。

なお、サーチコイルは、車両側装置１０１及び給電装置１０２の双方に設ける必要はなく、いずれか一方に設ける構成としても良い。即ち、地上コイル１４の近傍に存在する異物のみを検出する場合には、図１に示すサーチコイル３６、及び電圧検出制御部３７は不要となる。また、車両用コイル３５の近傍に存在する異物のみを検出する場合には、図１に示すサーチコイル１９、及び電圧検出制御部２０は不要となる。

次に、地上コイル１４の近傍に実際に異物が存在する場合の磁束の乱れについて説明する。初めに、サーチコイル１９の近傍に、鉄等の透磁率の高い異物が置かれている場合について、図１３を参照して説明する。図１３（ａ）は、サーチコイル１９のほぼ中央部に棒状で透磁率の高い異物（例えば、鉄）が置かれている場合、図１３（ｂ）は、サーチコイル１９の中央から若干ずれた位置に塊状で透磁率の高い異物（例えば、鉄）が置かれている場合の電圧変化を示す説明図である。

図１３（ａ）に示すように、棒状の異物ｘ１が置かれている場合には、この異物ｘ１の中央部の領域ｒ１に生じる電圧は基準電圧に対して低下し、両端部の領域ｒ２，ｒ３に生じる電圧は上昇する。一方、図１３（ｂ）に示すように、塊状の異物ｘ２が置かれている場合には、この異物ｘ２が存在する領域ｒ４に生じる電圧は基準電圧に対して上昇し、両端の領域ｒ５，ｒ６に生じる電圧は低下する。従って、このような電圧変化のパターンに基づいて、異物が存在する位置、及び材質を認識することができる。

次に、サーチコイル１９の近傍にアルミニウムや銅等の透磁率の低い異物が置かれている場合について説明する。図１４（ａ）は、サーチコイル１９のほぼ中央部に透磁率の低い棒状の異物（例えば、アルミニウム）が置かれている場合、図１４（ｂ）は、サーチコイル１９の中央から若干ずれた位置に透磁率の低い塊状の異物が置かれている場合の電圧変化を示す説明図である。

図１４（ａ）に示すように、サーチコイル１９上の磁束の方向に棒状の異物ｘ３が置かれている場合には、この異物ｘ３は、磁束の変化にほとんど影響しない。従って、サーチコイル１９で検出される電圧に変化は生じない。また、図１４（ｂ）に示すように、塊状の異物ｘ４が置かれている場合には、この異物ｘ４が存在する領域ｒ７に生じる電圧が低下する。従って、このような電圧変化のパターンに基づいて、異物が存在する位置、及び材質を認識することができる。

次に、各センサコイル１９Ｌに生じる電圧の変化について、より詳細に説明する。図１５は、サーチコイル１９の上面の略中央に棒状の鉄８１（例えば、鉄製の釘やボルト）が横方向を向いて置かれている場合における磁束の変化を示す説明図である。鉄８１は透磁率が高いので、サーチコイル１９の中央に鉄が置かれていると、磁束はこの鉄８１を通過するように変化する。その結果、各センサコイル１９Ｌを通過する磁束が変化し、これによって各センサコイル１９Ｌに発生する電圧が変化する。具体例として、例えば、図１７（ａ）に示すように電圧が変化する。図１７に示す「チャンネル番号」は、センサコイル１９Ｌの番号を示しており、上向きの矢印「↑」は基準電圧に対して電圧が上昇することを示し、下向きの矢印「↓」は基準電圧に対して電圧が下降することを示している。また、「−」は変化しないことを示している。

図１５に示したように、サーチコイル１９の中央部に棒状の鉄８１が置かれている場合には、図１７（ａ）に示すように、両端部のセンサコイル１９Ｌ１〜１９Ｌ３，１９Ｌ７〜１９Ｌ９に生じる電圧が上昇し、中央部のセンサコイル１９Ｌ４〜１９Ｌ６に生じる電圧が低下する。従って、このような電圧変化が検出された場合には、サーチコイル１９（地上コイル１４）の略中央部に鉄等の透磁率の高い金属製の異物が存在するものと判断できる。

