JP5467569B2 - 非接触給電装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電を行う非接触給電装置に関する。

非接触給電装置は、１次コイルと２次コイルとの間の電磁誘導を利用して１次コイルから２次コイルに電力を供給する。非接触給電装置は、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池を充電するための給電装置として、利用の拡大が見込まれている。
図１３は、非接触給電装置を用いたプラグインハイブリッド車の給電システムを示している。
エンジン１０７とともにモータ１０６を駆動源として搭載する車両１００は、モータ１０６用の電源である二次電池１０４と、二次電池１０４の直流を交流に変換してモータ１０６に供給するインバータ１０５と、二次電池１０４の充電回路１０３と、非接触給電装置の２次コイル１０２とを備えており、２次コイル１０２は、車体の床面の外側に設置されている。
一方、給電ステーション側は、商用周波数の交流電源２００と、この交流を直流に変換し、さらに高周波交流を生成するインバータ２０１と、非接触給電装置の１次コイル２０２とを備えており、１次コイル２０２は地上に設置されている。
運転者は、２次コイル１０２が１次コイル２０２の真上に来るように車両１００を停止させて、二次電池１０４への給電を開始する。

しかし、停車時の１次コイル２０２と２次コイル１０２との位置ずれは避けられないため、車両用の非接触給電装置には、位置ずれに対して強いことが求められる。
また、車体の床面は、走行に支障が出ないように、ある程度地面から離す必要があるため、車両用の非接触給電装置には、１次コイル２０２と２次コイル１０２とのギャップ長が大きくても十分給電できる能力が求められる。
また、車両１００に搭載する２次コイル１０２には、小型・軽量化が求められる。
これまで、こうした要請に応える非接触給電装置の開発が鋭意進められている。

図１４は、下記特許文献１に開示された非接触給電装置の断面形状（ａ）及び平面形状（ｂ）を概略的に示している。この装置の１次側は、フラットなフェライト円板から成る磁心コア２１と、磁心コア２１の片面に渦巻き状に巻回された１次コイル２２とを備えている。２次側も１次側と同一形状であり、フェライト円板の磁心コア３１と、磁心コア３１の片面に配置された渦巻き状２次コイル３２とを備え、１次コイル２２と２次コイル３２とが、ギャップｇを介して対向している。
この装置は、１次コイル２２及び２次コイル３２の背面に磁心コア２１及び磁心コア３１を有しており、磁束が磁心コア２１、３１の裏側にまで漏洩しないため、１次コイル２２及び２次コイル３２間の結合係数が大きく、強力な電磁結合が得られる。この場合の磁束を図１４（ａ）に点線Ｄで示している。
しかし、１次コイル２２と２次コイル３２との位置がずれると、結合係数は急激に低下する。これを避けるためには、磁心コア２１及び磁心コア３１の面積を大きくし、１次コイル２２と２次コイル３２との位置ずれが発生しても磁束Ｄを維持できるように設計する必要がある。

ただ、径の大きなフェライトの一枚板は、製造が難しく、コストが高く付く。
そのため、下記特許文献２には、コア部材の低コストを図るための非接触給電装置が記載されている。
この装置は、図１５（ａ）、図１５（ｂ）に示すように、フェライトからなる長方形の板状ブロック２１２を多数組み合わせて板状コア２１３を形成し、この板状コア２１３の片面に扁平に巻いたコイル２２２を配置している。図１５（ａ）、図１５（ｂ）では、板状コア２１３のコイル２２２の外側に位置する部分、及び、コイル２２２の内側に位置する部分に板状ブロック２１２を二枚重ね、コイル２２２が位置する部分の板状ブロック２１２を１枚とすることにより、大型のＥ型コアを構成している。
また、特許文献２では、図１６に示すように、板状コア２１３の板状ブロック２１２の配列を１列ごとに間引いて、板状コア２１３の軽量化を図ることも提案されている。

特開２００８−８７７３３号公報 特開２００８−１２０２３９号公報

しかし、特許文献１及び特許文献２に記載された非接触給電装置は、いずれも磁心コアの片側に扁平なリング状のコイルを配置する構造であるため、図１４（ａ）に示すように、コイル２２、３２の幅をＷとすると、磁心コア２１、３１の長さは、少なくとも２Ｗより大きくなければならない。
このコイル幅Ｗは、１次コイル２２及び２次コイル３２の間の電磁結合を十分に得るために、ギャップ長ｇ以上に設定する必要がある。
また、１次コイル２２と２次コイル３２との位置ずれが発生した場合でも、必要な電力の伝送を可能にするためには、１次側磁心コア２１及び２次側磁心コア３１の磁極部分が上下に重なる面積を十分確保する必要がある。
そのため、磁心コアの片側にリング状の扁平コイルを配置する方式では、装置の形状、特に幅方向の形状が大きくならざるを得ない。
また、この方式において、磁心コアの軽量化を図るために磁心コアの一部を間引いた場合は、特許文献２に記載されているように、給電可能な電力が低下する。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、大きなギャップ長に対応することができ、位置ずれに対して強く、且つ、小形軽量化が可能な非接触給電装置を提供することを目的としている。

