JPWO2020003498A1 - 車両用非接触給電システム - Google Patents

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Abstract

車両用の非接触空電装置は、地上側に設けられた送電コイルユニット（１２）と、この送電コイルユニット（１２）を地面から上方に移動させる昇降装置とを備えている。送電コイルユニット（１２）は、車両側に設けられた受電コイルユニット（２２）と磁気的に結合して電力を送電する。送電コイルユニット（１２）は、送電コイル（１２０）を収納したケース（１２３）を有している。ケース（１２３）の上面には、平面視において、面状に巻回された送電コイル（１２０）の巻回中心軸（Ｏ）の周辺に***部（１２３ａ）が形成されている。

Description

本発明は、車両用非接触給電システム[contactless electricity supply system for a vehicle]に関する。
電気自動車（ＥＶ）やプラグインハイブリッド車（ＰＨＶ）では、搭載されている走行用バッテリの充電が行われる。現在、充電は有線で行われるのが一般的であるが、非接触給電システムも開発されている。非接触給電システムでは地中や地面上に設けられた送電コイルユニットから車両の下面に取り付けられた受電コイルユニットに供給された電力でバッテリが充電される。下記特許文献１は、送電コイルユニットを備えた非接触給電システムを開示している。
特開２０１５−１２８３６３号公報
非接触給電システムでは、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間の磁気的結合を利用して給電する。この際、送電コイルユニットと受電コイルユニットとの間、具体的には、送電コイルユニット上に異物があると、給電が影響を受ける。特に、異物が金属であると、磁束に与える影響が大きいので給電を阻害する原因になり得る。上記特許文献１は、非接触給電システムにおける異物検出装置も開示している。しかし、異物を検出できたとしても、異物が存在すれば給電が影響を受ける（給電を中止するシステムもある）。従って、異物が入り込むのをより一層抑制することが望まれている。
本発明の目的は、異物が入り込むのを抑止しつつ入り込んだ異物による影響を低減することのできる非接触給電システムを提供することにある。
本発明の特徴は、地上側に設けられた送電コイルユニットと、この送電コイルユニットを地面から上方に移動させる昇降装置とを備えた車両用の非接触空電装置を提供する。ここで、送電コイルユニットは、車両側に設けられた受電コイルユニットと磁気的に結合して電力を送電する。送電コイルユニットは、面状に巻回された送電コイルを収納したケースを有している。ケースの上面には、送電コイルの巻回中心軸周辺に、周囲面から上方に***した***部が形成されている。
なお、以下、非接触給電システムに関して「地上側[ground-side]」の語は、「地面[on the ground]」の場合と「地下[under the ground]」の場合とを含み、「車両側」に対する側である。なお、システムがビルの中間階に設けられるような場合を考慮して、「地上側」の語は「床側[floor-side]」の場合も含む。この「床側」も、(「床面[on the floor]」の場合と「床下[under the floor]」の場合を含む。
上記特徴によれば、受電コイルユニットの上面に***部を設けることで、非給電時には一段高くされている***部の上に異物が残り難くできる。また、給電中には***部を受電コイルユニットの底面に近接（接触）させることで隙間をなくし、***部上（即ち、送電コイルユニットと受電コイルユニットの間）に異物が入り込むのを確実に抑止できる。さらに、給電時には上方移動可能な送電コイルユニットを車両の受電コイルユニットに近接（接近）させることができる。従って、給電に必要な出力を低減できるので、もし仮に送電コイルユニット上に異物が入り込んだとしても異物による給電への影響を低減できる。
