JP6702896B2

JP6702896B2 - 非接触給電装置および電気回路モジュール

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Publication number: JP6702896B2
Application number: JP2017003615A
Authority: JP
Inventors: 塚田　浩司; 浩司塚田; 敬祐石川; 西部　祐司; 祐司西部; 昌行杉田
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP2018113804A

Description

本発明は、非接触給電装置および電気回路モジュールに関し、特に、非接触給電のための配線に関する。

モータジェネレータの駆動力によって走行する電気自動車や、モータジェネレータおよびエンジンの駆動力によって走行するハイブリッド自動車が広く用いられている。このような電動車両には、モータジェネレータとの間で電力を授受する電力制御回路が設けられている。モータジェネレータにトルクを発生させて電動車両を力行させるときは、電力制御回路はモータジェネレータに電力を供給する。モータジェネレータが電動車両に対して回生制動をするときは、電力制御回路はモータジェネレータが発電した回生電力を回収する。

一般に、電力制御回路は複数のスイッチング素子を有している。電動車両が備える制御ユニットは、走行状態に応じて各スイッチング素子のオンオフ制御を行うことで電力制御回路を制御し、モータジェネレータにトルクを発生させ、あるいは、モータジェネレータに回生制動をさせる。

以下の特許文献１には、電動車両に搭載されるパワーカードが記載されている。パワーカードには電力制御回路を構成するスイッチング素子が封入され、パワーカードは冷却部材に取り付けられている。パワーカードからは、周辺の装置に接続される複数の端子が引き出されている。

特開２０１６−５４１７５号公報特開２００６−１７３４１５号公報

一般に、車両搭載用の電力制御回路には多数のスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子に接続される配線には、電力供給用のものだけでなく、スイッチング素子を制御するためのものがある。そのため、電力制御回路に至る配線の構造は複雑である。

本発明は、電気回路の配線構造を単純化することを目的とする。

本発明の関連技術は、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置された送電コイルと、前記送電コイルに電力を供給する電力供給回路と、を備え、隣接する２つの前記ループ区間を形成する導線が周回する方向は逆方向であり、複数の前記ループ区間のそれぞれに対応する受電コイルに鎖交する磁束が、各前記ループ区間から発生する。

また、本発明は、送電コイルと、前記送電コイルに電力を供給し、受電コイルに対して非接触給電をする電力供給回路と、前記送電コイルが形成するループの内側に設けられた線状の結合導体と、前記受電コイルに接続された受電回路との間で前記結合導体を介して非接触通信をする制御ユニットと、前記送電コイルおよび前記結合導体が固定された送電基板と、を備え、前記送電基板は、前記受電コイルが固定された受電基板に対向し、前記送電コイルが形成するループと、前記受電コイルが形成するループとが対向する、ことを特徴とする。望ましくは、前記送電コイルは、前記受電コイルが形成するループに両面から対向するループの対を形成している。また、本発明は、送電コイルと、前記送電コイルに電力を供給し、受電コイルに対して非接触給電をする電力供給回路と、前記送電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記送電コイルに並設された結合導体と、前記受電コイルに接続された受電回路との間で前記結合導体を介して非接触通信をする制御ユニットと、前記送電コイルおよび前記結合導体が固定された送電基板と、を備え、前記送電基板は、前記受電コイルが固定された受電基板に対向し、前記送電コイルが形成するループと、前記受電コイルが形成するループとが対向し、前記送電コイルは、前記受電コイルが形成するループに両面から対向するループの対を形成している。

望ましくは、前記送電コイルは、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されており、隣接する２つの前記ループ区間を形成する導線が周回する方向は逆方向であり、複数の前記ループ区間のそれぞれに対応する前記受電コイルに鎖交する磁束が、各前記ループ区間から発生する。

また、本発明は、ループ形状を描く複数の受電コイルと、複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続された受電回路と、各前記受電コイルのループ形状の内側に設けられた線状の結合導体であって、各前記受電回路を制御する制御ユニットとの間で非接触通信をするための結合導体を備え、複数の前記受電コイルは、平面または曲面上で連なって配置されていることを特徴とする。

また、本発明は、電気回路モジュールであって、送電コイルから電力が供給される受電コイルと、前記受電コイルに接続された受電回路と、前記受電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記受電コイルに並設された結合導体と、前記受電コイル、前記結合導体および前記受電回路が固定される受電基板と、を備え、前記受電回路は、自らを制御する制御ユニットとの間で前記結合導体を介して非接触通信をし、前記受電基板は、前記送電コイルが固定された送電基板に対向し、前記受電コイルが形成するループと、前記送電コイルが形成するループとが対向し、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を前記送電コイルが有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されており、前記電気回路モジュールは、複数の前記ループ区間に対応する複数の前記受電コイルを備え、各前記受電コイルがループ形状を描き、前記受電回路は、複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続されており、複数の前記受電コイルは、平面または曲面上で連なって配置され、各前記ループ区間が各前記受電コイルに対向していることを特徴とする。また、本発明は、送電コイルから電力が供給される受電コイルと、前記受電コイルに接続された受電回路と、前記受電コイルが形成するループの内側に設けられた線状の結合導体と、前記受電コイル、前記結合導体および前記受電回路が固定される受電基板と、を備え、前記受電回路は、自らを制御する制御ユニットとの間で前記結合導体を介して非接触通信をし、前記受電基板は、前記送電コイルが固定された送電基板に対向し、前記受電コイルが形成するループと、前記送電コイルが形成するループとが対向する、ことを特徴とする。

