WO2013061613A1 - 非接触充電装置 - Google Patents

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WO2013061613A1
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power
unit
capacitance
primary coil
detection
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藤田　篤志
芳弘 阪本
大森　義治
秀樹 定方
柏本　隆
裕明 栗原
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パナソニック株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a non-contact charging device used for charging electric propulsion vehicles such as electric vehicles and plug-in hybrid vehicles.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional non-contact charging device 6.
  • the non-contact power feeding device (primary side) F connected to the power panel of the ground-side power source 9 is supplied with power to the power receiving device (secondary side) G mounted on the electric propulsion vehicle. It arrange
  • an alternating current is applied to the primary coil 7 provided in the power feeding device F to form a magnetic flux
  • an induced electromotive force is generated in the secondary coil 8 provided in the power receiving device G, and thereby the primary coil 7. Is transmitted to the secondary coil 8 in a non-contact manner.
  • the power receiving device G is connected to, for example, the in-vehicle battery 10, and the in-vehicle battery 10 is charged by the transmitted power as described above.
  • the in-vehicle motor 11 is driven by the electric power stored in the in-vehicle battery 10. Note that, during the non-contact power supply process, for example, the wireless communication device 12 exchanges necessary information between the power supply device F and the power reception device G.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing the internal structure of the power feeding device F and the power receiving device G.
  • FIG. 9A is a schematic diagram illustrating an internal structure when the power feeding device F is viewed from above or the power receiving device G is viewed from below.
  • FIG. 9B is a schematic diagram illustrating an internal structure when the power feeding device F and the power receiving device G are viewed from the side.
  • the power feeding device F includes a primary coil 7, a primary magnetic core 13, a back plate 15, a cover 16, and the like.
  • the power receiving device G includes a secondary coil 8, a secondary magnetic core 14, a back plate 15, a cover 16, and the like.
  • the power receiving device G has a symmetric structure with the power feeding device F.
  • the surfaces of the primary coil 7 and the primary magnetic core 13 and the surfaces of the secondary coil 8 and the secondary magnetic core 14 are covered and fixed with a mold resin 17 in which a foam material 18 is mixed.
  • the mold resin 17 is filled between the back plate 15 and the cover 16, and the primary coil 7, the secondary coil 8, the primary magnetic core 13, and the secondary magnetic core inside.
  • the surface of the core 14 is covered and fixed.
  • the mold resin 17 is made of, for example, silicon resin.
  • the power feeding device F and the power receiving device G are basically installed outdoors, it is conceivable that foreign matter will be placed on the cover 16.
  • a metal object which is an example of a foreign object
  • the cover 16 when a metal object, which is an example of a foreign object, is placed on the cover 16 during power transmission, if the metal object is left as it is, the metal object will be overheated.
  • a foreign object such as a loop-shaped conductor capable of interlinking magnetic flux is inserted between the primary coil 7 and the secondary coil 8
  • an electromotive force is generated at both ends of the conductor.
  • the power feeding device F and the power receiving device G may be damaged. From the above, it is required to reliably detect the entry of foreign matter between the primary coil 7 and the secondary coil 8 during power transmission.
  • an object of the present invention is to provide a non-contact charging device that can reliably detect the intrusion of foreign matter.
  • a non-contact charging device includes a power receiving device, a primary coil that generates magnetic flux by an input alternating current, and a cover that covers the primary coil, From a power supply device that supplies power to the power receiving device in a non-contact manner, a capacitance detection sensor that detects the foreign material present around the cover by measuring the capacitance between the power supply device, and the power supply device.
  • a control unit that stores, as an initial value, a detection parameter that is a detection result of the capacitance detection type sensor before power transmission to the power receiving device.
  • the capacitance detection type sensor changes the initial value with the detection parameter during power transmission from the power supply apparatus to the power reception apparatus.
  • the capacitance detection sensor supplies an alternating voltage to the electrode and measures the capacitance between the electrode and the foreign material.
  • the capacitance since the capacitance is very small, The influence of peripheral parts such as coils and covers, the surrounding environment, and the installation status on the measurement accuracy becomes relatively dominant.
  • a stray capacitance exists between peripheral components such as a primary coil and a cover and the sensor, but the capacitance changes according to the distance between the primary coil and the sensor. This distance fluctuates due to variations at the time of assembling the non-contact charging device and changes over time, and thus may affect the measurement accuracy of the capacitance by the sensor.
  • the stray capacitance may change depending on the change in the distance between the vehicle body and the peripheral parts depending on the shape of the vehicle.
  • the influence of the magnetic flux from the primary coil and the secondary electric field on the measurement accuracy cannot be ignored.
  • the detection parameters can be changed and initialized. For example, by setting the initial value before power transmission, the capacitance can be measured stably without being affected by the installation status and the surrounding environment, and variations in the measurement accuracy inherent to the sensor can be suppressed. Is possible.
  • the influence of magnetic flux from the primary coil can be eliminated by correcting and adjusting the initial value at regular intervals after power transmission. Therefore, it is possible to reliably detect a foreign object existing between the power feeding device and the power receiving device.
  • the electrostatic capacity detection type sensor capable of detecting the intrusion of an object near the cover is provided, and the detection parameter is initialized and adjusted so that the foreign matter is not affected by the installation situation and the surrounding environment. Can be detected.
  • the detection parameter is initialized and adjusted so that the foreign matter is not affected by the installation situation and the surrounding environment. Can be detected.
  • it is possible to absorb variations unique to the sensor, and it is possible to reliably detect foreign matter between the power feeding device and the power receiving device.
  • FIG. 1 is a block diagram of a non-contact power transmission apparatus according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an external view of the non-contact power transmission apparatus of FIG.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a specific example of the capacitance detection type sensor of FIG.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the power feeding device.
  • FIG. 5 is an external view showing a configuration example of electrodes provided in the capacitance detection sensor.
  • FIG. 6 is an external view showing another configuration example of electrodes provided in the capacitance detection sensor.
  • FIG. 7 is a flowchart showing foreign object detection and transmission power control processing in the non-contact power transmission apparatus of FIG. 1 and processing when foreign matter is detected.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional non-contact power transmission apparatus.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an internal structure of the power feeding device and the power receiving device in FIG. 8.
  • FIG. 1 is a block diagram of a non-contact power transmission apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is an external view of a state where the vehicle is stopped in the parking space.
  • the non-contact power transmission apparatus includes a power supply apparatus 101 installed in, for example, a parking space, and a power receiving apparatus 110 mounted in, for example, an electric propulsion vehicle.
  • the power supply apparatus 101 includes a power supply unit 103 connected to a commercial power supply 102, an inverter unit 104, a primary coil unit 105, a capacitance detection sensor 106 (hereinafter referred to as a sensor 106), and a microcomputer, for example.
  • the power supply apparatus side control unit 107 (hereinafter referred to as the control unit 107), a power supply power detection unit 108, and a position detection unit 109 are provided.
  • the power receiving apparatus 110 includes a secondary coil unit 111, a rectifying unit 112, a battery (load) 113, a power receiving apparatus side control unit 114 (hereinafter referred to as a control unit 114) that is a microcomputer, and an output.
  • a control unit 114 that is a microcomputer, and an output.
  • An electric power detection unit 115 and a position detection unit 116 are provided.
  • the commercial power supply 102 is, for example, a 200 V commercial power supply that is a low-frequency AC power supply, and is connected to the input terminal of the power supply unit 103 via the power supply power detection unit 108.
  • the output end of the power supply unit 103 is connected to the input end of the inverter unit 104, and the output end of the inverter unit 104 is connected to the primary coil unit 105.
  • the power supply unit 103 converts AC power into DC power and supplies it to the inverter unit 104.
  • the inverter unit 104 performs a switching operation according to the control of the control unit 107, converts the power from the power supply unit 103 into AC power, and supplies the AC power to the primary coil unit 105.
  • the primary coil unit 105 is laid on the ground, for example, and the power supply unit 103 is arranged, for example, separated from the primary coil unit 105 by a predetermined distance.
  • the power (voltage and current) output from the commercial power source 102 is detected by the feed power detection unit 108, and the detection signal is output to the control unit 107.
  • the feeding power detection unit 108 may detect the magnitude of the power output from the feeding device 101.
  • the output end of the secondary coil unit 111 is connected to the input end of the rectifying unit 112, and the output end of the rectifying unit 112 is connected to a battery 113 as a load.
  • the secondary coil unit 111 generates an induced electromotive force by the magnetic flux from the primary coil unit 105.
  • the rectifying unit 112 rectifies the power generated by the secondary coil unit 111 and supplies the rectified power to the battery 113.
  • the power (voltage and current) supplied to the battery 113 is detected by the output power detection unit 115, and the detection signal is output to the control unit 114.