更に、図１６に示すように、サーチコイル１９の端部に鉄８２が縦方向を向いて置かれている場合には、磁束がこの鉄８２を通過するように変化するので、端部から２番目のセンサコイル１９Ｌ２に磁束が集中する。したがって、図１７（ｂ）に示すように、センサコイル１９Ｌ１，１９Ｌ３〜１９Ｌ５に生じる電圧が低下し、センサコイル１９Ｌ２に生じる電圧が上昇する。そこで、このような電圧変化が検出された場合には、サーチコイル１９の端部に鉄等の透磁率の高い金属性の異物が存在するものと判断することができる。即ち、図１７に示す電圧の変化パターンを参照することにより、サーチコイル１９の上側に存在する異物の位置、及び材質（透磁率が高い材質か、或いは、低い材質か）を判断することができる。

また、図２１（ａ）に示すように、磁束の方向と平行に棒状の鉄が置かれている場合には、この鉄に磁束が集中するので、発熱して温度が上昇する。そして、各センサコイル１９Ｌで検出される電圧が変化するので、異物の存在を検出できる。これに対して、図２１（ｂ）に示すように、磁束の方向と直交するように棒状の鉄が置かれている場合には、この鉄に磁束が集中しないので（或いは、集中の度合いが小さいので）、この鉄は発熱せず温度は上昇しない（或いは、発熱量が極めて小さい）。この際、各センサコイル１９Ｌで検出される電圧は大きく変化せず、異物の存在を検出できない。

つまり、磁束に影響を与えない異物は、そもそも発熱するという問題が発生しないので、この異物を検出する必要はない。換言すれば、発熱の要因とならない異物については、これを検出しないので、不要な警報信号の発生や回路の遮断を回避できる。

次に、サーチコイル１９の近傍に透磁率の低い金属製の異物（例えば、銅やアルミニウム）が存在する場合について説明する。図１８は、サーチコイル１９の上側の中央部にシート状のアルミニウム８３が置かれている場合における磁束の変化を示す説明図である。アルミニウムは透磁率が低いので、磁束はアルミニウムを避けるようにして通過する。しかし、図１８に示す例では、シート状のアルミニウム８３がサーチコイル１９の略中央に置かれ、且つ、サーチコイル１９の面と略平行となっているので、磁束に影響を与えない。従って、図２０（ａ）に示すように、各センサコイル１９Ｌ１〜１９Ｌ９に生じる電圧は変化しない。また、磁束が変化しないので、シート状のアルミニウム８３が発熱するという問題も発生しない。

一方、図１９に示すように、サーチコイル１９上面の端部にシート状のアルミニウム８４が置かれた場合には、磁束がこのアルミニウム８４を避けて通過するように変化する。従って、図２０（ｂ）に示すように、センサコイル１９Ｌ８に生じる電圧が上昇し、センサコイル１９Ｌ９に生じる電圧は低下する。従って、このような電圧変化が検出された場合には、サーチコイル１９の端部近傍にアルミニウム等の透磁率の低い金属性の異物が存在するものと判断できる。即ち、図２０に示す電圧の変化に基づいて、サーチコイル１９上に存在する異物の位置、及び材質（透磁率が高い材質か、或いは、低い材質か）を判断することができる。

次に、上述のように構成された本実施形態に係る非接触充電システム１００で、異物の存在を検出する際の作用について、図２２，図２３に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態に係る非接触充電システム１００は、サーチコイル１９，３６の近傍に異物が存在しないときに、各センサコイル１９Ｌで検出された電圧データを予め取得する。そして、非接触充電システム１００は、この電圧データを基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１，４３（図１参照）に記憶保存する。

以下、基準電圧記憶部２１に記憶される基準電圧テーブルを作成する際の処理手順について、図２２に示すフローチャートを参照して説明する。初めに、ステップＳ３１において、図１に示す地上側制御部１５は、出力が０．５ＫＷとなるように、地上コイル１４に電力を給電する。そして、ステップＳ３２において、地上側制御部１５は、このときのサーチコイル１９の各センサコイル１９Ｌにおける電圧分布を取得し、０．５ＫＷ用の基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１に記憶保存する。