図１は、実施形態に係る車両用非接触給電システムの構成図である。 図２は、上記非接触給電システムの構成概念図である。 図３は、上記非接触給電システムにおける給電コイルユニットの断面図である。 図４は、上記給電コイルユニットの平面図である。 図５は、上記給電コイルユニットの一部断面図である。 図６は、上記給電コイルユニットの一部断面図である。 図７は、上記給電コイルユニット及び受電コイルユニットの一部断面図である。 図８は、上記非接触給電システムの動作を示すフローチャートである。
以下、実施形態に係る車両用非接触給電システムについて、図面を参照しつつ説明する。まず、システム全体の構成に関して、図１及び２を参照しつつ説明する。
（非接触給電システムの構成）
図１に示されるように、非接触給電システムは、地上側ユニット[ground-side unit]である給電装置１００と、車両側ユニット[vehicle-side unit]である受電装置２００とを備えている。非接触給電システムは、給電スタンド等に配置された給電装置１００からＥＶやＰＨＶ等の車両１０に搭載された受電装置２００に非接触で電力を供給し、車両１０に搭載されたバッテリ２７を充電する。
給電装置１００は、給電スタンド近傍の駐車スペースに配置された送電コイルユニット１２を備えている。一方、受電装置２００は、車両１０の下面に装着された受電コイルユニット２２を備えている。受電コイルユニット２２は、車両１０が駐車スペースの所定位置（給電可能位置）に停車したときに送電コイルユニット１２に対向するように配置されている。
送電コイルユニット１２に内蔵された送電コイル１２０（図３及び図４参照）は、導電線からなる一次コイルによって構成され、受電コイルユニット２２に送電する。送電コイルユニット１２は追ってより詳しく説明する。また、受電コイルユニット２２に内蔵された受電コイル２２０（図７参照）は、同じく導電線からなる二次コイルによって構成され、送電コイルユニット１２から受電する。本実施形態では、両コイル１２及び２２間の電磁誘導によって送電コイルユニット１２から受電コイルユニット２２に電力を非接触で供給することができる。
給電装置１００は、電力制御部[electricity controller]１１と、送電コイルユニット１２[power transmitter coil unit]と、無線通信部[wireless communication device]１３と、制御部[controller]１４と、ベース１５と、昇降リンク機構１７と、駆動モータ１８と、距離センサ２０と、を備えている。本実施形態では、昇降リンク機構１７及び駆動モータ１８によって、送電コイルユニット１２を地面から上方に垂直移動させる昇降装置[lifting device]が構成されている。なお、送電コイルユニット１２を地面よりも上方に移動させる昇降装置は、回転モータとギア機構によって構成されてもよいし、液圧シリンダによって構成されてもよい。ベース１５は、地下に埋設されており、昇降装置を下方からしっかりと支持している。
電力制御部１１は、交流電源１１０から送電される交流電力を高周波の交流電力に変換して送電コイルユニット１２に送電する。電力制御部１１は、整流部[rectifier]１１１と、ＰＦＣ回路１１２と、ＤＣ電源１１４と、インバータ１１３とを備えている。
整流部１１１は、交流電源１１０に電気的に接続され、交流電源１１０から出力される交流電力を整流する。ＰＦＣ回路１１２は、整流部１１１とインバータ１１３との間に接続されており、整流部１１１から出力される波形を整形することで力率を改善する。
インバータ１１３は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子で構成されたＰＷＭ制御回路を備えており、スイッチング制御信号に基づいて直流電力を交流電力に変換して送電コイルユニット１２に電力を供給する。ＤＣ電源１１４は、送電コイル１２０の励磁のための直流電圧を出力する。