また、本発明は、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を前記送電コイルが有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されている前記電気回路モジュールにおいて、望ましくは、複数の前記ループ区間に対応する複数の前記受電コイルを備え、各前記受電コイルがループ形状を描き、前記受電回路は、複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続されており、複数の前記受電コイルは、平面または曲面上で連なって配置され、各前記ループ区間が各前記受電コイルに対向している。

本発明によれば、電気回路の配線構造を単純化することができる。

本発明の実施形態に係る車両搭載用電力システムの構成を示す図である。車両搭載用電力システムのＵ相に関する部分を示す図である。各コイルの構成を概念的に示す図である。送電コイルの構成例を概念的に示す図である。送電コイルの具体的な構成例を示す図である。送電コイル構造を２層に亘って積み重ねたものを模式的に示す図である。上から数えて奇数番目の層の構造を示す図である。上から数えて偶数番目の層の構造を示す図である。複数のパワーカードが冷却器に装着された状態を示す図である。パワーカードおよび送電基板を示す図である。パワーカードおよび送電基板の断面を模式的に示す図である。パワーカードの両面側に送電基板が設けられた変形例を示す図である。３相のパワーカード１４が連ねられた場合の構成を模式的に示す図である。

図１には、本発明の実施形態に係る車両搭載用電力システムの構成が示されている。車両搭載用電力システムは、制御ユニット１０、電力供給回路１２、Ｕ相パワーカード１４ｕ、Ｖ相パワーカード１４ｖ、およびＷ相パワーカード１４ｗを備えている。各パワーカードにはモータジェネレータ等の３相の負荷回路１６が接続されている。各パワーカードは電気回路が組み込まれた電気回路モジュールであり、負荷回路１６との間で電力を授受する機能を有する。

制御ユニット１０は、電力供給回路１２および各パワーカードを制御する。電力供給回路１２は、制御ユニット１０による制御に従って各パワーカードに電力を供給し、各パワーカードは、制御ユニット１０による制御に従って負荷回路１６に電力を供給する。また、各パワーカードは、制御ユニット１０による制御に従って負荷回路１６から電力を回収し、電力供給回路１２は、制御ユニット１０による制御に従って各パワーカードから電力を回収する。

図２には、車両搭載用電力システムのＵ相に関する部分として、Ｕ相電力システムが模式的に示されている。Ｕ相電力システムは、制御ユニット１０、電力供給回路１２、送電コイル１８、送信線状導体２６ａ、送信線状導体２６ｂ、送電基板２０およびＵ相パワーカード１４ｕを備える。図２では、構成を把握し易くするため送電基板２０が一点鎖線で示され、送電基板２０に固定された各構成要素が実線で示されている。

Ｕ相パワーカード１４ｕは、第１受電コイル２４ａ、第２受電コイル２４ｂ、受信線状導体２７ａ、受信線状導体２７ｂ、電力制御回路２８、および受電基板３０を備える。電力制御回路２８は、整流回路３２ａ、受信回路３４ａ、駆動回路３６ａおよびスイッチング素子３８ａを備える。整流回路３２ａ、受信回路３４ａ、および駆動回路３６ａは、第１受電コイル２４ａから得られた電力をスイッチング素子３８ａに供給すると共に、スイッチング素子３８ａをオンオフ制御する。

電力制御回路２８は、さらに、整流回路３２ｂ、受信回路３４ｂ、駆動回路３６ｂおよびスイッチング素子３８ｂを備える。整流回路３２ｂ、受信回路３４ｂ、および駆動回路３６ｂは、第２受電コイル２４ｂから得られた電力をスイッチング素子３８ｂに供給すると共に、スイッチング素子３８ｂをオンオフ制御する。

スイッチング素子３８ａおよび３８ｂには、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。これらのスイッチング素子はスイッチングアームを構成してもよい。各スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いた場合、スイッチングアームでは、上アームとしてのスイッチング素子３８ａのエミッタ端子と、下アームとしてのスイッチング素子３８ｂのコレクタ端子とが接続される。上アームと下アームの接続点が負荷回路のＵ相端子に接続され、上アームのコレクタ端子と下アームのエミッタ端子との間に電源電圧が印加される。スイッチングアームでは、例えば上アームと下アームが交互にオンオフすることで、上アームと下アームとの接続点から負荷回路に向かう電流が流れ、または、負荷回路からその接続点に向かう電流が流れる。

電力供給回路１２には送電コイル１８が接続され、電力制御回路２８には第１受電コイル２４ａおよび第２受電コイル２４ｂが接続されている。送電コイル１８は送電基板２０に固定され、第１受電コイル２４ａおよび第２受電コイル２４ｂは受電基板３０に固定されている。送電コイル１８は第１ループ区間１８ａおよび第２ループ区間１８ｂを有し、送電基板２０および受電基板３０が対向することで、第１ループ区間１８ａが第１受電コイル２４ａに対向し、第２ループ区間１８ｂが第２受電コイル２４ｂに対向する。