本発明の非接触給電装置は、１次側コアの周りに巻回された１次側コイルと、２次側コアの周りに巻回された２次側コイルと、を備え、前記１次側コイルと前記２次側コイルとが対向するように配置された非接触給電装置であって、前記１次側コイルまたは２次側コイルは複数個のコアに巻回され、前記１次側コイルまたは２次側コイルに巻回された前記複数個のコアのそれぞれが、同一形状をした棒状または板状の直方体から成り、前記複数個のコアは、前記直方体の長辺同士が間隔を保って対向するように平面上に並行に配列され、前記１次側コイルまたは２次側コイルが、配列された複数の前記直方体を取り囲むように、前記長辺と直交する方向に巻回されていることを特徴とする。
このように、コアの周りにコイルを巻回する構造では、図３に示すように、コイルの占める幅がＷであり、コイルの占める幅が２Ｗである従来の方式（図１４（ａ）に示す磁心コアの片側にリング状の扁平コイルを配置する方式）に比べて、極めて小型化できる。また、そのコアの製作は容易であり、低コストで製造できる。
また、コイルにより巻回された複数個のコアからは、コア間の間隙を埋める磁力線が出力されるため、１次側コア及び２次側コアは、コア間の間隙を寸法に含めた、拡大された大きさのコアとして作用する。従って、コア間に間隙を設けることで、実質的なコア面積が、並行する複数の直方体の外縁で囲まれた面積にまで拡大する。そのため、位置ずれに対して強くなる。

また、本発明の非接触給電装置では、前記１次側コイルの前記２次側コイルに対向する側の反対側、及び、前記２次側コイルの前記１次側コイルに対向する側の反対側のそれぞれに、外部への磁界の漏洩を防止する導電板を配置することが好ましい。
導電板は、車体の鉄板などに磁束が漏洩して、鉄板が加熱されるのを防止する。また、導電板は、１次側コイル及び２次側コイル間の結合係数を高める効果もある。

また、本発明の非接触給電装置では、前記導電板を、前記１次側コア及び２次側コアの対向する磁極面の反対側の磁極面に密着して配置し、前記反対側の磁極面からの磁界の漏洩を防ぐように構成しても良い。
コアの外部に面する磁極面を導電板で覆うことにより、外部への磁界の漏洩を効果的に防止することができる。
また、本発明の非接触給電装置では、前記導電板を、アルミニュームの板等を用いて構成する。

また、本発明の非接触給電装置は、前記１次側コイルで巻回された複数個の前記１次側コアの外形を繋いだ外形面積が、前記２次側コイルで巻回された複数個の前記２次側コアの外形を繋いだ外形面積よりも大きくなるようにしても良い。
こうすることで、車両などに搭載する２次側コイルの小型軽量化を図りながら、位置ずれに強くすることができる。

また、本発明の非接触給電装置は、前記コアをフェライトで構成し、前記１次側コイル及び２次側コイルを、リッツ線を巻回して構成することができる。

また、本発明の非接触給電装置は、前記一次側コイルを地上の給電ステーションに設置し、前記二次側コイルを、前記給電ステーションから給電を受ける移動体に設置することができる。
また、本発明の非接触給電装置は、車両の給電に対して好適である。

また、本発明の非接触給電装置では、並行に配列された前記１次側コア及び２次側コアの長手方向が前記移動体の進行方向と一致するように設定することが好ましい。
移動体が位置ずれを起こす方向にコアを配列すれば、位置ずれが生じた場合でも、１次側コアと２次側コアとの間に対向するコアが存在し、給電が可能になる。車両などの進行方向は、縁石などで位置ずれが生じないように設定できるが、横方向は、ずれが発生し易い。そのため、コアの長手方向を進行方向と一致させて、横方向にコアが配列されるようにすることで、車両の横方向の位置ずれに対処できる。