ステップＳ３３において、地上側制御部１５は、出力が１ＫＷとなるように、地上コイル１４に電力を給電する。そして、ステップＳ３４において、地上側制御部１５は、このときのサーチコイル１９の各センサコイル１９Ｌにおける電圧分布を取得し、１ＫＷ用の基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１に記憶保存する。

更に、ステップＳ３５において、地上側制御部１５は、出力が１．５ＫＷとなるように、地上コイル１４に電力を給電する。そして、ステップＳ３６において、地上側制御部１５は、このときのサーチコイル１９の各センサコイル１９Ｌにおける電圧分布を取得し、１．５ＫＷ用の基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１に記憶保存する。

ステップＳ３７において、地上側制御部１５は、出力が２ＫＷとなるように、地上コイル１４に電力を給電する。そして、ステップＳ３８において、地上側制御部１５は、このときのサーチコイル１９の各センサコイル１９Ｌにおける電圧分布を取得し、２ＫＷ用の基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１に記憶保存する。

ステップＳ３９において、地上側制御部１５は、出力が２．５ＫＷとなるように、地上コイル１４に電力を給電する。そして、ステップＳ４０において、地上側制御部１５は、このときのサーチコイル１９の各センサコイル１９Ｌにおける電圧分布を取得し、２．５ＫＷ用の基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１に記憶保存する。

ステップＳ４１において、地上側制御部１５は、出力が３ＫＷとなるように、地上コイル１４に電力を給電する。そして、ステップＳ４２において、地上側制御部１５は、このときのサーチコイル１９の各センサコイル１９Ｌにおける電圧分布を取得し、３ＫＷ用の基準電圧テーブルとして基準電圧記憶部２１に記憶保存する。

このようにして、本実施形態に係る非接触充電システム１００は、各出力でのサーチコイル１９の電圧分布を示す基準電圧テーブルを取得することができる。なお、図２２のフローチャートでは、サーチコイル１９に対して基準電圧テーブルを取得する場合について示したが、車両側装置１０１に設けられたサーチコイル３６に対しても同様の処理により、各出力電力毎の基準電圧テーブルを作成することができる。

次に、図２３に示すフローチャートを参照して、サーチコイル１９の近傍に存在する異物を検出する際の具体的な処理手順について説明する。この処理は、図１に示した地上側制御部１５の制御によって実行される。

初めにステップＳ１１において、地上側制御部１５は、初期診断を行って、異物の検知処理を開始すると、ステップＳ１２において、基準電圧テーブルの校正処理を行うか否かを判断する。この処理は、操作者が校正スイッチ１８を押したか否かにより判断することができる。そして、校正スイッチ１８が押された場合には（ステップＳ１２でオン）、ステップＳ１３において、地上側制御部１５は、前述の図２２に示した処理を実行し、新たな基準電圧テーブルを作成する。

一方、校正スイッチ１８が押されていない場合には（ステップＳ１２でオフ）、ステップＳ１４において、地上側制御部１５は、サーチコイル１９に含まれる各センサコイル１９Ｌで検出された電圧データを取得する。即ち、図１に示した電圧検出制御部２０で検出された各センサコイル１９Ｌ毎の電圧データを取得する。

次いで、ステップＳ１５において、地上側制御部１５は、基準電圧記憶部２１に予め記憶保存されている基準電圧テーブルを読み込む。この際、地上コイル１４の出力電力に対応する基準電圧テーブルを用いる。例えば、地上コイル１４の出力電力が２ＫＷである場合には、この２ＫＷに対応する基準電圧テーブルを読み込む。

ステップＳ１６において、地上側制御部１５は、ステップＳ１５で読み込んだ基準電圧テーブルと、ステップＳ１４で取得した電圧データを対比し、差分電圧を求める。

ステップＳ１７において、地上側制御部１５は、差分電圧が予め設定された閾値電圧以上となる領域（センサコイル１９Ｌの設置位置）の電圧変化のパターンを判断する。そして、この電圧変化のパターンに基づいて、地上側制御部１５は、サーチコイル１９上の異物が存在する位置を特定する。更に、異物の材質、即ち、鉄等の透磁率の高い異物であるか、或いは、銅やアルミニウム等の透磁率の低い異物であるかを判断する。