送電コイル１８の第１ループ区間１８ａと第１受電コイル２４ａは、一方が発生した磁束が他方に鎖交する位置関係で配置され、送電コイル１８の第２ループ区間１８ｂと第２受電コイル２４ｂもまた、一方が発生した磁束が他方に鎖交する位置関係で配置されている。これによって、電力供給回路１２と電力制御回路２８との間で非接触給電が行われる。

制御ユニット１０と電力制御回路２８との間には、スイッチング素子３８ａに対する信号伝送路２９ａと、スイッチング素子３８ｂに対する信号伝送路２９ｂが個別に設けられている。信号伝送路２９ａおよび２９ｂのそれぞれは、平衡モードの信号を伝送する２本の導線によって構成されている。

信号伝送路２９ａには電磁気結合器２５ａが設けられており、制御ユニット１０と電力制御回路２８とが電磁気結合器２５ａを介して接続されている。同様に、信号伝送路２９ｂには電磁気結合器２５ｂが設けられており、制御ユニット１０と電力制御回路２８とが電磁気結合器２５ｂを介して接続されている。

電磁気結合器２５ａは、長手方向を揃えて対向する送信線状導体２６ａ、および、受信線状導体２７ａを備え、この一対の線状導体の電気的または磁気的な結合によって、一方の線状導体側の回路と、他方の線状導体側の回路との間の信号伝送路を形成する。

電磁気結合器２５ｂは、長手方向を揃えて対向する送信線状導体２６ｂ、および受信線状導体２７ｂを備え、この一対の線状導体の電気的な結合または磁気的な結合によって、一方の線状導体側の回路と、他方の線状導体側の回路との間の信号伝送路を形成する。

電磁気結合器２５ａおよび２５ｂのいずれについても、送信線状導体は送電基板２０に固定されており、受信線状導体は受電基板３０に固定されている。送電基板２０および受電基板３０が対向することで、これらの線状導体（結合導体）が対向し、電磁気結合器が形成される。制御ユニット１０は、電磁気結合器を介して電力制御回路２８との間で非接触通信を行う。

各電磁気結合器が備える一対の線状導体は直接接触しておらず、さらに、送電コイル１８と各受電コイルは直接接触していないため、送電基板２０と受電基板３０とは着脱自在としてもよい。

電力供給回路１２は、制御ユニット１０の制御に応じて送電コイル１８に交流電圧を出力する。これによって、送電コイル１８の第１ループ区間１８ａおよび第２ループ区間１８ｂからは、それぞれ第１受電コイル２４ａおよび第２受電コイル２４ｂに鎖交する磁束が発生し、第１受電コイル２４ａおよび第２受電コイル２４ｂには誘導起電力が発生する。第１受電コイル２４ａおよび第２受電コイル２４ｂは、受電回路としての電力制御回路２８に誘導起電力に基づく交流電力を出力する。整流回路３２ａは、第１受電コイル２４ａから出力された交流電力を直流電力に変換し、受信回路３４ａおよび駆動回路３６ａに出力する。同様に、整流回路３２ｂは、第２受電コイル２４ｂから出力された交流電力を直流電力に変換し、受信回路３４ｂおよび駆動回路３６ｂに出力する。

制御ユニット１０は、スイッチング素子３８ａを制御するための制御信号を電磁気結合器２５ａに出力する。電磁気結合器２５ａは制御信号を受信回路３４ａに伝送する。受信回路３４ａは、制御信号に応じて駆動回路３６ａを制御し、駆動回路３６ａはスイッチング素子３８ａをオンオフ制御する。同様に、制御ユニット１０は、スイッチング素子３８ｂを制御するための制御信号を電磁気結合器２５ｂに出力する。電磁気結合器２５ｂは制御信号を受信回路３４ｂに伝送する。受信回路３４ｂは、制御信号に応じて駆動回路３６ｂを制御し、駆動回路３６ｂはスイッチング素子３８ｂをオンオフ制御する。

スイッチング素子３８ａおよび３８ｂは、整流回路３２ａおよび３２ｂから出力される電力を駆動回路３６ａおよび駆動回路３６ｂによるオンオフ制御に応じて調整し、負荷回路に出力する。

なお、負荷回路から電力供給回路１２に電力が回収される場合には、スイッチング素子３８ａおよびスイッチング素子３８ｂに対するオンオフ制御の下、負荷回路、駆動回路（３６ａ，３６ｂ）、整流回路（３２ａ，３２ｂ）、受電コイル（２４ａ，２４ｂ）、送電コイル１８、および電力供給回路１２の順序で電力が伝送される。

ここでは、車両搭載用電力システムのＵ相に関する構成について説明したが、Ｖ相およびＷ相に関する構成は、Ｕ相と同様の構成を有する。図１に示されるように、Ｖ相パワーカード１４ｖおよびＷ相パワーカード１４ｗはＵ相パワーカード１４ｕと共通の制御ユニット１０によって制御されてもよい。また、Ｖ相パワーカード１４ｖおよびＷ相パワーカード１４ｗには、Ｕ相パワーカード１４ｕと共通の電力供給回路１２から電力が供給されてもよい。

