JP2014113016A - 非接触給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触給電装置において、コイルを収容する筐体の表面に存在する異物を適切に検出する。
【解決手段】磁気的結合によって送電コイル１２と受電コイルとの間で非接触で電力の供給を行う非接触給電システムは、筐体の表面に存在する異物を検出する異物センサ１６（検出部）を有している。ここで、異物センサ１６は、筐体１２０の上面１２１に離散的に配置された複数の熱電対１６０で構成されており、熱電対１６０のそれぞれは、送電コイル１２に発生した磁束に起因する自己昇温の幅が当該熱電対１６０の検出特性から定まる検出誤差の範囲に収まるように、その大きさが設定されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、非接触給電装置に関する。

従来より、一対のコイルの磁気的結合によって非接触で電力の供給を行う非接触給電装置が知られており、電気自動車といった電動車両への適用が進められている。例えば、給電スタンドなどの駐車スペースには交流電源に接続する一方のコイルが設置され、電動車両には、バッテリに接続する他方のコイルが設置されている。そして、駐車スペース側のコイルを一次コイル、電動車両側のコイルを二次コイルとして利用することにより、駐車スペース側の交流電源から車両側のバッテリへと、一方のコイル及び他方のコイルを経由して電力を供給することができる（例えば特許文献１参照）。

特開２０１２−５２３８号公報

ところで、このような非接触給電装置で使用される場合、コイルは筐体に収容した状態で目的箇所に配置されるが、屋外で使用されるものであるため、意図せずに、筐体の表面に鉄等の異物が存在してしまうことがある。このような状態で、電力の供給を行うと、コイルに発生する磁束によって当該異物が加熱されてしまうという事態が起こりえる。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、非接触給電装置において、コイルを収容する筐体の表面に存在する異物を適切に検出することである。

かかる課題を解決するために、本発明は、磁気的結合によって第１のコイルと第２のコイルとの間で非接触で電力の供給を行う非接触給電装置を提供する。この非接触給電装置は、コイルを収容する筐体の表面に存在する異物を検出する検出部を有している。ここで、検出部は、筐体の表面に離散的に配置された複数の熱電対で構成されており、熱電対のそれぞれは、コイルに発生した磁束に起因する自己昇温の幅が当該熱電対の検出特性から定まる検出誤差の範囲に収まるように、その大きさが設定されている。

本発明によれば、検出部を構成する各熱電対の大きさが適切に設定されているので、その熱電対の自己昇温が妨げとなることなく、異物の発熱を適切に検出することができる。これにより、筐体の表面に異物が存在する場合には、これを適切に検出することができる。

非接触給電システムの構成を模式的に示すブロック図 駐車スペースに設置された送電コイル及び異物センサの状態を模式的に示す上面図 薄膜熱電対としての熱電対の構成を模式的に示す説明図 第２の実施形態に係る異物センサによる構成態様を模式的に示す説明図 コイル中心から半径方向外側に向かった距離と磁束密度との関係を示す説明図 第２の実施形態に係る異物センサによる構成態様を模式的に示す説明図

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る非接触給電システムの構成を模式的に示すブロック図である。非接触給電システムは、地上側ユニットである給電装置１００と、車両側ユニットを含む車両２００とを備え、給電装置１００から非接触で電力を供給し、車両２００に設けられるバッテリ２８を充電するシステムである。

給電装置１００は、車両２００の駐車スペースを備える充電スタンドなどに設置されており、車両２００に対して電力を供給する。この給電装置１００は、電力制御部１１と、送電コイル１２と、無線通信部１４と、制御部１５とを主体に構成されている。

電力制御部１１は、交流電源３００から送電される交流電力を、高周波の交流電力に変換し、送電コイル１２に送電するための回路である。この電力制御部１１は、整流部１１１と、ＰＦＣ（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）回路１１２と、インバータ１１３と、センサ１１４とを備えている。

整流部１１１は、交流電源３００に電気的に接続され、交流電源からの出力交流電力を整流する。ＰＦＣ回路１１２は、整流部１１１からの出力波形を整形することで力率を改善するための回路であり、整流部１１１とインバータ１１３との間に接続されている。インバータ１１３は、平滑コンデンサやＩＧＢＴ等のスイッチング素子、ＰＷＭ制御回路等を含む電力変換装置であり、制御部１５からの制御信号に基づいて、直流電力を高周波の交流電力に変換し、送電コイル１２に供給する。センサ１１４は、ＰＦＣ回路１１２とインバータ１１３との間に接続され、電流や電圧を検出する。