本発明の非接触給電装置は、複数のコア間の間隙を寸法に加えた、実質的に拡大された大きさのコアを備えているため、１次側コイルと２次側コイルとの位置ずれに十分対応できる。
また、複数のコアの間に間隙を設けることで、少ない量のコア材により広いコア面積を確保できるため、装置の軽量化を図ることができる。
また、コアの製造は容易であり、製造コストの低減を図ることができる。
また、コアにコイルを巻回する方式を採っているため、装置の小型化を図ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置で用いるコイル（ａ−１、ａ−２）と、比較例（ｂ−１、ｂ−２）とを示す図 図１のコイルのコアを示す図 本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置の１次側コイル及び２次側コイルの配置を示す図 １次側コイル及び２次側コイルに配置する導電板の変形例を示す図 図１のコイルの磁力線を示す図 間隔を空けてコアを配置したコイルと比較例との特性比較を示す図 本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置の１次側コイル及び２次側コイルの変形例を示す図 ２次側コイルを車両に搭載した状態を示す図 本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置で用いるコイルを示す図 図９のコイルの磁力線を示す図 本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置の１次側コイル及び２次側コイルの変形例を示す図 本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置で用いる放射状に配置したコイルを示す図 プラグインハイブリッド車の給電システムを示す図 従来の非接触給電装置のコイルを示す図 従来の非接触給電装置の他のコイルを示す図 コア部分を間引いた従来のコイルを示す図

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置は、１次側コイル及び２次側コイルが、共に、図１（ａ−１）の平面図、図１（ａ−２）の側面図に示すように、フェライトで成形された直方体形状の複数（４枚）の板状コア４１と、４枚の板状コア４１を取り囲むようにリッツ線を巻いて構成された巻回コイル４２とを備えている。４枚の板状コア４１は、１平面上に等しい間隔を空けて並列されており、巻回コイル４２は、各板状コア４１の両端が露出するように、板状コア４１の長手方向と直交する方向に巻回されている。
図１（ｂ−１）、図１（ｂ−２）は、比較のために記載したコイルであり、このコイルは、フェライトの一枚板からなる平板コア４３と、巻回コイル４４とを備えている。平板コア４３は、４枚の板状コア４１を合わせた面積を有しており、それを示すために、平板コア４３中に板状コア４１の大きさを点線で表示している。
図２は、巻回コイル４２、４４を取り除いた板状コア４１及び平板コア４３を示している。

また、図３は、この非接触給電装置の１次側コイル４０の巻回コイル４２と、２次側コイル５０の巻回コイル５２とが、ギャップｇを介して対向して配置された状態を示す断面図である。１次側コイル４０及び２次側コイル５０の背面には、後述する磁界漏洩防止のためのアルミニューム板６０が配置されている。
巻回コイル４２、５２は、板状コア４１、５１に巻回されているため、板状コア４１、５１に占める巻回コイル４２、５２の幅はＷとなる。このコイル幅Ｗは、１次側コイル４０及び２次側コイル５０の間の電磁結合を十分に得るために、ギャップ長ｇ以上に設定する必要があるが、従来の磁心コアの片側にリング状の扁平コイルを配置する方式（図１４（ａ））に比べて、コイル幅の占める面積が小さくて済み、小型化する上で有利である。

１次側コイル４０の巻回コイル４２に高周波電流を通電すると、巻回コイル４２の内部に磁場が発生し、その磁束が板状コア４１から２次側コイル５０の板状コア５１に流入して、巻回コイル５２に誘導電流が流れ、そのために磁場が発生して、その磁束が板状コア５１から１次側コイル４０の板状コア４１に流入する。
このとき、板状コア４１及び板状コア５１から放出された磁束の一部は、外部にも漏れ出る。この漏洩磁束が車の床面などを構成する鉄板を通過すると、鉄板が熱を帯びる。アルミニューム板６０は、こうした事態を防ぐために配置されている。この非接触給電装置における磁束の流れを、図３に点線で示している。
また、アルミニューム板６０が外部に向かう磁束を抑制するため、１次側コイル４０と２次側コイル５０との間を循環する磁束が増加し、結合係数が高まる。

なお、図４に示すように、１次側コイル４０及び２次側コイル５０の背面に配置するアルミニューム板６２を、１次側の板状コア４１と２次側の板状コア５１との対向する磁極面の反対側の磁極面に密着させて、板状コア４１、５１の外部に面する磁極面をアルミニューム板６２で覆うようにすれば、外部への磁界の漏洩をさらに効果的に防止することができる。