図３には、送電コイル１８、第１受電コイル２４ａおよび第２受電コイル２４ｂの構成が概念的に示されている。この図は、各コイルで生じる物理現象を説明するためのものであり、各コイルの構造を厳密に示すものではない。送電コイル１８は、端子Ｔ１、導線区間ｃ１〜ｃ２４、および端子Ｔ２を備える。導線端子Ｔ１からｙ軸正方向に導線区間ｃ１が伸び、導線区間ｃ１の終端からｘ軸負方向に導線区間ｃ２が伸びている。導線区間ｃ２の終端からｘ軸負方向に対して斜め手前方向に導線区間ｃ３が伸び、導線区間ｃ３の終端からｘ軸負方向に導線区間ｃ４が伸びている。導線区間ｃ４の終端からｙ軸正方向に導線区間ｃ５が伸び、導線区間ｃ５の終端からｘ軸正方向に導線区間ｃ６が伸びている。導線区間ｃ６の終端からｘ軸正方向に対して斜め手前方向に導線区間ｃ７が伸び、導線区間ｃ７の終端からｘ軸正方向に導線区間ｃ８が伸びている。なお、導線区間ｃ７は、ｘ軸負方向に対して斜め手前方向に伸びる導線区間群（ｃ３，ｃ１１，ｃ１９）の下方に位置している。

このように、導線区間ｃ１〜ｃ８は略八の字形状を描く。同様に、導線区間ｃ９〜ｃ１６が、それぞれ導線ｃ１〜ｃ８に隣接して略八の字形状を描き、導線区間ｃ１７〜ｃ２４が、それぞれ導線区間ｃ９〜ｃ１６に隣接して略八の字形状を描き、導線区間ｃ２４の終端が端子Ｔ２となっている。導線区間ｃ３、ｃ１１およびｃ１９と、導線区間ｃ７、ｃ１５およびｃ２３とが交わる各交差位置よりも左側の部分によって第１ループ区間１８ａが形成され、各交差位置よりも右側の部分によって第２ループ区間１８ｂが形成されている。

第１ループ区間１８ａの下方には第１受電コイル２４ａが位置する。第１受電コイル２４ａは、端子Ｔａ１、導線区間ｄ１〜ｄ１０、および端子Ｔａ２を備える。端子Ｔａ１からｘ軸正方向に導線区間ｄ１が伸び、導線区間ｄ１の終端からｙ軸正方向に導線区間ｄ２が伸びている。導線区間ｄ２の終端からｘ軸負方向に導線区間ｄ３が伸び、導線区間ｄ３の終端からｙ軸負方向に導線区間ｄ４が伸び、導線区間ｄ４の終端からｘ軸正方向に導線区間ｄ５が伸びている。このように、導線区間ｄ１〜ｄ５は略矩形のループを描く。導線区間ｄ５の終端からは、導線区間ｄ６が導線区間ｄ１の下方でｘ軸正方向に伸びている。導線区間ｄ６〜ｄ１０は、それぞれ導線区間ｄ１〜ｄ５の下方で略矩形のループを描き、導線区間ｄ１０の終端が端子Ｔａ２となっている。

第２ループ区間１８ｂの下方には、第２受電コイル２４ｂが位置する。第２受電コイル２４ｂは、第１受電コイル２４ａと同様の構造を有し、端子Ｔｂ１、２周のループを描く各導線区間、および端子Ｔｂ２を有している。

送電コイル１８の端子Ｔ１および端子Ｔ２に交流電流が流れ、送電コイル１８の端子Ｔ１に電流が流入し、端子Ｔ２から電流が流出している間は、第１ループ区間１８ａには時計回りの電流が流れ、第２ループ区間１８ｂには反時計回りの電流が流れる。これによって、第１ループ区間１８ａには下方向に第１ループ区間１８ａを貫通し、第１受電コイル２４ａに鎖交する磁束が発生し、第１受電コイル２４ａの端子Ｔａ１および端子Ｔａ２から誘導起電力が出力される。一方、第２ループ区間１８ｂには上方向に第２ループ区間１８ｂを貫通し、第２受電コイル２４ｂに鎖交する磁束が発生し、第２受電コイル２４ｂの端子Ｔｂ１および端子Ｔｂ２から誘導起電力が出力される。

送電コイル１８の端子Ｔ１および端子Ｔ２に交流電流が流れ、送電コイル１８の端子Ｔ１から電流が流出し、端子Ｔ２に電流が流入している間は、各受電コイルに流れる電流の向き、各受電コイルに鎖交する磁束の向き、および各受電コイルから出力される誘導起電力の極性は上記と逆になる。

このような構成によれば、導線区間群（ｃ３，ｃ１１，ｃ１９）に奥側から手前に向かって電流が流れるときは、導線区間群（ｃ７、ｃ１５、ｃ２３）にも奥側から手前に向かって電流が流れる。そして、導線区間群（ｃ３，ｃ１１，ｃ１９）に手前側から奥に向かって電流が流れるときは、導線区間群（ｃ７、ｃ１５、ｃ２３）にも手前側から奥に電流が流れる。したがって、導線区間群（ｃ３，ｃ１１，ｃ１９）に流れる電流によって発生する磁束と、導線区間群（ｃ７、ｃ１５、ｃ２３）に流れる電流によって発生する磁束が、各受電コイルに対して同一方向に鎖交する。これによって、送電コイル１８を単なる矩形とした場合に比べて、送電コイル１８と各受電コイルとの間の相互インダクタンスが増加する。