  • the secondary coil unit 111 is attached to the bottom of the vehicle body such as a chassis, for example. Further, the output power detection unit 115 may detect the magnitude of the power supplied to the power receiving apparatus 110.
  • the position detection unit 109 of the power supply apparatus 101 receives a high-frequency magnetic field having a constant frequency generated by the position detection unit 116 of the power reception apparatus 110.
  • the control unit 107 grasps the positional relationship between the power feeding device 101 and the power receiving device 110, specifically, the positional relationship between the primary coil unit 105 and the secondary coil unit 111, from the magnetic field level of the high-frequency magnetic field received by the position detection unit 109. .
  • the control unit 107 notifies the control unit 114 that charging is possible via wireless communication. .
  • control unit 114 When the control unit 114 receives the notification from the control unit 107, the control unit 114 performs wired communication to a vehicle control device (not shown) to transmit that charging is possible.
  • a vehicle control device (not shown) receives a notification that charging is possible, and outputs a charge start command to the control unit 114 upon receiving a user operation.
  • control unit 114 determines a power command value corresponding to the remaining voltage of the battery 113, and transmits this power command value to the control unit 107.
  • control unit 114 transmits an output power value indicating the power detected by the output power detection unit 115 to the control unit 107.
  • the control unit 107 compares the power command value received from the control unit 114 with the output power value, and drives and controls the inverter unit 104 so that the power supply apparatus 101 can supply desired output power. Note that the control unit 114 may transmit only the power command value to the control unit 107.
  • control unit 107 drives and controls the inverter unit 104 based on a comparison result between a value indicating the power supplied to the primary coil unit 105 or a value indicating the power detected by the power feeding power detection unit 108 and the power command value. do it.
  • control unit 107 drives and controls the inverter unit 104 so that the switching frequency of the inverter unit 104 becomes 20 kHz to 30 kHz, for example. This is to reduce the high frequency loss of the inverter unit 104 and the primary coil 122 as much as possible while preventing the drive frequency from becoming an audible frequency range. Since the inverter unit 104 is driven at 20 kHz to 30 kHz, the fundamental wave of the magnetic flux generated from the primary coil 122 has the same frequency.
  • control unit 114 controls the power command value to the control unit 107 based on the power detected by the output power detection unit 115 so that no overcurrent or overvoltage is applied to the battery 113. To change.
  • FIG. 2 is an external view of the non-contact power transmission apparatus of FIG.
  • the secondary coil unit 111 and the primary coil unit 105 are arranged to face each other by appropriately moving the vehicle, and the control unit 107.
  • the inverter unit 104 is driven and controlled.
  • a high frequency electromagnetic field is formed between the primary coil unit 105 and the secondary coil unit 111.
  • the power receiving device 110 takes out electric power from a high-frequency electromagnetic field and charges the battery 113 with the taken out electric power.
  • the sensor 106 is for detecting whether or not there is a foreign substance in the high-frequency electromagnetic field region and the vicinity thereof, and is provided, for example, in the primary coil unit 105 of the power supply apparatus 101 as shown in FIG. Details of the sensor 106 will be described later.
  • the “foreign matter” in the present invention is an object such as a person or an object that may enter the high-frequency electromagnetic field region, and in particular, may increase the temperature by an electromagnetic field and cause expansion damage. It refers to a piece of metal.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a configuration example of a capacitance detection type sensor.
  • the sensor 106 measures, for example, the capacitance between the electrode and the foreign material, and is configured to detect the foreign material based on a change in the measured capacitance.
  • the sensor 106 includes an electrode 117, a voltage supply unit 118 that supplies an AC voltage, a C / V conversion unit 119 as a capacitance measurement unit, and a signal processing unit 120.
  • the frequency of the AC voltage supplied from the voltage supply unit 118 is, for example, 10 times the frequency of the magnetic flux generated from the primary coil 122, and is set to about 200 kHz.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view of the power feeding device.
  • the sensor 106 and the electrode 117 are installed on the back side (inside space) of the cover 121 that covers the primary coil unit 105.
  • the cover 121 of the primary coil unit 105 is attached so as to cover the primary coil 122 from above in order to protect the primary coil 122.
  • the electrode 117 of the sensor 106 is installed between the cover 121 and the primary coil 122 so that the electrostatic capacitance between the electrode 117 and the foreign matter 123 existing around the cover 121 can be measured. That is, the electrode 117 is disposed on the back side of the cover 121 so as to be protected from an impact from the outside of the cover 121.
  • the electrode 117 may be incorporated in the cover 121 so as not to be exposed to the outside.
  • the voltage supply unit 118 applies a predetermined potential with respect to the ground (GND) potential to the electrode 117.
  • GND ground
  • a capacitance C1 is generated between the electrode 117 and the foreign matter 123.
  • the capacitance C1 is expressed by Equation 1.
  • Equation 1 ⁇ 0 is a dielectric constant of vacuum, ⁇ r is a relative dielectric constant, S is a minimum area where the electrode 117 and the foreign material 123 are opposite to each other, and d is a distance between the electrode 117 and the foreign material 123.
  • the C / V conversion unit 119 converts the capacitance C1 into a voltage value.
  • the C / V conversion unit 119 converts the capacitance C1 + C2 into a corresponding voltage value.
  • the signal processor 120 performs a process for generating a signal corresponding to the voltage value converted by the C / V converter 119.
  • the signal processing unit 120 is provided with a processing time based on the frequency of the AC voltage supplied from the voltage supply unit 118.
  • the processing time in the signal processing unit 120 is a time synchronized with one cycle of a frequency of 200 kHz.
  • the signal processing unit 120 starts signal processing after a delay time that takes into account the time required for the C / V conversion unit 119 to measure the capacitance.
  • the signal processing unit 120 completes the signal processing and outputs a detection reset signal to the C / V conversion unit 119.
  • the C / V conversion unit 119 returns to the initial state by the detection reset signal.
  • the signal processing unit 120 transmits a signal corresponding to the voltage value converted by the C / V conversion unit 119, that is, a signal corresponding to the capacitance C1 + C2, to the control unit 107 of the power supply apparatus 101 illustrated in FIG.
  • a voltage or current is applied from the primary coil 122 to the C / V conversion unit 119 via the electrode 117 due to the influence of the magnetic flux from the primary coil 122 and the electric field generated secondary.
  • the C / V conversion unit 119 measures the capacitance based on the voltage or current applied to itself, regardless of the AC voltage from the voltage supply unit 118 and the magnetic flux from the primary coil 122. Therefore, the magnetic flux from the primary coil 122 and the voltage or current resulting from the electric field can cause errors in the capacitance measurement.
  • the frequency of the AC voltage is set to be about 10 times higher than the frequency of the magnetic flux
  • the change of the magnetic flux and the electric field is very much during the time when the signal processing unit 120 performs the signal processing. It is small and can be regarded as a direct current component. That is, capacitance is generated only by the AC voltage, and the capacitance can be measured, so that the influence of changes in magnetic flux and electric field is almost eliminated.
  • the C / V conversion unit 119 returns to the initial state every time the signal processing unit 120 completes the signal processing, that is, every cycle of 200 kHz, the cumulative influence of the magnetic flux and the electric field can be eliminated.
  • the influence of the magnetic flux can be eliminated by setting the frequency of the AC voltage supplied from the voltage supply unit 118 to be higher than the frequency of the magnetic flux.
  • the foreign object can be reliably detected by the sensor 106.
  • the control unit 107 compares the detection signal output from the signal processing unit 120 with a threshold value set inside.
  • the threshold value is used to determine whether or not the detection result of the sensor 106 is valid, that is, whether or not a foreign substance actually exists.
  • the control unit 107 determines that the detection result of the sensor 106 is appropriate, that is, there is a foreign object, and shifts to a predetermined operation mode when there is a foreign object.
  • the control unit 107 also has a function of determining whether or not a foreign substance actually exists.
  • 5 and 6 are external views showing an example of the configuration of the electrodes of the capacitance detection type sensor.
  • the sensor 106 uses the electrode 117 provided in the same range as the primary coil 122 in a plan view to enter the cover 121 in order to prevent problems such as excessive temperature rise due to magnetic flux that has entered. Detect foreign objects.
  • a cut 124 is provided in the electrode 117 as shown in FIG. Occurrence of eddy currents can be prevented by cutting.
  • FIG. 6 even if the divided electrodes 117 are arranged in a range almost the same as that of the primary coil 122 in plan view, similarly to the case shown in FIG. It is possible to ensure a sufficient detection range while preventing the above.
  • the detection accuracy can be improved by correcting the determination criterion for the entry of foreign matter.
  • size of the electrode 117 is arbitrary, it is preferable to arrange
  • the vehicle is stopped at an appropriate position so that the secondary coil unit 111 of the power receiving device 110 mounted on the vehicle and the primary coil unit 105 of the power feeding device 101 face each other.