具体的には、前述した図１７，図２０に記載したデータを参照して、異物の位置、及び材質を特定する。

例えば、磁束が垂直方向に発生する領域（サーチコイル１９と直交する方向に磁束が発生する領域）において、中央の電圧が高く、その周囲電圧が低くなる場合（図１６、図１７（ｂ）に示した例）には、地上側制御部１５は、サーチコイル１９の端部となる位置に、鉄等の透磁率の高い材質の異物が存在するものと判断する。

また、磁束が垂直方向に発生する領域において、中央の電圧が低く、その周囲電圧が高くなる場合（図１９、図２０（ｂ）に示した例）には、地上側制御部１５は、サーチコイル１９の端部となる位置に、アルミニウムや銅等の透磁率の低い材質の異物が存在するものと判断する。即ち、図１９に示すように、サーチコイル１９の端部に異物（シート状のアルミニウム８４）が置かれている場合には、このアルミニウム８４を避けるように磁束が通過するので、中央（この場合は、センサコイル１９Ｌ９）の電圧が低下し、その周囲部（この場合は、センサコイル１９Ｌ８）の電圧が高くなっている。よって、端部に透磁率の低いアルミニウム８４が存在すると推定できる。

更に、磁束が水平方向に発生する領域（サーチコイル１９と平行な方向に磁束が発生する領域）において、中央の電圧が低く、その周囲電圧が高くなる場合（図１５、図１７（ａ）に示した例）には、地上側制御部１５は、サーチコイル１９の中央となる位置に、鉄等の透磁率の高い材質の異物が存在するものと判断する。

一方、磁束が水平方向に発生する領域において、中央の電圧が高く、その周囲電圧に変化が生じていない場合には、地上側制御部１５は、サーチコイル１９の中央となる位置に、アルミニウムや銅等の透磁率の低い異物が立った状態で存在するものと判断する。

そして、これらの情報を、表示部２２に表示することにより、地上側制御部１５は、給電装置１０２の操作者に対してサーチコイル１９の近傍に異物が存在することを報知することができる。また、給電装置１０２の無線ＬＡＮ１７と、車両側装置１０１の無線ＬＡＮ４１との間の通信により、異物の検出情報を車両側装置１０１に通知することができる。したがって、この検出情報を車両側装置１０１の表示部４２に表示することによって、異物が存在することを車両の運転者に報知することができる。その結果、サーチコイル１９の近傍に異物が存在する場合には、異物の存在を認識した作業者等が事前に異物を除去することができるので、サーチコイル１９の近傍に置かれた金属製の異物が発熱するといった問題の発生を回避することができる。

なお、図２３に示すフローチャートは、地上コイル１４の上面側に設置したサーチコイル１９による異物の検出手順について説明したが、車両用コイル３５の下面側に設置したサーチコイル３６についても同様の手順で異物を検出することができる。

このようにして、本実施形態に係る非接触電力伝送装置では、地上コイル１４の上面側に複数のセンサコイル１９Ｌから成るサーチコイル１９を設け、各センサコイル１９Ｌに生じた電圧を検出する。更に、検出した電圧データと予め取得した基準電圧テーブルに設定された基準電圧とを対比し、電圧の増減のパターンに基づいて、異物の存在位置、及び異物の材質を検出する。

従って、サーチコイル１９の近傍に存在する金属製の異物の位置、及び材質を確実に検出して給電装置１０２の操作者、及び車両の運転者に報知することができる。

即ち、車両を充電用の駐車スペースに停車させている場合には、路面に設けられたサーチコイル１９上の状況を周囲から視認することは難しい。そこで、本実施形態のサーチコイル１９を用いることにより、確実に異物の存在、及び位置確認、及び材質の確認が可能となり、即時に異物の除去作業を行うことができる。

これと同様に、車両用コイル３５の下面側にサーチコイル３６を設けたことにより、該車両用コイル３５の近傍に存在する金属製の異物の位置、及び材質を検出して、車両の運転者、及び給電装置１０２の操作者に報知することができる。