なお、上記では、２つのループ区間を備える送電コイルについて説明した。送電コイルは、３つ以上のループ区間を備えるものであってもよい。図４には、各ループ区間が１周の導線を備える送電コイル４２の構成例が概念的に示されている。図中の矢印は、ある時点において送電コイル４２に流れる電流の向きを示している。隣接する２つのループ区間は略八の字形状を有している。図４には示されていないが、複数のループ区間のそれぞれには受電コイルが対向する。各ループ区間で発生した磁束は、各ループ区間に対向する受電コイルに鎖交し、各受電コイルに誘導起電力を発生させる。

このような構成によれば、互いに交差してループ区間を仕切る２つの交差区間４４および４６の一方に図４の上から下に電流が流れるときは、他方にも上から下に電流が流れる。そして、２つの交差区間４４および４６の一方に図４の下から上に電流が流れるときは、他方にも下から上に電流が流れる。したがって、交差区間４４に流れる電流によって発生する磁束と、交差区間４６に流れる電流によって発生する磁束のが、各受電コイルに対して同一方向に鎖交する。これによって、送電コイルを単なる矩形とした場合に比べて、送電コイルと各受電コイルとの間の相互インダクタンスが増加する。

図５には、送電コイルの具体的な構成例が示されている。図５では、ループを描く複数種のループ導線が、線の太さによって区別して描かれている。送電コイル４８は、第１ループ導線５２、第２ループ導線５４、ジャンパ線５６、第３ループ導線５８および第４ループ導線６０を備え、第１ループ導線５２および第３ループ導線５８が第１ループ区間４８ａを形成し、第２ループ導線５４および第４ループ導線６０が第２ループ区間４８ｂを形成する。

第１ループ導線５２の一端は端子Ｔ１となっている。第１ループ導線５２は、端子Ｔ１を開始端とし第１ループ区間４８ａの外側を反時計回りに周回する。第１ループ導線５２の終端には第２ループ導線５４の開始端が接続されている。第２ループ導線５４は、第１ループ導線５２の終端から第２ループ区間４８ｂの内側を時計回りに周回する。第２ループ導線５４の終端には、第２ループ導線５４および第４ループ導線６０を跨ぐジャンパ線５６を介して第３ループ導線５８の開始端が接続されている。第３ループ導線５８は、ジャンパ線５６の終端から第１ループ区間４８ａの内側を反時計回りに周回する。第３ループ導線５８の終端には第４ループ導線６０の開始端が接続されている。第４ループ導線６０は、第３ループ導線５８の終端から第２ループ区間４８ｂの外側を時計回りに周回する。第４ループ導線６０の終端は端子Ｔ２となっている。

このような構成によって、第１ループ導線５２および第３ループ導線５８は第１ループ区間４８ａを形成し、第２ループ導線５４および第４ループ導線６０は第２ループ区間４８ｂを形成する。

送電コイル４８の端子Ｔ１および端子Ｔ２に交流電流が流れており、送電コイル４８の端子Ｔ１に電流が流入し、端子Ｔ２から電流が流出している間は、第１ループ区間４８ａには反時計回りの電流が流れ、第２ループ区間４８ｂには時計回りの電流が流れる。一方、送電コイル４８の端子Ｔ１から電流が流出し、端子Ｔ２に電流が流入している間は、第１ループ区間４８ａには時計回りの電流が流れ、第２ループ区間４８ｂには反時計回りの電流が流れる。

第１ループ導線５２のうち第２ループ区間４８ｂに近接してｙ軸方向に伸びる近接区間Ａ１、第３ループ導線５８のうち第２ループ区間４８ｂに近接してｙ軸方向に伸びる近接区間Ａ３、第２ループ導線５４のうち第１ループ区間４８ａに近接してｙ軸方向に伸びる近接区間Ｂ２、および、第４ループ導線６０のうち第１ループ区間４８ａに近接してｙ軸方向に伸びる近接区間Ｂ４には、同一方向の電流が流れる。したがって、各近接区間に流れる電流によって発生する磁束が、各受電コイルに対して同一方向に鎖交する。これによって、送電コイル４８を単なる矩形とした場合に比べて、送電コイル４８と各受電コイルとの間の相互インダクタンスが増加する。

図５に示される構成では、端子Ｔ１および端子Ｔ２との間で、略八の字形状が２周に亘って描かれている。図６には、この送電コイル構造を２層に亘って積み重ねた送電コイルが模式的に示されている。第１層Ｌ１の端子Ｔ２が第２層Ｌ２の端子Ｔ１に接続されている。これによって、第１層Ｌ１の端子Ｔ１から第２層Ｌ２の端子Ｔ２に至るまでの経路において、略八の字形状が４周に亘って描かれる。したがって、１層の送電コイル構造を用いる場合に比べて、送電コイルと各受電コイルとの相互インダクタンスが増加する。このようにｎ層の送電コイル構造を用いることで、略八の字形状を２ｎ周に亘って描く送電コイルが形成される。送電コイルは、複数層に亘って送電コイル構造が形成された多層基板によって形成してもよい。