無線通信部１３は、車両１０に設けられた無線通信部２３と双方向通信する。
制御部１４は、給電装置１００を総合制御するものであり、インバータ制御部１４１と、ＰＦＣ制御部１４２と、シーケンス制御部１４３と、異物検出部[foreign object detector]１４４とを備えている。制御部１４は、車両１０の駐車スペースでの駐車時に、駐車位置の判定処理を実行する。この際、ＰＦＣ（Power Factor Correction）制御部１４２は励磁電力指令を生成し、インバータ制御部１４１は励磁電力の周波数指令やデューティー比を生成してインバータ１１３を制御する。これにより、制御部１４は、駐車位置を判定するための電力を送電コイルユニット１２から受電コイルユニット２２に送電する。
駐車位置の判定処理の際、制御部１４は、送電コイルユニット１２を弱励磁[weak excitation]（通常の充電時よりも弱い励磁）とすることにより駐車位置判定用の電力を送る。また、シーケンス制御部１４３は、無線通信部１３を介して受電装置２００とシーケンス情報を交換する。異物検出部１４４は、送電コイルユニット１２に内蔵された後述する異物検出コイル１２１及び１２２（図３参照）と接続されている。異物検出部１４４は、第１異物検出コイル１２１に生じる誘導電圧に基づいて第１異物検出コイル１２１の上方の異物を検出し、また、第２異物検出コイル１２２に生じる誘導電圧に基づいて第２異物検出コイル１２２の上方の異物を検出する。
一方、受電装置２００は、受電コイルユニット２２と、無線通信部２３と、充電制御部[charge controller]２４と、整流部２５と、リレー２６と、バッテリ２７と、インバータ２８と、モータ２９と、通知部[notifier]３０とを備えている。
充電制御部２４は、バッテリ２７の充電を制御する。充電制御部２４は、車両１０の駐車スペースでの駐車時に、駐車位置の判定処理を実行する。また、充電制御部２４は、受電コイルユニット２２が受け取る電力を監視する。さらに、充電制御部２４は、送電コイルユニット１２が励磁されると、受電コイルユニット２２が受け取った電圧に基づいて送電コイルユニット１２に対する受電コイルユニット２２の位置（即ち、車両１０の位置）を検出する。
充電制御部２４は、無線通信部２３、通知部３０、リレー２６等も制御している。充電制御部２４は、充電開始信号を、無線通信部２３を介して給電装置１００の制御部１４に送信する。整流部２５は、受電コイルユニット２２に接続され、受電コイルユニット２２が受け取った交流電力を直流電力に整流して、バッテリ２７又はインバータ２８に供給する（図２参照）。
リレー２６は、充電制御部２４の制御によってオン／オフが切り換えられる。また、リレー２６がオフの場合、バッテリ２７と整流部２５とが電気的に切り離される（図２参照）。バッテリ２７は、複数の二次電池を接続して構成された車両１０の電力源である。
インバータ２８は、ＩＧＢＴ等のスイッチング素子で構成されたＰＷＭ制御回路を備えている。インバータ２８は、スイッチング制御信号に基づいて、バッテリ２７から出力された直流電力を交流電力に変換してモータ２９に供給する。
モータ２９は、例えば三相の交流電動機であり、車両１０を走行させるための駆動源である。通知部３０は、警告ランプ、ナビゲーション装置のディスプレイやスピーカ等によって構成され、充電制御部２４の制御に基づいてユーザに各情報を通知する。
（送電コイルユニットの構成）
次に、送電コイルユニット１２について、図３〜図７を参照しつつ、より詳しく説明する。なお、送電コイルユニット１２は、図１に示されるように、受電コイルユニット２２との距離を検出する距離センサ２０を備えているが、図３〜図７には距離センサ２０は示されていない。