送電コイル１２は、車両２００側の受電コイル２２に対して非接触で電力を供給するためのコイルであり、金属等の導電体からなる導線を巻回して構成されている。この送電コイル１２は、車両２００を駐車する駐車スペースといった目的箇所に設けられており、車両２００が駐車スペースの規定位置に駐車した場合、車両２００側の受電コイル２２の下方に対峙する。

無線通信部１４は、車両２００側に設けられた無線通信部２４と、双方向に通信を行う。無線通信部１４と無線通信部２４との間の通信周波数には、インテリジェンスキーなどの車両周辺機器で使用される周波数より高い周波数が設定されているため、無線通信部１４と無線通信部２４との間で通信を行っても、車両周辺機器は、当該通信による干渉を受けにくい。無線通信部１４及び無線通信部２４との間の通信には、例えば各種の無線ＬＡＮ方式が用いられ、遠距離に適した通信方式が用いられている。

制御部１５は、給電装置１００を総括的に制御する機能を担っている。例えば、制御部１５は、電力制御部１１、送電コイル１２及び無線通信部１４を制御する。制御部１５は、無線通信部１４と無線通信部２４との間の通信により、電力供給を開始する旨の制御信号を車両２００側に送信したり、車両２００側からの電力を受給したい旨の制御信号を受信したりする。制御部１５は、センサ１１４の検出電流に基づいて、インバータ１１３のスイッチング制御を行い、送電コイル１２から供給される電力を制御する。この制御部１５としては、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏインターフェースを主体に構成されたマイクロコンピュータを用いることができる。

また、本実施形態との関係において、制御部１５は、これを機能的に捉えた場合、異物
検出部１５０を備えている。異物検出部１５０は、後述する異物センサ１６からの検出信号に基づいて、送電コイル１２と受電コイル２２との間に存在する異物の検出を行う。なお、異物センサ１６の詳細については後述する。

車両２００は、受電コイル２２と、無線通信部２４と、充電制御部２５と、整流部２６と、リレー部２７と、バッテリ２８と、インバータ２９と、モータ３０と、通知部３２とを備えている。

受電コイル２２は、給電装置１００側の送電コイル１２から非接触で電力を受けるためのコイルであり、金属等の導電体からなる導線を巻回して構成されている。この受電コイル２２は、例えば、車両２００の底面（シャシ）等で後方の車輪の間といった目的箇所に設けられており、車両２００が駐車スペースの規定位置に駐車されると、給電装置１００側の送電コイル１２の上方に対峙する。

無線通信部２４は、給電装置１００側に設けられた無線通信部１４と、双方向に通信を行う。

整流部２６は、受電コイル２２に接続され、受電コイル２２で受電された交流電力を直流に整流する整流回路により構成されている。

リレー部２７は、充電制御部２５の制御によりオン及びオフが切り変わるリレースイッチを備えている。リレー部２７は、当該リレースイッチをオフにすることで、バッテリ２８を含む強電系と、充電の回路部となる受電コイル２２及び整流部２６の弱電系とを切り離すことできる。

バッテリ２８は、車両２００の電力源であり、例えば複数の二次電池を電気的に接続して構成されている。

インバータ２９は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子、ＰＷＭ制御回路等を含む電力変換装置であり、制御信号に基づいて、バッテリ２８から出力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力をモータ３０に供給する。モータ３０は、例えば三相の交流電動機により構成され、車両２００を駆動させるための駆動源である。

通知部３２は、警告ランプ、ナビゲーションシステムのディスプレイ又はスピーカ等により構成され、車室内のインストルメントパネル等に配置されている。この通知部３２は、充電制御部２５による制御に基づいて、ユーザに対して光、画像又は音等を出力する。

充電制御部２５は、バッテリ２８の充電を制御する機能を担っている。例えば、充電制御部２５は、無線通信部２４及び通知部３２を制御する。充電制御部２５は、無線通信部２４及び無線通信部１４の通信により、電力供給を開始する旨の制御信号を給電装置１００側から受信したり、電力を受給したい旨の制御信号を車両２００側に送信したりする。