  • the position detection unit 116 generates a high-frequency magnetic field having a constant frequency in response to a command from the control unit 114.
  • the position detection unit 109 receives the magnetic field level of the high-frequency magnetic field from the position detection unit 116 (the arrow of the position detection magnetic field in FIG. 1), and notifies the control unit 107 of the received magnetic field level.
  • the control unit 107 grasps the positional relationship between the primary coil unit 105 and the secondary coil unit 111 based on the magnetic field level.
  • the sensor 106 When the control unit 107 determines that the positional relationship is appropriate, the sensor 106 starts the capacitance measuring operation in step S2.
  • the capacitance measured by the sensor 106 at this time that is, the detection parameter that is the detection result of the sensor 106 is stored in the control unit 107 as an initial value when there is no foreign object 123.
  • the sensor 106 has an operation mode in which the control unit 107 is initially set.
  • the initial capacitance may change, for example, when the sensor 106 or the cover 121 is slightly deformed or when water or dust adheres to the cover 121. is there.
  • setting the initial value is very important, while the capacitance itself is a very small value. Since it is easily affected by the surrounding environment, it is essential to set an initial value that is a detection parameter, that is, initialization. For example, when the initial value of the capacitance is set as a fixed value when the sensor 106 is shipped, the capacitance is measured in consideration of the influence caused by the environment where the sensor 106 is installed. Because it becomes impossible.
  • Electrodes 117 are used for measuring the capacitance by the sensor 106, and the electromagnetic field region on the cover 121 covering the primary coil unit 105 is the target of the foreign matter detection region. That is, the sensor 106 detects a foreign object by measuring the capacitance generated in the electromagnetic field region on the cover 121.
  • step S3 when the control unit 107 determines that the distance between the primary coil unit 105 and the secondary coil unit 111 is large based on the magnetic field level received by the position detection unit 109, the data stored in advance. Based on the table, the threshold value for determining the presence / absence of foreign matter, that is, the validity of the foreign matter detection result is corrected. This is because an increase in the high-frequency magnetic field generated from the primary coil 122 during power feeding causes an error in capacitance measurement, and as a result, a foreign object may be erroneously detected or a foreign object detection error may increase. This is to correct that the influence of the metal part (foreign matter) is reduced by the fact that the sensor 106 and the secondary coil unit 111 are moved away from each other.
  • the primary coil unit 105 and the secondary coil unit 111 It is necessary to hold the control unit 107 as a data table in which the positional relationship and the threshold correction value are associated with each other.
  • This data table is set according to the positional relationship between the primary coil unit 105 and the secondary coil unit 111, that is, the magnetic field level received by the position detection unit 109.
  • the control unit 107 can change the threshold value according to the states of the power receiving device 110 and the power feeding device 101.
  • step S4 when the control unit 107 receives the power command value from the control unit 114, the control unit 107 instructs the inverter unit 104 to start power transmission. Thereby, the switching operation by the inverter unit 104 is started, and power supply from the primary coil unit 105 to the secondary coil unit 111 is started.
  • step S5 the control unit 107 corrects the threshold value based on the data table stored in advance according to the output power value received from the control unit 114. This is because the foreign matter detection error increases when the frequency of the high-frequency magnetic field from the primary coil 122, which changes according to the output power value and the state of the battery 113, is close to the operating frequency of the voltage supply unit 118 of the sensor 106. Another object of the present invention is to correct an increase in foreign object detection error when the high-frequency magnetic field from the primary coil 122 is large and the output power value is large.
  • This data table is set according to the detection output of the output power detection unit 115. For example, the output power value and the correction value of the threshold value are associated with each other.
  • the sensor 106 measures the capacitance, and overwrites the initial value of the control unit 107 with this measurement result. That is, the sensor 106 continues to measure the capacitance during power supply, and the control unit 107 stores the measured capacitance as a corrected initial value when there is no foreign object 123.
  • the voltage from the primary coil 122 to the C / V conversion unit 119 via the electrode 117 is influenced by the magnetic flux from the primary coil 122 and the electric field generated secondary. Or an electric current is applied.
  • the C / V conversion unit 119 measures the capacitance while being influenced by not only the AC voltage from the voltage supply unit 118 but also the voltage / current from the primary coil 122. That is, even if there is no foreign object 123, it is detected that the capacitance has changed, and if the initial value is a fixed value, it may be erroneously detected that there is the foreign object 123 without the foreign object 123. is there.
  • the initial value when there is no foreign object after the start of power transmission is corrected. That is, the sensor 106 has an operation mode for changing an initial value that is a detection parameter.
  • the influence of the magnetic flux from the primary coil 122 can be eliminated by updating the initial value during power transmission.
  • the electrode 117 is provided with the cut 124 as described above, the influence of the magnetic flux is suppressed. Therefore, the adjustment of the corrected initial value is relatively small as compared with the change in the capacitance when the foreign object 123 is placed on the cover 121.
  • step S ⁇ b> 6 the control unit 107 compares the amount of change in the measured capacitance value of the sensor 106 (hereinafter referred to as measured capacitance) from the corrected initial value with the threshold value, and enters the foreign matter that enters. It is determined whether or not there is a change in capacitance due to.
  • step S6 when the amount of change from the corrected initial value of the measured capacitance exceeds the threshold value (YES limb in step S6), it is determined that a foreign object has entered, and the expansion damage due to overheating of the foreign object is prevented. Therefore, the process proceeds to step S7, and foreign matter processing for controlling transmission power is performed.
  • step S6 NO limb in step S6
  • step S8 the controller 107 causes the inverter unit 104 to continue power transmission.
  • FIG. 7B is a flowchart showing details of the foreign matter processing in step S7 in FIG.
  • step S21 the user is notified by a display or sound that foreign matter has entered the periphery of the cover 121.
  • step S22 the amount of change from the corrected initial value of the measured capacitance is compared with the secondary threshold value for determining the presence or absence of foreign matter, and the factors of change with time and the risk are included. Make detailed decisions.
  • the temporal change factor means a change in capacitance due to an environmental change during power supply, such as a temperature rise of a component included in the non-contact power transmission device or a climate change.
  • the secondary threshold means a value obtained by adding a constant value to the threshold in consideration of a temporal change factor, a danger limit value obtained from the design data for the capacitance at the time of entry of a foreign object, and the like.
  • step S22 when it is determined that the amount of change from the corrected initial value of the measured capacitance exceeds the secondary threshold (YES in step S22), the process proceeds to step S23, and the control unit 107 Control is performed to reduce the transmission power, such as reducing the transmission power from the primary coil unit 105 to the secondary coil unit 111 by a predetermined amount (for example, 1/2) or stopping the power transmission. Further, in step S24, the user is notified by means of a display or sound that the transmission power is controlled by the entry of foreign matter, and the foreign matter processing is terminated.
  • a predetermined amount for example, 1/2
  • step S22 if it is determined in step S22 that the amount of change from the corrected initial value of the measured capacitance is equal to or less than the secondary threshold (NO in step S22), the foreign matter bypasses steps S23 and S24. The process ends.
  • step S9 of FIG. 7A when there is an instruction to interrupt power transmission for reasons such as removal of a foreign object by a person or use of a car (YES in step S9), the process proceeds to step S11, and the control unit 107 performs an inverter.
  • the unit 104 is instructed to end power transmission, the power supply from the primary coil unit 105 to the secondary coil unit 111 is stopped, and the sensor 106 ends the capacitance measurement operation.
  • step S9 when there is no instruction to interrupt power transmission (NO in step S9), the process proceeds to step S10, where it is determined whether or not charging is completed, and in the case where charging is not completed (NO in step S10). Returns to step S5, and when charging is complete (YES in step S10), the power supply is terminated in step S11 and the foreign object detection operation is terminated.
  • the power supply apparatus 101 includes the sensor 106 that can detect an object existing around the cover 121.
  • the capacitance measured by the sensor 106 is stored in the control unit 107 as an initial value.
  • the capacitance can be measured without being influenced by the installation state of the sensor 106 and the surrounding environment.
  • this embodiment demonstrated the case where the sensor 106 was installed in the primary coil unit 105 of the electric power feeder 101, this invention is not limited to this. Instead of such a case, for example, a case where the sensor 106 is installed in the secondary coil unit 111 of the power receiving apparatus 110 may be used. Further, the sensor 106 may be installed in each of the primary coil unit 105 of the power feeding apparatus 101 and the secondary coil unit 111 of the power receiving apparatus 110.
  • FIG. 3 shows a case where the C / V conversion unit 119 detects a change in capacitance as a capacitance detection method of the sensor 106, but the present invention is not limited to this.
  • a voltage having a frequency that resonates with the electrostatic capacity between the electrode 117 and its periphery is applied to the electrode 117, and the capacitance changes when the foreign object 123 approaches. Since the resonance frequency changes and the voltage amplitude changes, a change in capacitance may be detected.