受電コイルもまた、多層基板によって形成してもよい。この場合１層当たりの巻き数は複数としてもよい。図７には上から数えて奇数番目の層の構造が例示され、図８には、上から数えて偶数番目の層の構造が例示されている。図７に示される奇数番目の層では、受電コイルを構成する導線６２が、導線端Ｅ１から反時計回りに１周毎に内側にシフトしながら３周の略矩形を描き導線端Ｅ２に至る。図８に示される偶数番目の層では、受電コイルを形成する導線６４が、導線端Ｅ３から反時計回りに１周毎に外側にシフトしながら３周の略矩形を描き導線端Ｅ４に至る。

奇数番目の層の導線端Ｅ２と偶数番目の層の導線端Ｅ３はスルーホールで接続される。その偶数番目の層の下に次の奇数番目の層がある場合には、偶数番目の層の導線端Ｅ４と次の奇数番目の層の導線端Ｅ１がスルーホールで接続される。第１層目の導線端Ｅ１は受電コイルの一方の端子となる。最下層が偶数番目である場合には、導線端Ｅ４が受電コイルの他方の端子となり、最下層が奇数番目である場合には、導線端Ｅ２が受電コイルの他方の端子となる。

図９には、複数のパワーカード１４が冷却器６５に装着された状態が示されている。冷却器６５は、流入管６６、流出管６８、および複数の冷却フィン７０を備えている。冷却フィン７０は板状に形成されており、冷媒が流通する空洞が内部に形成されている。複数の冷却フィン７０は、板面方向を揃えて所定間隔を隔てて連ねられている。隣接する２つの冷却フィン７０の間にはパワーカード１４が配置されている。図９には、８枚のパワーカード１４が冷却フィン７０の間に配置された例が示されている。各パワーカード１４は、１つのスイッチングアームを構成する２つのスイッチング素子を含む。各パワーカード１４の上部には送電基板２０が重ねられている。各送電基板２０の上端部には、各送電基板２０と垂直に配線基板７６が接合されており、配線基板７６に設けられた各配線が各送電基板２０に接続されている。

各冷却フィン７０では、図９の奥側の端付近に流入管６６が設けられ、手前側の端付近に流出管６８が設けられている。流入管６６は各冷却フィン７０の内部の空洞に連通し、各冷却フィン７０の空洞は流出管６８に連通している。流入管６６は、その入口７２から流入した冷媒を各冷却フィン７０の空洞へと導く。各冷却フィン７０の空洞を通る冷媒は近接するパワーカード１４から熱を奪ってパワーカード１４を冷却する。各冷却フィン７０の空洞からは流出管６８に冷媒が放出される。流出管６８は、各冷却フィン７０から放出された冷媒をその出口７４へと導く。

図１０には、パワーカード１４および送電基板２０が示されている。ただし、パワーカード１４については、モールド材料で覆われる前の状態が示されている。また、送電基板２０は、説明の便宜上、誘電体板を透かして送電コイル１８、送信線状導体２６ａ、および送信線状導体２６ｂが示されている。

パワーカード１４は、スイッチング素子３８ａの他、スイッチング素子３８ａを動作させる構成要素として、第１受電コイル２４ａ、受信線状導体２７ａ、および駆動回路モジュール７８ａを備える。さらに、パワーカード１４は、スイッチング素子３８ｂの他、スイッチング素子３８ｂを動作させる構成要素として、第２受電コイル２４ｂ、受信線状導体２７ｂ、および駆動回路モジュール７８ｂを備える。また、パワーカード１４は、第１受電コイル２４ａ、受信線状導体２７ａ、第２受電コイル２４ｂ、および受信線状導体２７ｂが固定される受電基板３０を備える。駆動回路モジュール７８ａは、図２に示された整流回路３２ａ、受信回路３４ａおよび駆動回路３６ａを備え、駆動回路モジュール７８ｂは、図２に示された整流回路３２ｂ、受信回路３４ｂおよび駆動回路３６ｂを備える。

受信線状導体２７ａは、第１受電コイル２４ａが形成するループ形状の内側に配置され、受信線状導体２７ｂは、第２受電コイル２４ｂが形成するループ形状の内側に配置されている。

送電基板２０には、送電コイル１８、送信線状導体２６ａ、および送信線状導体２６ｂが固定されている。送信線状導体２６ａは、送電コイル１８の第１ループ区間１８ａの内側に配置され、送信線状導体２６ｂは、送電コイル１８の第２ループ区間１８ｂの内側に配置されている。送電基板２０は、第１ループ区間１８ａが第１受電コイル２４ａに対向し、送信線状導体２６ａが受信線状導体２７ａに対向し、第２ループ区間１８ｂが第２受電コイル２４ｂに対向し、さらに、送信線状導体２６ｂが受信線状導体２７ｂに対向するように受電基板３０に重ねられる。送電基板２０が受電基板３０に重ねられることで、送信線状導体２６ａおよび受信線状導体２７ａが対向して電磁気結合器が形成され、送信線状導体２６ｂおよび受信線状導体２７ｂが対向して電磁気結合器が形成される。

図１０に示されているスイッチング素子３８ａおよびスイッチング素子３８ｂは、スイッチングアームを構成し、スイッチングアームから３つの電極８０が引き出されている。また、図１０に示されているパワーカード１４は、絶縁体材料によってモールドされ、冷却フィンの間に挟まれるような板形状に形成される。