また、図示を省略しているが、充電制御部２５は、車両２００全体を制御するコントローラとＣＡＮ通信網で接続されている。当該コントローラは、インバータ２９のスイッチング制御や、バッテリ２８の充電状態（ＳＯＣ）を管理している。充電制御部２５は、コントローラから得られるバッテリ２８のＳＯＣに基づいて満充電を判断した場合に、充電を終了する旨の制御信号を給電装置１００側に送信する。

本実施形態に係る非接触給電システムでは、送電コイル１２と受電コイル２２との間で、電磁誘導作用により非接触状態で高周波電力の送電を行う。言い換えると、送電コイル
１２に電圧が加わると、送電コイル１２と受電コイル２２との間に磁気的な結合が生じ、送電コイル１２から受電コイル２２へ電力が供給される。

このような非接触給電システムにおいて、給電装置１００側の送電コイル１２又は車両２００側の受電コイル２２は、目的箇所へ設置される際には、コイルの保護や保安上の観点から、筐体の内部に収容されている。

図２は、駐車スペースに設置された送電コイル１２及び異物センサ１６の構成を模式的に示す上面図である。給電装置１００側の送電コイル１２は、筐体１２０の内部に収容された状態で駐車スペースに固定的に配置されている。送電コイル１２は、筐体１２０の表面、具体的にはその上面１２１（ｘｙ平面）と平行する面内において渦巻き状に巻回された構造を有しており、給電時には、筐体１２０の上面１２１に相手方のコイルである受電コイル２２が向き合うことになる。そのことから、駐車スペースに設置される筐体１２０の上面１２１には、当該上面１２１に存在する異物を検出する異物センサ１６が配置されている。

異物センサ１６は、複数の熱電対１６０で構成されている。個々の熱電対１６０は、温度の変化に応じて電気的な特性が変化する検出素子であり、筐体１２０の上面１２１に均等に分布するように離散的に配置されている。筐体１２０の上面１２１に異物が存在する場合には、送電コイル１２に発生する磁束に応じて当該異物が加熱され昇温することになるので、熱電対１６０は、当該異物の発熱を検出することにより、筐体１２０の上面１２１における異物を検出するものである。

ところで、送電コイル１２に発生する磁束を受けて、熱電対１６０それ自体も昇温することとなるので、本実施形態では、熱電対１６０は、送電コイル１２に発生した磁束に起因する自己昇温を極力さけるような配慮がなされている。

具体的には、熱電対１６０として、薄膜熱電対を用いることとしている。ここで、図３は、薄膜熱電対としての熱電対１６０の構成を模式的に示す説明図である。薄膜熱電対１６０は、細い線状の異なる金属の薄膜からなる、一対の導電性薄膜１６１ａ，１６１ｂによって構成されている。この一対の導電性薄膜１６１ａ，１６１ｂは、先端領域が互いに交差するように配線されており、当該先端領域が温度検出部Ｔａとしての機能を担っている。そして、この温度検出部Ｔａの大きさは、送電コイル１２に発生した磁束に起因する自己昇温の幅が薄膜熱電対１６１の検出特性から定まる検出誤差の範囲に収まるように、設定されている。

具体的には、熱電対（薄膜熱電対）１６０のそれぞれは、自己昇温を規定する加熱エネルギーと、熱電対１６０の大きさとの間に以下に示す数式で現される関係が成立する。

同数式において、Ｐｗは単位面積あたりの加熱エネルギーであり、Ｌ，Ｄは熱電対（薄膜熱電対）１６０の大きさ（磁束方向の投影面積を規定する縦（Ｌ）横（Ｄ）寸法）、μは透磁率、σは導電率、Ｂは磁束密度の最大値、δは表皮深さである。

例えば、熱電対（薄膜熱電対）１６０が、通常０．２℃程度の検出誤差を含むものであるとする。この場合、送電コイル１２に発生した磁束に伴う昇温の幅は、上記の加熱エネルギーＰｗにより特定される。そして、送電コイル１２の出力特性（例えば、最大磁束密
度：２．３ｍＴ）、熱電対１６０の材質（透磁率等）を考慮すれば、自己昇温が０．２℃の範囲に収まるような温度検出部Ｔａの大きさは、１ｍｍ四方として設定されるといった如くである。