  • a voltage having a frequency that resonates with the electrostatic capacity between the electrode 117 and its periphery is applied to the electrode 117, and the electrostatic capacity changes when the foreign object 123 approaches.
  • a change in capacitance may be detected because the resonance frequency changes and the flowing current changes.
  • the frequency of the fundamental wave of the magnetic flux is set to 20 kHz to 30 kHz and the frequency of the AC voltage supplied from the voltage supply unit 118 is set to 200 kHz has been described as an example. Not limited to only about. For example, when the frequency of the fundamental wave of magnetic flux is 100 kHz, the frequency of the AC voltage may be set higher than that.
  • the degree of influence on the sensor 106 varies depending on the strength of the magnetic flux, for example, when the strength of the magnetic flux is low, even if the frequency of the magnetic flux and the frequency of the AC voltage are set to close values, sufficient electrostatic capacity is obtained. Measurement accuracy can be ensured.
  • the signal processing unit 120 performs signal processing in synchronization with the voltage supply unit 118 and the processing is completed for each cycle of the frequency of the AC voltage has been described as an example. It is not something. If the signal processing is completed in a sufficiently short period with respect to the frequency of the magnetic flux, the influence of the magnetic flux can be eliminated even if the signal processing is performed over a plurality of cycles of the frequency of the AC voltage.
  • a low-pass filter that sufficiently attenuates the signal of the frequency component of the magnetic flux, or an alternating current You may install detection filters, such as a band pass filter which allows only the frequency of a voltage to pass.
  • the frequency of the magnetic flux is set to be relatively high, the frequency of the AC voltage is set to be higher than that, and the processing speed of the signal processing unit 120 is set to be high. This is effective when the error is not sufficient and the error becomes large.
  • the electrode 117 has been shown to be disposed on the back side of the cover 121, it is not limited to this.
  • a configuration in which the electrode 117 is embedded in the cover 121 may be employed. In this case, since the distance between the foreign matter 123 and the electrode 117 can be reduced, the detection sensitivity is improved, and the foreign matter can be detected more stably.
  • FIGS. 5 and 6 show the case where the electrode 117 has a certain area
  • the present invention is not limited to this.
  • the electrode is not looped and its end is electrically opened so that an eddy current is not generated by the high-frequency magnetic field generated from the primary coil 122. .
  • a slit is finely formed in the electrode 117 so that a loop through which an eddy current flows is limited.
  • two determination criteria of a threshold value and a secondary threshold value are provided and processing such as foreign object detection is performed step by step.
  • the threshold value and the secondary threshold value may be the same value, and processing such as foreign object detection may be performed based on one determination criterion. That is, it may be determined whether a foreign substance actually exists using one threshold value.
  • the present invention is not limited to this.
  • the sensitivity of the sensor 106 may be adjusted according to the magnitude of the power supply power, the output power, the current flowing through the primary coil 122, and the like. As these magnitudes increase, the change in magnetic flux generated in the primary coil 122 increases with respect to the change in AC voltage from the voltage supply unit 118. Therefore, by integrating the signal in the signal processing unit 120 that performs signal processing in synchronization with the voltage supply unit 118, the detection accuracy of the foreign matter 123 is improved while eliminating the influence of magnetic flux that is not synchronized with the voltage supply unit 118. Is possible. When the integration processing is performed by the signal processing unit 120, it may take time to detect the foreign matter 123, but since the detection is completed within several tens of milliseconds, the detection speed does not become a problem in actual use.
  • the detection parameters of the sensor 106 the voltage level and frequency of the voltage supply unit 118, the integration period of the C / V conversion unit 119, the synchronization timing between the signal processing unit 120 and the voltage supply unit 118, and the like may be used. When these are used, the foreign matter 123 can be accurately detected by appropriately initializing and adjusting them.