図１１には、パワーカード１４および送電基板２０の断面が模式的に示されている。送電基板２０を構成する誘電体板には送電コイル１８が設けられ、送電コイル１８が形成する第１ループ区間１８ａの内側に送信線状導体２６ａが形成されている。ここでは、第１ループ区間１８ａおよび送信線状導体２６ａが現れる断面が示されているが、図１０に示された第２ループ区間１８ｂおよび送信線状導体２６ｂもまた同様の構造を有している。送電コイル１８からは配線基板７６に導線が引き出されている。

受電基板３０を構成する誘電体板には第１受電コイル２４ａが設けられ、第１受電コイル２４ａが形成するループ形状の内側に受信線状導体２７ａが設けられている。ここでは、第１受電コイル２４ａおよび受信線状導体２７ａが現れる断面が示されているが、図１０に示された第２受電コイル２４ｂおよび受信線状導体２７ｂもまた同様の構造を有している。

このように、送電コイルと受電コイルとが対向し、上述の電力供給回路から電力制御回路に非接触給電が行われる。また、送信線状導体および受信線状導体が対向することで電磁気結合器が形成され、上述の制御ユニットから電力制御回路に制御信号が伝送される。

図１２には、パワーカード１４の両面側に送電基板が設けられた変形例が示されている。第１送電基板２０−１を構成する誘電体板には第１送電コイル１８−１が設けられ、第２送電基板２０−２を構成する誘電体板には第２送電コイル１８−２が設けられている。第２送電基板２０−２には受信線状導体が設けられておらず、第２送電基板２０−２は第２送電コイル１８−２を備える。第１送電コイル１８−１および第２送電コイル１８−２からは、配線基板７６に導線が引き出され、これらの送電コイルは直列に接続されている。このように、第１送電コイル１８−１および第２送電コイル１８−２を直列接続して構成される送電コイルは、各受信コイルが形成するループに両面から対向するループの対を形成している。第１送電コイル１８−１に含まれる第１ループ区間および第２ループ区間の巻き方向と、第２送電コイル１８−２に含まれる第１ループ区間および第２ループ区間の巻き方向は、各ループ区間から発せられ各受電コイルに鎖交する磁束の方向が同一となる方向とされる。

図１３（ａ）には、Ｕ相パワーカード１４ｕ、Ｖ相パワーカード１４ｖおよびＷ相パワーカード１４ｗが連ねられた場合の構成が示されている。Ｕ相パワーカード１４ｕ、Ｖ相パワーカード１４ｖおよびＷ相パワーカード１４ｗ、および、それぞれに対応する送電基板２０Ｕ、送電基板２０Ｖおよび送電基板２０Ｗは、図１１に示された送電基板２０およびパワーカード１４と同様の構成を有する。送電基板およびパワーカードは、各相について同様の構成を有するが、符号の末尾に「Ｕ」、「Ｖ」および「Ｗ」を付して、その構成要素が属する相を区別する。

送電基板２０Ｕの送電コイル１８Ｕ、送電基板２０Ｖの送電コイル１８Ｖ、および送電基板２０Ｗの送電コイル１８Ｗのそれぞれからは、配線基板７６に導線が引き出され、これらの送電コイルが直列接続されている。

図１３（ｂ）には等価回路が示されている。送電コイル１８Ｕ、送電コイル１８Ｖおよび送電コイル１８Ｗは直列接続され、１つの一次巻線Ｐが構成される。Ｕ相パワーカード１４ｕの２つの受電コイルは、二次巻線ＵａおよびＵｂを構成する。Ｖ相パワーカード１４ｖの２つの受電コイルは、二次巻線ＶａおよびＶｂを構成する。Ｗ相パワーカード１４ｗの２つの受電コイルは、二次巻線ＷａおよびＷｂを構成する。

このような構成によれば、送電コイルが１つでよいため構造が単純化される。また、送電コイルの導線が形成する略八の字形状によって、送電コイルを矩形とした場合に比べて、一次巻線と各二次巻線との間の相互インダクタンスが大きくなり、一次巻線と二次巻線との間の結合係数が大きくなる。これによって、電流供給回路から電力制御回路に供給される電力が大きくなり得る。

なお、上記では、送信コイルの各ループ区間の内側に送信線状導体が配置され、受電コイルが形成するループ形状の内側に受信線状導体が配置された構成について説明した。送信線状導体はループ区間の外側に並設されてもよく、受信線状導体は受電コイルが形成するループ形状の外側に並んで併設されてもよい。この場合であっても、送電基板と受電基板を対向させたときには、送信線状導体と受信線状導体が対向し、電磁気結合器が形成されるように各線状導体の位置が定められる。

また、上記では、送電基板および受電基板が平板形状を有し、送電コイル、送信線状導体、受電コイルおよび受信線状導体が平面状に形成される実施形態について説明した。送電基板および受電基板は、パワーカードの形状に応じて曲板形状を有していてもよい。この場合、送電コイルおよび送信線状導体は、送電基板の形状に合わせた形状とし、受電コイルおよび受信線状導体は、受電基板の形状に合わせた形状とする。