そして、非接触給電システムにおいて、制御部１５における異物検出部１５０は、車両２００のバッテリ２８の充電に伴う給電装置１００から車両２００への給電時その給電動作に先駆けてあるいは定期的に、異物検出を行う。具体的には、異物検出部１５０は、検出動作に併せて、送電コイル１２を試験的に動作させ、異物を検出するために送電コイル１２に磁束を発生させる。そして、異物検出部１５０は、熱電対１６０の出力信号に基づいて、熱電対１６０が規定温度以上上昇したことを判断した場合には、異物が存在していると判断する。異物検出部１５０は、異物の存在を判断した場合には、充電の開始を禁止したり、送電コイル１２からの出力を制限したり、無線通信部１４と無線通信部２４との間で通信を行い、車両２００の通知部３２を動作させたりする。

このように本実施形態において、磁気的結合によって送電コイル１２と受電コイル２２との間で非接触で電力の供給を行う非接触給電システムは、筐体の表面に存在する異物を検出する異物センサ１６（検出部）を有している。ここで、異物センサ１６は、筐体１２０の上面１２１に離散的に配置された複数の熱電対１６０で構成されており、熱電対１６１のそれぞれは、送電コイル１２に発生した磁束に起因する自己昇温の幅が当該熱電対１６０の検出特性から定まる検出誤差の範囲に収まるように、その大きさが設定されている。

かかる構成によれば、異物センサ１６を構成する各熱電対１６０の大きさが適切に設定されているので、熱電対１６０の自己昇温が妨げとなることなく、異物の発熱を適切に検出することができる。これにより、筐体１２０の上面１２１に異物が存在する場合には、これを適切に検出することができる。

また、個々の熱電対１６０の大きさを上記の数式の関係を満たすように設計することで、磁束に起因する自己昇温の幅が熱電対１６０の検出誤差の範囲に収まるように、適切に熱電対１６０の大きさを設定することができる。これにより、自己昇温が妨げとなることなく、異物の発熱を適切に検出することができる。

また、個々の熱電対１６０を薄膜熱電対で実現することにより、磁束に起因する自己昇温の幅を熱電対１６０の検出誤差の範囲に収める範囲で、熱電対１６０を構成することができる。これにより、自己昇温が妨げとなることなく、異物の発熱を適切に検出することができる。

（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る異物センサ１６による構成態様を模式的に示す説明図である。第２の実施形態に係る異物センサ１６が、第１の実施形態のそれと相違する点は、筐体１２０の表面に対する熱電対１６０の配置形態である。以下、第１の実施形態と共通する構成については説明を省略することとし、相違点を中心に説明を行う。なお、同図（ｂ）は、同図（ａ）に示す（Ａ）領域のみを拡大して示すものであるが、残余の（Ｂ）〜（Ｄ）領域も（Ａ）領域と対応する形態に各熱電対１６０が構成されている。

本実施形態において、熱電対１６０のそれぞれは、送電コイル１２に発生する磁束のうち半径方向に着目した磁束密度に基づいて、筐体１２０の上面１２１における分布が設定されている。

図５は、コイル中心から半径方向外側に向かった距離と磁束密度との関係を示す説明図
である。同図において、Ｃｉｎは、コイルの最内周に相当する距離Ｌを示し、Ｃｏｕｔは、コイルの最外周に相当する距離Ｌを示している。同図に示すように、コイルの面上ほど磁束密度が大きく、また、コイルの面上では、コイルの内周側から外周側にかけて、増加し極大を経て減少するという上に凸となる傾向を有している。

本実施形態では、異物の発熱が大きいと想定される位置に応じて異物の検出能力（分解能）を高く設定するとの観点から、熱電対１６０の配置は、送電コイル１２に発生する磁束の磁束密度に基づいて設定されている。具体的には、送電コイル１２に発生する磁束の磁束密度が大きい位置では、熱電対１６０の分布が密となるように設定され、また、送電コイル１２に発生する磁束の磁束密度が小さい位置では、熱電対１６０の分布が疎となるように設定されている。これにより、送電コイル１２の面上では、送電コイル１２の内周側から外周側にかけて、その分布が疎、密、疎となるように、個々の熱電対１６０が配置されている。ここで、内周側の磁束密度は、外周側の磁束密度よりも小さいため、内周側に配置される熱電対１６０の分布の方が、外周側に配置される熱電対の分布よりも相対的に疎となるように設定されている。