  • a radar system that detects the presence or absence of a foreign object by radiating radio waves within a certain range may be installed in the vicinity of the primary coil unit 105. In this case, even when the vehicle is not parked in the vicinity of the primary coil unit 105, foreign object detection can always be performed. If a foreign object is detected before the start of charging, the user may be notified of the presence of the foreign object with a sound or the like to prompt confirmation of the foreign object.
  • an extendable secondary cover may be provided on the cover 121, and the secondary cover may cover the cover 121 when not charged. In this way, for example, even if foreign matter exists on the secondary cover before the start of charging, the secondary cover contracts at the start of charging, thereby creating a state where there is no foreign matter on the cover 121. .
  • the cover 121 may be vibrated to screen out foreign matter, or the wiper-like surface may be wiped off the top surface of the cover 121 to create a state where there is no foreign matter.
  • an example of adjusting the initial value in a state where there is no foreign matter after the start of power transmission is given, and the effect of magnetic flux can be suppressed by providing the cut 124 in the electrode 117, so the foreign matter 123 is placed on the cover 121.
  • the adjustment of the corrected initial value is relatively small compared to the change in capacitance at the time, but when the influence of the magnetic flux or electric field from the primary coil 122 is large, a stable potential of the circuit or the ground around the electrode 117 Another electrode connected to may be provided.
  • the current that flows to the capacitance due to the magnetic flux or electric field does not flow to the C / V converter 119 or the like, but flows to the stable potential of the circuit or the ground through the electrode. Can be suppressed.
  • the coil used in the non-contact power transmission device according to the present embodiment may be a plate type or solenoid type coil.
  • non-contact charging device used for non-contact power transmission In the non-contact charging device used for non-contact power transmission according to the present invention, foreign objects that have entered the vicinity of the electromagnetic field region for power feeding from the power feeding device to the power receiving device can be reliably detected. This is useful for feeding power to a power receiving device of an electric propulsion vehicle that may inadvertently or accidentally approach.

Abstract

　非接触充電装置は、受電装置（１１０）と、入力された交流電流により磁束を発生する一次コイル（１２２）と、一次コイル（１２２）を覆うカバー（１２１）とを有し、受電装置（１１０）に非接触で電力を供給する給電装置（１０１）と、異物（１２３）との間の静電容量を測定することでカバー（１２１）周辺に存在する当該異物（１２３）を検知する静電容量検知方式センサ（１０６）と、給電装置（１０１）から受電装置（１１０）への電力伝送前における静電容量検知方式センサ（１０６）の検知結果である検知パラメータを初期値として記憶する制御部（１０７）とを備えている。

Description

非接触充電装置
　本発明は、例えば電気自動車やプラグインハイブリッド車のような電気推進車両等の充電に用いられる非接触充電装置に関する。
　図８は、従来の非接触充電装置６の構成を示す模式図である。図８において、地上側の電源９の電源盤に接続された非接触給電装置（１次側）Ｆが、電気推進車両に搭載された受電装置（２次側）Ｇに対し、給電時において、物理的接続なしに空隙空間であるエアギャップを介して対峙するよう配置される。このような配置状態で、給電装置Ｆに備わる一次コイル７に交流電流が与えられ磁束が形成されると、受電装置Ｇに備わる二次コイル８に誘導起電力が生じ、これによって、一次コイル７から二次コイル８へと電力が非接触で伝達される。
　受電装置Ｇは、例えば車載バッテリー１０に接続され、上述したように伝達された電力によって車載バッテリー１０が充電される。この車載バッテリー１０に蓄積された電力により車載のモータ１１が駆動される。なお、非接触給電処理の間、給電装置Ｆと受電装置Ｇとの間では、例えば無線通信装置１２により必要な情報交換が行われる。
　図９は、給電装置Ｆ及び受電装置Ｇの内部構造を示す模式図である。特に、図９（Ａ）は、給電装置Ｆを上方から、または受電装置Ｇを下方から見たときの内部構造を示す模式図である。図９（Ｂ）は、給電装置Ｆ及び受電装置Ｇを側方から見たときの内部構造を示す模式図である。
　図９において、給電装置Ｆは、一次コイル７、一次磁心コア１３、背板１５、及びカバー１６等を備える。受電装置Ｇは、二次コイル８、二次磁心コア１４、背板１５、カバー１６等を備えており、簡単に述べると、給電装置Ｆと対称的な構造となっている。一次コイル７と一次磁心コア１３の表面、および二次コイル８と二次磁心コア１４の表面は、それぞれ、発泡材１８が混入されたモールド樹脂１７にて被覆固定されている。
　すなわち、給電装置Ｆおよび受電装置Ｇにおいて、背板１５とカバー１６との間にはモールド樹脂１７が充填され、内部の一次コイル７、二次コイル８、更には一次磁心コア１３、二次磁心コア１４の表面は、被覆固定されている。モールド樹脂１７は、例えばシリコン樹脂製であり、このように内部を固めることにより、一次および二次コイル７，８を位置決め固定し、その機械的強度を確保すると共に、放熱機能も発揮することができる。すなわち、一次および二次コイル７，８は、励磁電流が流れジュール熱により発熱するが、モールド樹脂１７の熱伝導により放熱され、冷却される。
特開２００８－８７７３３号公報
　給電装置Ｆや受電装置Ｇは基本的に屋外に設置されるため、カバー１６上に異物が載ってしまうことが考えられる。特に、異物の一例である金属物が電力伝送の最中にカバー１６に載った場合、そのまま放置しておくと、この金属物が過熱されてしまう。また、特に、一次コイル７と二次コイル８の間に、磁束が鎖交可能なループ状の導電体であるような異物が挿入されると、導電体両端に起電力が発生してしまう。カバー１６上に侵入した異物が過剰に昇温すると、給電装置Ｆや受電装置Ｇに故障などの被害をもたらす可能性がある。以上のことから、電力伝送の最中に、一次コイル７および二次コイル８の間への異物の侵入を確実に検知することが求められる。
　かかる点に鑑み、本発明は、異物の侵入を確実に検知することが可能な非接触充電装置を提供することを目的とする。
　上記課題を解決するため、本発明の一態様に係る非接触充電装置は、受電装置と、入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルを覆うカバーとを有し、前記受電装置に非接触で電力を供給する給電装置と、異物との間の静電容量を測定することで前記カバー周辺に存在する当該異物を検知する静電容量検知方式センサと、前記給電装置から前記受電装置への電力伝送前における前記静電容量検知方式センサの検知結果である検知パラメータを初期値として記憶する制御部とを備えている。
　また、本発明の別の態様は、前記静電容量検知方式センサは、前記給電装置から前記受電装置への電力伝送中における前記検知パラメータで前記初期値を変更する。
　このような構成によれば、静電容量検知方式センサを用いて給電装置のカバー上に物体が存在することを確実に検知できる。また、静電容量検知方式センサを用いることで、物体（異物）が昇温に至る可能性のあるカバー上の広い領域を検知対象とすることができるため、異物を容易かつ確実に検知することができる。よって、侵入した異物が過剰に昇温するのを防止でき、機器の故障など拡大被害を未然に防止でき安全性が向上する。
　また、静電容量検知方式センサは、電極に交流電圧を供給して、電極と異物との間の静電容量を測定するものであるが、静電容量は非常に微小であるために、一次コイルやカバー等の周辺部品や周囲環境、設置状況が測定精度に与える影響が比較的支配的となる。例えば、一次コイルやカバー等の周辺部品とセンサとの間には浮遊容量が存在するが、その容量は一次コイル等とセンサとの間の距離に応じて変化する。この距離は、非接触充電装置の組み立て時のばらつきや経年変化によって変動するため、センサによる静電容量の測定精度に影響が生じうる。また、例えば、センサが車両に取り付けられる場合、その車両の形状によっては、車体と周辺部品との距離の変動に応じて浮遊容量が変化する場合もある。また、電力伝送中は、一次コイルからの磁束や副次的に発生する電界が測定精度に与える影響を無視できない場合がある。