また、複数のセンサコイル１９Ｌにおける電圧変化のパターンに基づいて、異物の存在位置、及び材質を検出できる。即ち、図１７、図２０に示したセンサコイル１９Ｌにおける電圧変化のパターンに基づき、サーチコイル１９上のどの位置に異物が存在するかを認識でき、且つ、この異物の材質を認識できる。従って、車両の運転者、或いは操作者は、サーチコイル１９近傍の異物が存在する位置、及び材質を認識できるので、この異物を取り除く作業を即時に行うことができる。なお、車両側装置１０１のサーチコイル３６についても上記と同様の効果を達成できる。

以上、本発明の非接触電力伝送装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。

例えば、上述した実施形態では、地上コイル１４としてソレノイド型コイルを用いる例について説明したが、ディスク型コイルについても同様に異物の存在を検出できる。つまり、前述の図１０に示したように、ディスク型コイル７１では、右半分の磁束の発生パターンが図７に示したソレノイド型コイル６１の場合とほぼ一致するので、これと対称な形状となる左半分についても同様の手法を採用すれば、上記の実施形態と同様の手法により異物の存在位置、及び材質を検出することが可能となる。

また、上述した実施形態では、車両用コイル３５の下面側にサーチコイル３６を設け、地上コイル１４の上面側にサーチコイル１９を設ける例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、少なくとも一方にサーチコイルを設ける構成としてもよい。例えば、地上コイル１４の上面側にのみサーチコイル１９を設ける構成とすれば、地上コイル１４の近傍に存在する異物を検出することができる。また、車両用コイル３５の下面にのみサーチコイル３６を設ける構成とすれば、車両用コイル３５の近傍に存在する異物を検出することができる。

本出願は、２０１３年３月２９日に出願された日本国特許願第２０１３−０７１２６８号に基づく優先権を主張しており、この出願の内容が参照により本発明の明細書に組み込まれる。

１０ 商用電源
１１ 直流電源
１２ インバータ
１３、３４ 共振コンデンサ
１４ 地上コイル
１５ 地上側制御部
１６、３８ 電圧・電流・温度センサ
１７、４１ 無線ＬＡＮ
１８、４４ 校正スイッチ
１９、３６ サーチコイル
１９Ｌ センサコイル
２０、３７ 電圧検出制御部
２１、４３ 基準電圧記憶部
２２、４２ 表示部
３１ バッテリ
３２ リレーボックス
３３ 整流回路
３５ 車両用コイル
３９ 車両側制御部
４０ 車両ネットワーク
５１ マルチプレクサ
５２ 差動増幅部
５３ 整流器
５４ フィルタ
５５ ＣＰＵ
６１ ソレノイド型コイル
６２、７２ フェライト
６３、７３ 絶縁材
６４、７４ 電線
６５、７５ 端子
７１ ディスク型コイル
８１、８２ 鉄
８３、８４ アルミニウム
１００ 非接触充電システム
１０１ 車両側装置
１０２ 給電装置

Claims (3)

1. 電力伝送用コイルを介して非接触で電力を送信または受信する非接触電力伝送装置であって、
   前記電力伝送用コイルの送信側または受信側となる面を覆うように複数のセンサコイルが平面的に配置されたサーチコイルと、
   前記電力伝送用コイルで電力を送信または受信しているときに、前記複数のセンサコイルに生じた電圧を検出する電圧検出部と、
   前記サーチコイルの近傍に異物が存在しないときに前記複数のセンサコイルに生じる電圧を基準電圧テーブルとして記憶する基準電圧テーブル記憶部と、
   前記電圧検出部で検出された電圧と前記基準電圧テーブルとを比較し、この比較結果に基づいて前記サーチコイルの近傍に異物が存在するか否かを判断する異物検出部と、
   を備えたことを特徴とする非接触電力伝送装置。
2. 前記異物検出部は、前記複数のセンサコイルのうち２以上のセンサコイルで検出された電圧と前記基準電圧テーブルに記憶されている各センサコイルに生じる電圧との差分電圧を求め、前記差分電圧の上昇、下降のパターンに基づいて前記異物の存在位置を判断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. 前記異物検出部は、前記複数のセンサコイルのうち２以上のセンサコイルで検出された電圧と前記基準電圧テーブルに記憶されている各センサコイルに生じる電圧との差分電圧を求め、前記差分電圧の上昇、下降のパターンに基づいて前記異物の材質を判断することを特徴とする請求項１または２に記載の非接触電力伝送装置。

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