このように本実施形態によれば、熱電対１６０のそれぞれは、送電コイル１２に発生する磁束のうち半径方向に着目した磁束密度に基づいて、その分布が設定されている。これにより、磁束密度の高い領域では、磁束密度の低い領域と比較して、そこに存在する異物が高い温度にまで昇温することが懸念されるので、そのような異物を応答性よく検出することができる。

なお、熱電対１６０のそれぞれは、図６に示すように、送電コイル１２の中心から放射状に配置することもできる。このように配置することでも、異物を応答性よく検出することができる。また、かかる構成によれば、複数の熱電対１６０を直線状に配列した複数のパターンを放射状に配設することで、筐体１２０の上面１２１の全面を覆うことができるので、異物センサ１６の設置時における生産性及び作業性の向上を図ることができる。

なお、上述の各実施形態では、地上側に配置される送電コイル１２を収容する筐体１２０に異物センサ１６を適用している。例えば、受電コイル２２が車両２００の天井に配置され、これに対峙するように送電コイル１２が配置されるような形態であれば、受電コイル２２を収容する筐体に異物センサ１６を適用してもよい。もっとも、異物を検出する点に観点に鑑みれば、異物センサ１６は、互いに対峙する一対のコイルについて、個々のコイルを収容する筐体のそれぞれに適用してもよい。

また、非接触給電システムの車両２００側のユニットは電気自動車に搭載されるが、ハイブリッド車両等の車両でもよい。

以上、本発明の非接触充電装置を適用した非接触充電システムについて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、その発明の範囲内において種々の変形が可能であることはいうまでもない。

１００ 給電装置
１１ 電力制御部
１２ 送電コイル
１２０ 筐体
１２１ 上面
１４ 無線通信部
１５ 制御部
１６ 異物センサ
１６０ 熱電対
１６１ａ 導電性薄膜
１６１ｂ 導電性薄膜
２００ 車両
２２ 受電コイル
２４ 無線通信部
２５ 充電制御部
２６ 整流部
２７ リレー部
２８ バッテリ
２９ インバータ
３０ モータ
３２ 通知部

Claims (6)

1. 磁気的結合によって第１のコイルと第２のコイルとの間で非接触で電力の供給を行う非接触給電装置において、
   前記第１のコイル又は第２のコイルを内部に収容して、所定の設置箇所に配置される筐体と、
   前記筐体の表面に存在する異物を検出する検出部と、を有し、
   前記検出部は、前記筐体の表面に離散的に配置された複数の熱電対で構成されており、
   前記熱電対のそれぞれは、前記コイルに発生した磁束に起因する自己昇温の幅が当該熱電対の検出特性から定まる検出誤差の範囲に収まるように、大きさが設定されていることを特徴とする非接触給電装置。
2. 前記熱電対のそれぞれは、自己昇温を規定する加熱エネルギーと、熱電対の大きさとの間に以下に示す数式で現される関係が成立することを特徴とする請求項１に記載された非接触給電装置。
   
   （同数式において、Ｐｗは単位面積あたりの加熱エネルギーであり、Ｌ，Ｄは熱電対の大きさ（磁束方向の投影面積を規定する縦（Ｌ）横（Ｄ）寸法）、μは透磁率、σは導電率、Ｂは磁束密度の最大値、δは表皮深さである。）
3. 前記熱電対は、薄膜熱電対であることを特徴とする請求項１又は２に記載された非接触給電装置。
4. 前記熱電対のそれぞれは、前記筐体の表面に均等に分布して配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された非接触給電装置。
5. 前記熱電対のそれぞれは、前記コイルに発生する磁束のうち半径方向に着目した磁束密度に基づいて、前記筐体の表面における分布が設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された非接触給電装置。
6. 前記熱電対のそれぞれは、前記コイルの中心から放射状に配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載された非接触給電装置。