　しかしながら、上述した構成によれば、検知パラメータを変更および初期化することが可能である。例えば、電力伝送前に初期値を設定することにより、設置状況、周辺環境に左右されずに静電容量を安定して測定することができ、また、センサ固有の測定精度のばらつきを抑制することが可能になる。
　また、電力伝送後も一定時間毎に初期値を修正、調整することにより、一次コイルからの磁束等の影響を排除することができる。したがって、給電装置と受電装置との間に存在する異物を確実に検知することができる。
　本発明によれば、カバー近辺への物体の侵入を検知可能な静電容量検知方式センサを備え、また、検知パラメータを初期化および調整することにより、設置状況、周辺環境に左右されずに異物の検知を行うことができる。また、センサ固有のばらつきを吸収することが可能になり、給電装置と受電装置との間の異物を確実に検知することができる。
図１は、一実施形態に係る非接触電力伝送装置のブロック図である。 図２は、図１の非接触電力伝送装置の外観図である。 図３は、図１の静電容量検知方式センサの具体例を示すブロック図である。 図４は、給電装置の部分断面図である。 図５は、静電容量検知方式センサに設けられる電極の構成例を示す外観図である。 図６は、静電容量検知方式センサに設けられる電極の別の構成例を示す外観図である。 図７は、図１の非接触電力伝送装置における異物検知および伝送電力制御処理、ならびに異物を検知した場合の処理を示すフローチャートである。 図８は、従来の非接触電力伝送装置の構成を示す模式図である。 図９は、図８の給電装置と受電装置の内部構造を示す模式図である。
　以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。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い。
　図１は、本発明の一実施形態に係る非接触電力伝送装置のブロック図である。また、図２は車両が駐車スペースで停車した状態の外観図である。図１及び図２に示されるように、非接触電力伝送装置は、例えば駐車スペースに設置される給電装置１０１と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置１１０とを有する。
　給電装置１０１は、商用電源１０２に接続される電源供給部１０３と、インバータ部１０４と、一次コイルユニット１０５と、静電容量検知方式センサ１０６（以下、センサ１０６と表記する。）と、例えばマイコンである給電装置側制御部１０７（以下、制御部１０７と表記する。）と、給電電力検知部１０８と、位置検知部１０９とを備えている。
　一方、受電装置１１０は、二次コイルユニット１１１と、整流部１１２と、バッテリー（負荷）１１３と、例えばマイコンである受電装置側制御部１１４（以下、制御部１１４と表記する。）と、出力電力検知部１１５と、位置検知部１１６とを備えている。
　給電装置１０１において、商用電源１０２は、例えば、低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、給電電力検知部１０８を介して電源供給部１０３の入力端に接続される。電源供給部１０３の出力端はインバータ部１０４の入力端に接続され、インバータ部１０４の出力端は一次コイルユニット１０５に接続されている。
　電源供給部１０３は、交流電力を直流電力に変換してインバータ部１０４へ供給する。インバータ部１０４は、制御部１０７の制御に従ってスイッチング動作を行い、電源供給部１０３からの電力を交流電力に変換して一次コイルユニット１０５に供給する。なお、一次コイルユニット１０５は例えば地上に敷設され、電源供給部１０３は例えば、一次コイルユニット１０５から所定距離だけ離隔して配置される。
　商用電源１０２から出力される電力（電圧及び電流）は、給電電力検知部１０８によって検知され、その検知信号は制御部１０７に出力される。なお、給電電力検知部１０８は、給電装置１０１から出力される電力の大きさを検知してもよい。
　受電装置１１０において、二次コイルユニット１１１の出力端は整流部１１２の入力端に接続され、整流部１１２の出力端は負荷としてのバッテリー１１３に接続されている。二次コイルユニット１１１は、一次コイルユニット１０５からの磁束により誘導起電力を発生させる。整流部１１２は、二次コイルユニット１１１によって生成された電力を整流してバッテリー１１３に供給する。バッテリー１１３に供給される電力（電圧及び電流）は、出力電力検知部１１５によって検知され、その検知信号は制御部１１４に出力される。なお、二次コイルユニット１１１は、例えば、シャーシ等の車体底部に取り付けられる。また、出力電力検知部１１５は、受電装置１１０に供給された電力の大きさを検知してもよい。
　給電装置１０１の位置検知部１０９は、受電装置１１０の位置検知部１１６が発生した一定周波数の高周波磁界を受信する。制御部１０７は、位置検知部１０９が受信した高周波磁界の磁界レベルから、給電装置１０１および受電装置１１０の位置関係、具体的に、一次コイルユニット１０５および二次コイルユニット１１１の位置関係を把握する。その結果、制御部１０７は、一次コイルユニット１０５および二次コイルユニット１１１の位置関係が充電に適切であると判断した場合に、無線通信を介して制御部１１４に充電可能であることを通知する。
　制御部１１４は、制御部１０７からの通知を受けると、車両の制御装置（図示せず）へ有線通信を行い、充電可能であることを伝達する。車両の制御装置（図示せず）は、充電可能であるとの通知を受け取り、かつ使用者の操作を受けると、制御部１１４に対して、充電開始指令を出力する。
　その後、制御部１１４は、バッテリー１１３の残電圧に応じた電力指令値を決定し、この電力指令値を制御部１０７に送信する。また、制御部１１４は、出力電力検知部１１５が検知した電力を示す出力電力値を制御部１０７に送信する。制御部１０７は、制御部１１４から受信した、電力指令値と出力電力値とを比較し、給電装置１０１が所望の出力電力を供給できるようにインバータ部１０４を駆動制御する。なお、制御部１１４は、電力指令値のみを制御部１０７に送信してもよい。この場合、制御部１０７は、一次コイルユニット１０５の供給電力を示す値、あるいは給電電力検知部１０８が検知した電力を示す値と電力指令値との比較結果に基づいて、インバータ部１０４を駆動制御すればよい。
　ここで、制御部１０７は、インバータ部１０４のスイッチング周波数が例えば２０ｋＨｚ～３０ｋＨｚとなるようにインバータ部１０４を駆動制御する。これは、インバータ部１０４および一次コイル１２２の高周波損失を可能な限り低減しつつ、駆動周波数が可聴周波数域にならないようにするためである。また、インバータ部１０４が２０ｋＨｚ～３０ｋＨｚで駆動されるため、一次コイル１２２から発生する磁束の基本波も同様の周波数となる。
　給電装置１０１から受電装置１１０への給電中において、制御部１１４は出力電力検知部１１５が検知した電力に基づいて、バッテリー１１３に過電流や過電圧がかからないように、制御部１０７への電力指令値を変更する。
　図２は、図１の非接触電力電送装置の外観図である。図２に示されるように、給電装置１０１から受電装置１１０に給電する際に、車両を適宜移動することで、二次コイルユニット１１１と一次コイルユニット１０５とが対向して配置され、制御部１０７によってインバータ部１０４が駆動制御される。これにより、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置１１０は、高周波の電磁場から電力を取り出し、取り出した電力でバッテリー１１３を充電する。
　センサ１０６は、高周波の電磁場領域及びその近傍に異物があるかどうかを検知するためのもので、図２に示されるように、例えば給電装置１０１の一次コイルユニット１０５に設けられる。センサ１０６の詳細については後述する。
　なお、本発明における「異物」とは、高周波の電磁場領域に侵入してくる可能性のある人や物などの物体であり、特に、電磁界により昇温して拡大被害をもたらす可能性のある金属片などを指す。
　図３は、静電容量検知方式センサの構成例を示すブロック図である。センサ１０６は、例えば、電極と異物との間の静電容量を測定するものであり、測定する静電容量の変化に基づいて、異物を検知するように構成されている。センサ１０６は、電極１１７と、交流電圧を供給する電圧供給部１１８と、静電容量測定部としてのＣ／Ｖ変換部１１９と、信号処理部１２０とを備える。電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数は、一次コイル１２２から発生する磁束の周波数の例えば１０倍であり、２００ｋＨｚ程度に設定されている。
　図４は、給電装置の部分断面図である。センサ１０６および電極１１７は、具体的には、図４に示されるように、一次コイルユニット１０５を覆うカバー１２１の裏側（内側の空間）に設置されている。一次コイルユニット１０５のカバー１２１は、一次コイル１２２を保護するために、一次コイル１２２を上方から覆うように取り付けられている。センサ１０６の電極１１７は、カバー１２１の周辺に存在する異物１２３との間の静電容量を測定できるように、カバー１２１と一次コイル１２２との間に設置されている。つまり、電極１１７は、カバー１２１の外部からの衝撃などから保護されるように、カバー１２１の裏側に配置される。
　なお、電極１１７は、外部に露出しないようにカバー１２１内部に組み込まれてもよい。
　図３に戻り、電圧供給部１１８は、グランド（ＧＮＤ）電位を基準とする所定の電位を電極１１７に印加する。これにより、電極１１７と異物１２３との間に静電容量Ｃ１が発生する。このとき、静電容量Ｃ１は、数式１で表現される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　数式１において、ε０は真空の誘電率、εｒは比誘電率、Ｓは電極１１７と異物１２３が対極する最小面積、ｄは電極１１７と異物１２３の間の距離である。
　Ｃ／Ｖ変換部１１９は、静電容量Ｃ１を電圧値に変換する。ここでは、異物１２３とＧＮＤ電位との間の静電容量Ｃ２とした場合、Ｃ／Ｖ変換部１１９は、静電容量Ｃ１＋Ｃ２を、対応する電圧値に変換することとする。
　信号処理部１２０は、Ｃ／Ｖ変換部１１９によって変換された電圧値に対応する信号を生成するための処理を行う。信号処理部１２０には、電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数に基づいた処理時間が設けられている。本実施形態では、信号処理部１２０における処理時間は、２００ｋＨｚの周波数の１周期と同期した時間となる。電圧供給部１１８から交流電圧が供給されると、信号処理部１２０は、Ｃ／Ｖ変換部１１９が静電容量を測定するために必要な時間を加味した遅延時間後に信号処理を開始する。その後、周波数２００ｋＨｚの１周期が経過すると、信号処理部１２０は信号処理を完了し、Ｃ／Ｖ変換部１１９に検知リセット信号を出力する。Ｃ／Ｖ変換部１１９は検知リセット信号により初期状態に戻る。