図５（ａ）は、図１（ａ−２）の方向から見たときの板状コア４１から発する磁力線を模式的に示している。板状コア５１についても同様である。また、図５（ｂ）は、比較のために、一枚の平板コア４３から発する磁力線を模式的に示している。
複数の板状コア４１の各々は、それぞれの周囲から磁力線を発するため、板状コア４１の間に間隙があっても、それによって磁力線の発生分布は途切れない。この複数の板状コア４１による磁力線の発生分布は、平板コア４３から発せられる磁力線の分布と略同等である。そのため、間隔を空けて並列した複数の板状コア４１は、面積が拡大した平板コア４３と見ることができる。
即ち、図２に示すように、面積が（ａ×ｂ）の平板コア４３と同じ量のコア素材を使用して、コア面積を（Ａ×ｂ）に拡大することができる。
また、一枚板の平板コア４３を作成するのに比べて、板状コア４１の作成は極めて容易であり、製造コストを大幅に削減することができる。

こうしたコア面積の実質的な拡大は、１次側コイル４０と２次側コイル５０との位置ずれによる給電能力の低下を抑えることを可能にし、位置ずれへの耐性が増強される。
換言すれば、位置ずれへの耐性を備えたコア面積を、少ない量のコア素材で構成することができるため、装置の軽量化が可能になる。

図６は、隙間を空けて複数の板状コアを並列させたコイル（図６（ａ））と、隙間を持たないコアを有するコイル（図６（ｂ））との特性について測定した結果を示している。ここでは、図６（ａ）の板状コアを、図６（ｂ）のコアの３／５の量で、同じ面積（２４０ｍｍ×２５０ｍｍ）を占めるように配列している。
測定は、１次側コイル及び２次側コイルを図６（ａ）または図６（ｂ）の形状に設定し、１次側コイルと２次側コイルとをｘ方向にずらし、ずれた距離ｘ（ｍｍ）と、交流電源電圧（Ｖ_AC）、給電電力（Ｐ_OUT）及び給電効率η_Cの関係を測っている。
図６（ｃ）は、測定結果を示しており、横軸にずれた距離ｘ（ｍｍ）を表し、縦軸に交流電源電圧（Ｖ_AC）、給電電力（Ｐ_OUT）及び給電効率η_Cの各値を表している。図中、図６（ａ）のコイルの特性を実線で示し、図６（ｂ）のコイルの特性を点線で示している。
図６（ｃ）から、図６（ａ）のコイルは、コア材の量を３／５に減らしているにも関わらず、給電特性や位置ずれ特性が、図６（ｂ）のコイルと殆ど変わらないことが分かる。そのため、図６（ａ）のように板状コア間に隙間を設ける構成は、コイルの軽量化及び低コスト化を図る上で有利である。

また、図７に示すように、１次側コイル４０の巻回コイル４２で取り囲む板状コア４１の本数を増やし、複数の板状コア４１の外形を繋いだ外形面積（図２（ａ−１）の（Ａ×ｂ））が、２次側コイル５０の複数の板状コア５１による外形面積よりも大きくなるように設定すれば、２次側コイル５０の１次側コイル４０に対する位置ずれを、さらに許容できる。電気自動車などの給電システムでは、１次側コイル４０が給電ステーションに設置され、２次側コイル５０が車両に搭載されるから、この構成により、車両への搭載重量を増やさずに、位置ずれの耐性を高めることができる。

また、図８に示すように、車両６１の進行方向（前後方向）と、板状コア５１の長手方向とが一致するように２次側コイル５０を車両６１に搭載し、１次側コイル４０を同じ方向に給電ステーションに設置すれば、車両６１の横方向（進行方向と直角な方向）への位置ずれに対して、耐性が向上する。車両６１の前後方向の停止位置は、縁石などを用いて位置ずれが生じないように設定できるが、横方向は、ずれが発生し易い。しかし、図８の向きに１次側コイル、２次側コイルを設置すれば、車両６１の停止位置が横方向にずれた場合でも、対向する板状コア４１、５１が確保できるので、横方向の位置ずれに対して強くなる。

なお、ここでは、板状コアを巻回コイルで巻回する例を説明したが、板状コアに代えて棒状の直方体、断面が円形の棒状体などを用いても良い。
また、コア素材は、フェライト以外の磁性体材料、例えば、ダストコアや珪素鋼板など交流損失の少ない強磁性体を用いて形成しても良く、巻回コイルは、リッツ線以外の線で構成しても良い。また、磁界漏洩防止用には、アルミニューム板以外の導電板を用いても良い。
また、ここで示した板状コアの数は、例示であり、任意に設定することができる。
また、板状コア相互の間隔は０より大きく設定することが好ましいが、この間隔を０にしても良い。
また、ここでは、電気自動車への給電について説明したが、本発明は、工場内搬送車や移動ロボットなどの移動体に対する給電にも利用できる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置は、１次側コイル及び２次側コイルを、図９（ａ）の平面図、図９（ｂ）の側面図に示すように、各板状コア７１のそれぞれの周りに個別に巻回した巻回コイル７２で構成し、巻回コイル７２を巻回した各板状コア７１を平面上に等しい間隔を空けて配列している。