１０制御ユニット、１２電力供給回路、１４ｕＵ相パワーカード、１４ｖＶ相パワーカード、１４ｗＷ相パワーカード、１６負荷回路、１８，４２，４８送電コイル、１８ａ，４８ａ第１ループ区間、１８ｂ，４８ｂ第２ループ区間、２０送電基板、２４ａ第１受電コイル、２４ｂ第２受電コイル、２５ａ，２５ｂ電磁気結合器、２６ａ，２６ｂ送信線状導体、２７ａ，２７ｂ受信線状導体、２８電力制御回路、２９ａ，２９ｂ信号伝送路、３０受電基板、３２ａ，３２ｂ整流回路、３４ａ，３４ｂ受信回路、３６ａ，３６ｂ駆動回路、３８ａ，３８ｂスイッチング素子、４４，４６交差区間、５２第１ループ導線、５４第２ループ導線、５６ジャンパ線、５８第３ループ導線、６０第４ループ導線、６２，６４導線、６５冷却器、６６流入管、６８流出管、７０冷却フィン、７２入口、７４出口、７６配線基板、７８ａ，７８ｂ駆動回路モジュール、８０電極。

Claims

送電コイルと、
前記送電コイルに電力を供給し、受電コイルに対して非接触給電をする電力供給回路と、
前記送電コイルが形成するループの内側に設けられた線状の結合導体と、
前記受電コイルに接続された受電回路との間で前記結合導体を介して非接触通信をする制御ユニットと、
前記送電コイルおよび前記結合導体が固定された送電基板と、を備え、
前記送電基板は、前記受電コイルが固定された受電基板に対向し、前記送電コイルが形成するループと、前記受電コイルが形成するループとが対向する、
ことを特徴とする非接触給電装置。
請求項１に記載の非接触給電装置において、
前記送電コイルは、前記受電コイルが形成するループに両面から対向するループの対を形成していることを特徴とする非接触給電装置。
送電コイルと、
前記送電コイルに電力を供給し、受電コイルに対して非接触給電をする電力供給回路と、
前記送電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記送電コイルに並設された結合導体と、
前記受電コイルに接続された受電回路との間で前記結合導体を介して非接触通信をする制御ユニットと、
前記送電コイルおよび前記結合導体が固定された送電基板と、を備え、
前記送電基板は、前記受電コイルが固定された受電基板に対向し、前記送電コイルが形成するループと、前記受電コイルが形成するループとが対向し、
前記送電コイルは、前記受電コイルが形成するループに両面から対向するループの対を形成していることを特徴とする非接触給電装置。
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の非接触給電装置において、
前記送電コイルは、それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されており、
隣接する２つの前記ループ区間を形成する導線が周回する方向は逆方向であり、
複数の前記ループ区間のそれぞれに対応する前記受電コイルに鎖交する磁束が、各前記ループ区間から発生することを特徴とする非接触給電装置。
ループ形状を描く複数の受電コイルと、
複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続された受電回路と、
各前記受電コイルのループ形状の内側に設けられた線状の結合導体であって、各前記受電回路を制御する制御ユニットとの間で非接触通信をするための結合導体を備え、
複数の前記受電コイルは、
平面または曲面上で連なって配置されていることを特徴とする電気回路モジュール。
電気回路モジュールであって、
送電コイルから電力が供給される受電コイルと、
前記受電コイルに接続された受電回路と、
前記受電コイルが形成するループの内側に設けられ、あるいは、前記受電コイルに並設された結合導体と、
前記受電コイル、前記結合導体および前記受電回路が固定される受電基板と、を備え、
前記受電回路は、自らを制御する制御ユニットとの間で前記結合導体を介して非接触通信をし、
前記受電基板は、前記送電コイルが固定された送電基板に対向し、前記受電コイルが形成するループと、前記送電コイルが形成するループとが対向し、
それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を前記送電コイルが有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されており、
前記電気回路モジュールは、
複数の前記ループ区間に対応する複数の前記受電コイルを備え、
各前記受電コイルがループ形状を描き、
前記受電回路は、複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続されており、
複数の前記受電コイルは、
平面または曲面上で連なって配置され、各前記ループ区間が各前記受電コイルに対向していることを特徴とする電気回路モジュール。
送電コイルから電力が供給される受電コイルと、
前記受電コイルに接続された受電回路と、
前記受電コイルが形成するループの内側に設けられた線状の結合導体と、
前記受電コイル、前記結合導体および前記受電回路が固定される受電基板と、を備え、
前記受電回路は、自らを制御する制御ユニットとの間で前記結合導体を介して非接触通信をし、
前記受電基板は、前記送電コイルが固定された送電基板に対向し、前記受電コイルが形成するループと、前記送電コイルが形成するループとが対向する、
ことを特徴とする電気回路モジュール。
それぞれがループ形状を描く複数のループ区間を前記送電コイルが有し、平面または曲面上で複数の前記ループ区間が連なって配置されている、請求項７に記載の電気回路モジュールにおいて、
複数の前記ループ区間に対応する複数の前記受電コイルを備え、
各前記受電コイルがループ形状を描き、
前記受電回路は、複数の前記受電コイルのそれぞれに対応して設けられ、複数の前記受電コイルのそれぞれに接続されており、
複数の前記受電コイルは、
平面または曲面上で連なって配置され、各前記ループ区間が各前記受電コイルに対向していることを特徴とする電気回路モジュール。