　信号処理部１２０は、Ｃ／Ｖ変換部１１９によって変換された電圧値に対応する信号、すなわち静電容量Ｃ１＋Ｃ２に対応する信号を、図１に示す給電装置１０１の制御部１０７に送信する。
　給電中において、一次コイル１２２からの磁束、及び副次的に発生する電界の影響により、一次コイル１２２から電極１１７を介してＣ／Ｖ変換部１１９に、電圧又は電流が印加される。Ｃ／Ｖ変換部１１９は、電圧供給部１１８からの交流電圧、および一次コイル１２２からの磁束に関係なく、自身に印加された電圧又は電流に基づいて静電容量を測定する。したがって、一次コイル１２２からの磁束、および電界に起因する電圧又は電流は、静電容量の測定において誤差の要因となりうる。
　しかしながら、本実施形態では、磁束の周波数に対して交流電圧の周波数を約１０倍高く設定しているため、信号処理部１２０が信号処理を行なっている時間において、磁束や電界の変化は非常に小さく、ほぼ直流成分として見なすことができる。つまり、交流電圧によってのみ静電容量が生じることになり、その静電容量を測定することができるため、磁束および電界の変化による影響はほぼ排除されることになる。
　また、Ｃ／Ｖ変換部１１９は、信号処理部１２０が信号処理を完了するたび、つまり２００ｋＨｚの１周期毎に初期状態に戻るため、磁束および電界の累積的な影響も排除することができる。
　このように、電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数を、磁束の周波数よりも高く設定することで、磁束の影響を排除することができる。換言すると、センサ１０６によって異物を確実に検知することができる。
　制御部１０７は、信号処理部１２０から出力された検知信号と、内部に設定しているしきい値とを比較する。しきい値は、センサ１０６の検知結果が妥当であるか否か、すなわち、異物が実際に存在するか否かを判定するためのものである。制御部１０７は、検知信号の値がしきい値を超えている場合、センサ１０６の検知結果が妥当、つまり異物があると判断して、異物が存在した場合における所定の動作モードに移行する。このように、制御部１０７は、異物が実際に存在するか否かを判定する機能も有する。
　図３及び図４において、異物１２３が電極１１７に接近すれば、数式１のｄが小さくなるためＣ１が大きくなる。その結果、センサ１０６によって測定される静電容量が増加し、異物１２３の検知精度が向上する。したがって、センサ１０６を適切な位置に設ければ、給電装置１０１のカバー１２１周辺からの異物の侵入を確実に検知することができる。
　図５及び図６は、静電容量検知方式センサの電極の構成例を示す外観図である。センサ１０６は、侵入した異物が磁束により過剰に昇温するなどの不具合を防止するため、平面視で一次コイル１２２とほぼ同様の範囲に設けた電極１１７を使用して、カバー１２１上に侵入する異物の検知を行う。
　なお、電極１１７自体にも一次コイル１２２の磁束により、渦電流が流れて昇温等の不具合が発生するおそれがあるため、図５に示すように、電極１１７に切れ目１２４を設けて電流経路を寸断することで、渦電流の発生を防止できる。また、図６に示すように、分割した複数の電極１１７を、平面視で一次コイル１２２とほぼ同様の範囲に配置しても、図５に示す場合と同様に渦電流による昇温等の不具合を防止しながら十分な検知範囲を確保することができる。
　また、図６のように複数の電極１１７を分割して配置した場合、電極１１７個々の検知結果を比較することで、異物の侵入位置や大きさを識別することが可能となる。また、各電極１１７の検知結果が同様の変化傾向を示す場合は、全ての電極１１７が経時変化などによる影響を受けたと判断することができる。そのため、異物侵入の判断基準を修正することで検知精度を高めることができる。なお、電極１１７の大きさは任意であるが、異物を検知するために必要な範囲をカバーできるように電極１１７を配置することが好ましい。
　次に、図７（Ａ）および図７（Ｂ）のフローチャートを参照しながら、異物検知と伝送電力制御について説明する。
　図７（Ａ）のステップＳ１において、車両に搭載された受電装置１１０の二次コイルユニット１１１と、給電装置１０１の一次コイルユニット１０５とが対向するように、車両を適切な位置に停車させる。
　その後、位置検知部１１６は、制御部１１４からの指令によってから一定周波数の高周波磁界を発生する。位置検知部１０９は、位置検知部１１６から高周波磁界の磁界レベルを受信し（図１中の位置検知磁界の矢印）、受信した磁界レベルを制御部１０７に通知する。制御部１０７は、磁界レベルに基づいて、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１の位置関係を把握する。
　制御部１０７が位置関係が適切であると判断した場合、ステップＳ２において、センサ１０６が静電容量測定動作を開始する。そして、この時点においてセンサ１０６が測定した静電容量、つまりセンサ１０６の検知結果である検知パラメータは、制御部１０７において、異物１２３がない場合の初期値として記憶される。このように、電力が供給される前において、センサ１０６は、制御部１０７に初期設定を行う動作モードを有する。
　検知パラメータである初期値が設定されなければ、例えば、センサ１０６やカバー１２１がわずかに変形したり、カバー１２１上に水や塵等が付着することによって、初期の静電容量が変化する場合がある。後述するが、異物１２３の有無は、静電容量の初期値からの変化量で判別されるため、初期値の設定は非常に重要である一方、静電容量そのものは非常に小さい値であって周囲環境からの影響を受けやすいため、検知パラメータである初期値の設定、つまり初期化は必須となる。例えば、センサ１０６の出荷時などに静電容量の初期値を固定値として設定している場合には、センサ１０６が設置される環境等に起因する影響を考慮して、静電容量を測定することができなくなるからである。
　センサ１０６による静電容量の測定には電極１１７が用いられ、一次コイルユニット１０５を覆うカバー１２１上における電磁場領域が、異物の検知領域の対象となる。つまり、センサ１０６は、カバー１２１上における電磁場領域に生じる静電容量を測定することによって異物を検知する。
　ステップＳ３において、制御部１０７は、位置検知部１０９が受信した磁界レベルに基づいて、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間の距離が大きいと判断した場合、あらかじめ記憶されているデータテーブルに基づいて、異物の有無の判定、すなわち異物の検知結果の妥当性を判定するためのしきい値を補正する。これは、給電時に一次コイル１２２から発生する高周波磁界が大きくなることによって、静電容量の測定に誤差が生じ、結果として、異物を誤検知したり異物の検知誤差が大きくなったりする可能性があることや、センサ１０６と二次コイルユニット１１１とが遠ざかることによって、その金属部品（異物）の影響が小さくなることを補正するためである。
　したがって、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間の距離が大きければ大きいほど、しきい値を大きくするといった比例関係の補正ではなく、例えば、一次コイルユニット１０５および二次コイルユニット１１１の位置関係としきい値の補正値とが対応づけられたデータテーブルとして制御部１０７に保持させておくことが必要になる。
　このデータテーブルは、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１の位置関係、すなわち位置検知部１０９が受信した磁界レベルに応じて設定されるものである。このように、制御部１０７は、受電装置１１０および給電装置１０１の状態に応じて、しきい値を変更することができる。
　その後、ステップＳ４において、制御部１０７は、制御部１１４から電力指令値を受信すると、インバータ部１０４に電力伝送開始を指示する。これにより、インバータ部１０４によるスイッチング動作が開始され、一次コイルユニット１０５から二次コイルユニット１１１への電力供給が開始される。
　ステップＳ５においては、制御部１０７は、制御部１１４から受信した出力電力値に応じて、あらかじめ記憶されているデータテーブルに基づいて、しきい値を補正する。これは、出力電力値やバッテリー１１３の状態に応じて変化する、一次コイル１２２からの高周波磁界の周波数と、センサ１０６の電圧供給部１１８の動作周波数とが近い場合に異物の検知誤差が大きくなることや、一次コイル１２２からの高周波磁界が大きく、かつ出力電力値が大きい場合に異物の検知誤差が大きくなることを補正することを目的としたものである。このデータテーブルは、出力電力検知部１１５の検知出力に応じて設定されており、例えば、出力電力値としきい値の補正値とが対応づけられている。
　また、電力供給が開始されてからステップＳ６よりも前において、センサ１０６は静電容量を測定し、この測定結果で、制御部１０７の初期値を上書きする。つまり、センサ１０６は電力供給中において、静電容量の測定を継続し、制御部１０７は、測定された静電容量を、異物１２３がない場合の修正初期値として記憶する。
　一次コイルユニット１０５からの電力伝送が開始されると、一次コイル１２２からの磁束、及び副次的に発生する電界の影響により、一次コイル１２２から電極１１７を介してＣ／Ｖ変換部１１９へ電圧又は電流が印加される。Ｃ／Ｖ変換部１１９は、電圧供給部１１８からの交流電圧だけでなく、一次コイル１２２からの電圧／電流の影響を受けながら静電容量を測定する。つまり、異物１２３がない状態であっても静電容量が変化したように検知してしまい、初期値が固定値であれば、異物１２３がなくても異物１２３があるように誤検知する場合がある。
　しかしながら、本構成においては、電力伝送開始後に異物がない状態での初期値が修正される。つまり、センサ１０６は、検知パラメータである初期値を変更する動作モードを持つことになる。このように、電力伝送中に初期値を更新することで一次コイル１２２からの磁束の影響を排除することができる。
　なお、ここで、電極１１７には、上述したように切れ目１２４が設けられているため、磁束による影響は抑制される。したがって、カバー１２１に異物１２３が載置されたときの静電容量の変化に比べて、修正初期値の調整は比較的小さくなる。
　ステップＳ６において、制御部１０７は、センサ１０６による静電容量の測定値（以下、測定静電容量と表記する）の修正初期値からの変化量としきい値とを比較し、侵入してくる異物による静電容量の変化があるか否かを判定する。
　ステップＳ６において、測定静電容量の修正初期値からの変化量がしきい値を超えている場合（ステップＳ６のＹＥＳ肢）、異物の侵入があると判定され、異物の過熱による拡大被害を防止するため、ステップＳ７に移行し、伝送電力を制御するための異物処理を行う。
　一方、ステップＳ６において、測定静電容量の修正初期値からの変化量がしきい値以下である場合（ステップＳ６のＮＯ肢）、異物の侵入がないと判定され、ステップＳ８において、制御部１０７はインバータ部１０４に電力伝送を継続させる。
　図７（Ｂ）は、図７（Ａ）におけるステップＳ７の異物処理の詳細を示すのフローチャートである。
　異物処理では、まずステップＳ２１において、カバー１２１周辺に異物が侵入したことを、表示や音などによって使用者に告知する。
　次に、ステップＳ２２において、測定静電容量の修正初期値からの変化量と異物の有無を判定するための二次しきい値とを比較して、経時変化要因の排除や危険度を含めた詳細な判断をする。