送電コイルユニット１２は、ケース１２３の内部に、送電コイル１２０並びに異物検出コイル１２１及び１２２を収納している。送電コイル１２０は、受電コイルユニット２２に収納された受電コイル２２０と磁気的に結合して[magnetically couple with]非接触で送電する。ケース１２３は、内部に設けられた各種機器（送電コイル１２０並びに異物検出コイル１２１及び１２２等）を保護する。ケース１２３は、車両１０が載っても耐えられる程度の強度及び剛性を有している。また、送電コイルユニット１２が屋外に設けられる場合は、ケース１２３は十分な耐候性も有している。ケース１２３は、例えば、樹脂などの上述した磁気結合を阻害しない材料によって形成されている。
送電コイル１２０は、巻回中心軸Ｏ回りに環状に巻回されており、かつ、本実施形態では長円外形を有するように面状に巻回されている。巻回中心軸（コイル軸）Ｏは、巻回中心を通る巻回面に直角な軸である。巻回中心は、複数回巻回されている送電コイル１２０の任意の一巻きによって形成される平面図形の重心（幾何中心）である。従って、送電コイル１２０は、その中央（即ち、巻回中心軸Ｏ周辺）に孔を有する長円外形を有する。送電コイル１２０の中央の孔（即ち、内周縁１２０ａ）の形状は、四隅が丸められた長方形である（図４参照）。
受電コイル２２０も、巻回中心軸回りに環状に巻回されており、かつ、長円外形を有するように面状に巻回されている。受電コイル２２０も、その中央（即ち、巻回中心軸Ｏ周辺）に孔を有する長円外形を有する。受電コイル２２０は、送電コイル１２０よりも小さく、送電コイル１２０の中央の孔よりやや大きい（図７参照）。送電コイル１２０の巻回中心軸Ｏと受電コイル２２０の巻回中心軸とを完全に一致させて非接触給電するのが最も好ましい。
ケース１２３内部底面上には、フェライト１２４が面状に敷かれており、その全体の外形は送電コイル１２０よりも大きな長方形である。送電コイル１２０は、フェライト１２４の上面上に設けられている。この送電コイル１２０は、上述したように、電力制御部１１（インバータ１１３）に接続されている。なお、図４には、異物検出コイル１２１及び１２２並びにフェライト１２４は示されていない。
送電コイル１２０上には、中央に孔が形成された長円形状の第１異物検出コイル[first foreign object detection (FOD) coil]１２１が設けられている。ケース１２３上には、***部[bulge]１２３ａと、***部１２３ａの周囲に一段低い環状の周囲面[surrounding surface]１２３ｂとが形成されている。***部１２３ａについては追って詳しく説明する。第１異物検出コイル１２１は、周囲面１２３ｂ上の異物を検出する。環状長円形状の第１異物検出コイル１２１の内方には、ほぼ長方形の第２異物検出コイル１２２が設けられている。即ち、第２異物検出コイル１２２は、***部１２３ａの下方に配置されて、***部１２３ａ上の異物を検出する。
第２異物検出コイル１２２は、第１異物検出コイル１２１よりも高く配置されている。第１異物検出コイル１２１から周囲面１２３ｂまでの距離と、第２異物検出コイル１２２から***部１２３ａの上面までの距離とはほぼ等しい。即ち、第１異物検出コイル１２１からその検出基準面までの距離と、第２異物検出コイル１２２からその検出基準面までの距離と、は同じにされている。第１異物検出コイル１２１及び第２異物検出コイルは、上述したように、制御部１４（異物検出部１４４）に接続されている。
上述したように、ケース１２３の上面には、***部１２３ａが形成されている。***部１２３ａは、平面視において（図４参照）、送電コイル１２０の上述した巻回中心軸Ｏ周辺に形成されている。巻回中心軸Ｏ周辺に形成された送電コイル１２０の中央の孔の範囲は、給電時に強磁束が発生する範囲であり、この***部１２３ａの形成によって、送電コイルユニット１２上に異物が入り込むのを抑制する。異物の入り込み抑制については追って詳しく説明する。***部１２３ａの周囲には周囲面１２３ｂが形成されており、周囲面１２３ｂは、平面であり、送電コイルユニット１２が降下位置にあるときに地面と平坦になる。***部１２３ａの上面は、周囲面１２３ｂと平行である。