図１０は、図９（ｂ）の方向から見たときの板状コア７１から発する磁力線を模式的に示している。この場合も、図５（ａ）と同様に、一枚の平板コアから発せられる磁力線の分布と略同等の分布が得られる。そのため、複数の板状コア７２を、間隔を空けて配列することにより、コア面積を実質的に拡大することができ、位置ずれに対する耐性を高めることができる。

また、図１１の斜視図（ａ）及び側面図（ｂ）に示すように、１次側コイル７０の巻回コイル７２で巻回された板状コア７１の数を、２次側コイル８０の巻回コイル８２で巻回された板状コア８１の数よりも多くすることにより、図７の場合と同様に、移動体に搭載する２次側コイルの小型軽量化を図りながら、位置ずれの耐性を高めることができる。
また、この場合、１次側コイル７０の巻回コイル７２の内、２次側コイル８０の巻回コイル８２に対向する巻回コイル７２だけに対して選択的に通電するようにすれば、非接触給電装置の消費電力を節約でき、稼動の効率化を図ることができる。

また、巻回コイル７２を個別に巻回した複数の板状コア７１は、図１２に示すように、放射状に配置することも可能である。
また、第１の実施形態では、複数個の板状コアを巻回コイルで取り囲むように巻回する場合を示し、第２の実施形態では、複数個の板状コアのそれぞれを個別に巻回コイルで巻回する場合を示したが、１次側コイル及び２次側コイルの一方を第１の実施形態の方式で構成し、他方を第２の実施形態の方式で構成することも可能である。

本発明の非接触給電装置は、位置ずれに強く、また、小型軽量化及び低コスト化が可能であり、電気自動車、プラグインハイブリッド車、工場内搬送車、移動ロボットなど、各種の移動体の非接触給電に利用することができる。

４０ １次側コイル
４１ 板状コア
４２ 巻回コイル
４３ 平板コア
５０ ２次側コイル
５１ 板状コア
５２ 巻回コイル
６０ 導電板
６１ 車両
６２ 導電板
７０ １次側コイル
７１ 板状コア
７２ 巻回コイル
８０ ２次側コイル
８１ 板状コア
８２ 巻回コイル

Claims (9)

1. １次側コアの周りに巻回された１次側コイルと、２次側コアの周りに巻回された２次側コイルと、を備え、前記１次側コイルと前記２次側コイルとが対向するように配置された非接触給電装置であって、
   前記１次側コイルまたは２次側コイルは複数個のコアに巻回され、前記１次側コイルまたは２次側コイルに巻回された前記複数個のコアのそれぞれが、同一形状をした棒状または板状の直方体から成り、前記複数個のコアは、前記直方体の長辺同士が間隔を保って対向するように平面上に並行に配列され、
   前記１次側コイルまたは２次側コイルが、配列された複数の前記直方体を取り囲むように、前記長辺と直交する方向に巻回されていることを特徴とする非接触給電装置。
2. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記１次側コイルの前記２次側コイルに対向する側の反対側、及び、前記２次側コイルの前記１次側コイルに対向する側の反対側のそれぞれに、外部への磁界の漏洩を防止する導電板が配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
3. 請求項２に記載の非接触給電装置であって、前記導電板が、前記１次側コア及び２次側コアの対向する磁極面の反対側の磁極面に密着して配置され、前記反対側の磁極面からの磁界の漏洩を防いでいることを特徴とする非接触給電装置。
4. 請求項２または３に記載の非接触給電装置であって、前記導電板がアルミニュームの板から成ることを特徴とする非接触給電装置。
5. 請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記１次側コイルで巻回された複数個の前記１次側コアの外形を繋いだ外形面積が、前記２次側コイルで巻回された複数個の前記２次側コアの外形を繋いだ外形面積よりも大きいことを特徴とする非接触給電装置。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記コアがフェライトまたはダストコアから成り、前記１次側コイル及び２次側コイルがリッツ線を巻回して成ることを特徴とする非接触給電装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次側コイルが地上の給電ステーションに設置され、前記二次側コイルが、前記給電ステーションから給電を受ける移動体に設置されていることを特徴とする非接触給電装置。
8. 請求項７に記載の非接触給電装置であって、前記移動体が車両であることを特徴とする非接触給電装置。
9. 請求項７または８に記載の非接触給電装置であって、並行に配列された前記１次側コア及び２次側コアの長手方向が前記移動体の進行方向と一致することを特徴とする非接触給電装置。