　ここで、経時変化要因とは、非接触電力伝送装置に含まれる構成要素の温度上昇や、気候変動など、給電中における環境変化による静電容量の変動を意味する。
　また、二次しきい値とは、しきい値に経時変化要因を考慮した一定値を加えた値や、異物侵入時の静電容量を設計データから求めた危険限度値などを意味する。
　ステップＳ２２において、測定静電容量の修正初期値からの変化量が二次しきい値を超えていると判定された場合（ステップＳ２２のＹＥＳ肢）、ステップＳ２３に移行し、制御部１０７が、一次コイルユニット１０５から二次コイルユニット１１１への伝送電力を所定量（例えば、１／２）落とす、あるいは電力伝送を停止するなどの伝送電力を抑制する制御を行う。さらに、ステップＳ２４において、異物侵入により伝送電力を制御していることを表示や音などにより使用者に告知して、異物処理を終了する。
　一方、ステップＳ２２において、測定静電容量の修正初期値からの変化量が二次しきい値以下であると判定された場合（ステップＳ２２のＮＯ肢）、ステップＳ２３、ステップＳ２４を迂回して異物処理を終了する。
　図７（Ａ）のステップＳ９では、人による異物排除や車の使用などの理由により、電力伝送を中断する指示がある場合（ステップＳ９のＹＥＳ肢）、ステップＳ１１に移り、制御部１０７はインバータ部１０４に電力伝送終了を指示し、一次コイルユニット１０５から二次コイルユニット１１１への電力供給が停止され、センサ１０６は静電容量測定動作を終了する。
　ステップＳ９において、電力伝送の中断指示がない場合（ステップＳ９のＮＯ肢）、ステップＳ１０に移り、充電が完了したかどうかを判定し、充電が完了していない場合（ステップＳ１０のＮＯ肢）にはステップＳ５に戻り、充電が完了している場合（ステップＳ１０のＹＥＳ肢）にはステップＳ１１において電力供給を終了するとともに、異物検知動作を終了する。
　以上、本実施形態によれば、給電装置１０１は、カバー１２１周辺に存在する物体を検知可能なセンサ１０６を備えている。そして、電力が供給される前において、センサ１０６が測定した静電容量が初期値として制御部１０７に記憶される。これにより、センサ１０６の設置状況や周辺環境に左右されずに静電容量を測定することができる。また、工場出荷時等においてセンサ固有の測定精度のバラツキを吸収することが可能になる。したがって、一次コイルユニット１０５と二次コイルユニット１１１との間に異物が侵入するのを確実に検知することができる。
　なお、本実施形態では、給電装置１０１の一次コイルユニット１０５にセンサ１０６を設置した場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。このような場合に代えて、例えば、受電装置１１０の二次コイルユニット１１１にセンサ１０６が設置されているような場合であっても良い。さらに給電装置１０１の一次コイルユニット１０５および受電装置１１０の二次コイルユニット１１１のそれぞれにセンサ１０６を設置してもよい。
　また、図３では、センサ１０６の静電容量検知方式として、Ｃ／Ｖ変換部１１９によって、静電容量の変化を検知する場合を示したが、これに限定するものではない。例えば、異物がないときの、電極１１７とその周辺との間の静電容量と共振するような周波数の電圧を電極１１７に印加しておき、異物１２３が近付いたときの静電容量の変化によって共振周波数が変化し、電圧振幅が変化することから静電容量の変化を検知してもよい。
　また、異物がないときの、電極１１７とその周辺との間の静電容量と共振するような周波数の電圧を電極１１７に印加しておき、異物１２３が近付いたときの静電容量の変化によって共振周波数が変化し、流れる電流が変化することから静電容量の変化を検知してもよい。
　また、上述の説明では、磁束の基本波の周波数を２０ｋＨｚ～３０ｋＨｚ、電圧供給部１１８から供給される交流電圧の周波数を２００ｋＨｚに設定した場合を一例として説明したが、本発明はこのような場合についてのみ限定されない。例えば、磁束の基本波の周波数を１００ｋＨｚとした場合には、交流電圧の周波数をそれよりも高く設定すればよい。
　また、磁束の強度によってもセンサ１０６への影響度合いが異なるため、例えば磁束の強度が低い場合には、磁束の周波数と交流電圧の周波数とを近い値に設定しても、十分な静電容量の測定精度を確保することができる。
　また、発明者らによる実験では、磁束の周波数に対して交流電圧の周波数を少なくとも２倍に設定すれば異物の誤検知を抑制できることがわかった。
　また、上述の説明では、信号処理部１２０が電圧供給部１１８に同期して信号処理を行ない、交流電圧の周波数の１周期毎に処理が完了する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。磁束の周波数に対して十分に短い期間で信号処理が完了すれば、交流電圧の周波数の複数周期にまたがって信号処理を行なっても磁束の影響は排除できる。
　また、交流電圧の周波数の高周波化と、信号処理部１２０での信号処理時間を制限することによって、磁束の影響を排除する場合を一例として説明したが、これに限定されるものではない。例えば、電極１１７とＣ／Ｖ変換部１１９との間、またはＣ／Ｖ変換部１１９と信号処理部１２０との間等に、磁束の周波数成分の信号が十分減衰するようなローパスフィルタ、または交流電圧の周波数のみを通過させるバンドパスフィルタなどの検出フィルタを設置してもよい。この場合、信号処理部１２０での信号処理時間を制限する必要がないため、磁束の周波数が比較的高く、交流電圧の周波数がそれよりも高く設定されており、信号処理部１２０の処理速度が十分に取れず、誤差が大きくなるような場合に有効である。
　また、電極１１７は、カバー１２１の裏側に配置される構成を示したが、これに限定されるものではない。例えば、電極１１７がカバー１２１内部に埋設されるような構成であっても良い。この場合、異物１２３と電極１１７との間の距離を小さくすることができるため、検知感度が向上し、さらに安定して異物検知を行うことができる。
　なお、図５及び図６では、電極１１７が一定の面積を持つ場合を示したが、これに限定するものではない。例えば、帯状の電極を設置する場合、一次コイル１２２から発生する高周波磁界によって渦電流が発生しないように、電極をループ状にはせず、その端部を電気的に開放するようにすればよい。
　また、電極１１７の端部同士が電気的に接続されるような場合には、電極１１７に細かくスリットを入れて、渦電流が流れるループが制限されるような形状にすればよい。
　また、図７（Ａ）および（Ｂ）に示す処理では、しきい値と二次しきい値との２つの判定基準を設けて、段階的に異物検知等の処理を行っているが、例えば、しきい値と二次しきい値とを同一の値として、１つの判定基準により異物検知等の処理を行ってもよい。つまり、１つのしきい値を用いて、異物が実際に存在するか否かを判定するようにしてもよい。
　また、異物１２３がないときの初期値を随時更新していく場合を一例として説明したが、これに限定するものではない。例えば、給電電力、出力電力、一次コイル１２２に流れる電流等の大きさに応じて、センサ１０６の感度を調整してもよい。これらの大きさが大きいほど、電圧供給部１１８からの交流電圧の変化に対して、一次コイル１２２に生じる磁束の変化が大きくなる。そのため、電圧供給部１１８に同期して信号処理を行なう信号処理部１２０で信号を積分することにより、電圧供給部１１８に同期しない磁束の影響を排除しつつ、異物１２３の検知精度を向上させることが可能となる。信号処理部１２０で積分処理を行う場合、異物１２３を検知するのに時間がかかるおそれがあるが、数１０ｍｓ以内に検知は完了するため、実使用上検知速度が問題になることはない。
　また、センサ１０６の検知パラメータとして、電圧供給部１１８の電圧レベルおよび周波数、Ｃ／Ｖ変換部１１９の積分周期、ならびに信号処理部１２０と電圧供給部１１８との同期タイミング等を用いてもよいが、これらを用いる場合、いずれも適宜初期化、調整することによって、異物１２３を精度よく検知することが可能になる。
　なお、一次コイルユニット１０５の近傍に、一定の範囲内に電波を放射することによって異物の有無を検知するレーダーシステムを設置してもよい。この場合、車両が一次コイルユニット１０５の近傍に停車していないときであっても常時異物検知を行うことができる。そして、充電開始前に異物を検知した場合には、異物の存在を音などによって使用者に通知し、異物の確認を促すようにすればよい。
　また、カバー１２１上に伸縮可能な二次カバーをさらに設け、充電していない場合には二次カバーがカバー１２１を覆うようにしてもよい。このようにすれば、例えば、充電開始前に二次カバー上に異物が存在していても、充電開始時に、二次カバーが縮むことによって、カバー１２１上に異物がない状態を作り出すことができる。
　また、カバー１２１を振動させることによって異物をふるい落としたり、ワイパー状のものでカバー１２１上面をふきとることで異物がない状態を作り出してもよい。
　また、電力伝送開始後に異物がない状態での初期値を調整する例を挙げ、電極１１７に切れ目１２４を設けることで磁束による影響を抑制することができるため、カバー１２１に異物１２３が載置されたときの静電容量の変化に比べて、修正初期値の調整は比較的小さいとしたが、一次コイル１２２からの磁束や電界の影響が大きい場合、電極１１７の周辺に回路の安定電位あるいはグランドに接続された別の電極を設けてもよい。これにより、磁束や電界によって静電容量に流れる電流は、Ｃ／Ｖ変換部１１９等に流れることなく、電極を通じて回路の安定電位あるいはグランドに流れるため、磁束や電界による初期値変動等への影響を抑制することができる。
　また、本実施形態に係る非接触電力電送装置に用いられるコイルは、プレート型あるいはソレノイド型のコイルであってもよい。
　なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
　本発明に係る非接触電力伝送に用いられる非接触充電装置では、給電装置から受電装置への給電のための電磁場領域の近辺に侵入した異物を確実に検知できるようにしたので、例えば人や物が不注意にあるいは誤って近づく可能性がある電気推進車両の受電装置への給電等に有用である。
　１０１　　　　　給電装置
　１０６　　　　　静電容量検知方式センサ
　１０７　　　　　制御部
　１１０　　　　　受電装置
　１２１　　　　　カバー
　１２２　　　　　一次コイル
　１２３　　　　　異物

Claims (2)

  1. 　受電装置と、
    　入力された交流電流により磁束を発生する一次コイルと、前記一次コイルを覆うカバーとを有し、前記受電装置に非接触で電力を供給する給電装置と、
    　異物との間の静電容量を測定することで前記カバー周辺に存在する当該異物を検知する静電容量検知方式センサと、
    　前記給電装置から前記受電装置への電力伝送前における前記静電容量検知方式センサの検知結果である検知パラメータを初期値として記憶する制御部とを備えている
    ことを特徴とする非接触充電装置。
  2. 　前記静電容量検知方式センサは、前記給電装置から前記受電装置への電力伝送中における前記検知パラメータで前記初期値を変更する
    ことを特徴とする請求項１に記載の非接触充電装置。
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