平面視において（図４参照）、***部１２３ａは上述したように送電コイル１２０の巻回中心軸Ｏ周辺に形成されており、かつ、環状の送電コイル１２０の内周縁１２０ａは***部１２３ａの内側に配置されている。本実施形態では、平面視において、***部１２３ａは内周縁１２０ａのすぐ外側で周囲面１２３ｂから上方に***されている。なお、***部１２３ａは、平面視において、その内側に内周縁１２０ａを含むのであれば、内周縁１２０ａとほぼ一致する位置から***されてもよい。
従って、***部１２３ａも、内周縁１２０ａとほぼ同じ形状の、四隅が丸められた長方形を有している。なお、ケース１２３の表面には何らかの模様[pattern]（例えば、美的デザインとしての模様や滑り止めのための模様等）が形成されてもよく、このような模様の凹凸[asperity]（微細な高低差[minute height difference]）は「***部」ではない。また、本実施形態では、「***部」は、巻回中心軸Ｏの周辺に１つだけ設けられており、その上面が単一の平面となるように形成されている。
***部１２３ａと上述した第２異物検出コイル１２２（第１異物検出コイル１２１）との位置関係を図５に示す。第２異物検出コイル１２２の外周縁１２２ａは、***部１２３ａの境界内周縁１２３ｃ（ケース１２３の内面上）よりも内側に位置されている（図５中の矢印参照）。本実施形態では、外周縁１２２ａは、***部１２３ａの上面が曲面から平面となる位置に一致されている。図５は、内周縁１２０ａ上の任意の一点を含み当該任意の一点における内周縁１２０ａの接線に直角で、かつ、上述した巻回中心軸Ｏに平行な断面（以下、基準断面という）を示している。図５に示される位置関係は、***部１２３ａ（内周縁１２０ａ）の全周にわたって成立している。こうすることで、***部１２３ａの境界（周縁）部の厚さを十分に確保することができ、ケース１２３の上面の強度や剛性の低下を回避できる。特に、***部１２３ａの境界部には応力が集中しやすいため、この部分の強度及び剛性の確保は重要である。
また、***部１２３ａの凸曲側壁[convex side wall]とオーバーラップするように、第１異物検出コイル１２１の内縁部が配置されている。このようにすることで、第２異物検出コイル１２２によって検出しにくい範囲を第１異物検出コイル１２１によってカバーすることができる。なお、***部１２３ａの側壁は、凹曲側壁[concave side wall]や傾斜平側壁[sloped flat side wall]として形成されてもよい。（ただし、傾斜平側壁の場合でも、平面視で***部１２３ａの境界が弧を描いている区間では傾斜平側壁の表面は周方向に曲面となる。）
***部１２３ａと送電コイル１２０（の内周縁１２０ａ）との位置関係を図６に示す。上述したように、平面視において、***部１２３ａは巻回中心軸Ｏの周辺に形成されており、かつ、内周縁１２０ａは***部１２３ａの内側に含まれている。この位置関係をもう少し詳しく説明する。図６も、上述した基準断面を示しており、示されている位置関係は、***部１２３ａ（内周縁１２０ａ）の全周にわたって成立している。図６に示されるように、***部１２３ａの境界点（境界線）Ｘ、内周縁１２０ａを通る送電コイル１２０に対して直角な直角線（直角面）Ｙ、内周縁１２０ａを通り直角線Ｙに対して外側に６０°傾斜する基準傾斜線（基準傾斜面）Ｚを定義する。この時、境界点Ｘは、直角線Ｙよりも外側で、かつ、基準傾斜線Ｚよりも内側に位置している。言い換えれば、***部１２３ａは、内周縁１２０ａの全周にわたって基準傾斜線で形成される基準傾斜面より内側に配置されている。
上述したように、送電コイル１２０の中心孔の範囲は、給電時に強磁束が発生する範囲であり、この範囲内への異物の入り込みが抑制される。実際の測定（送電コイル１２０と受電コイル２２０との間隔：１５０ｍｍ）を通して、内周縁１２０ａ近傍では、放射される磁束が最も強いのは直角線Ｙに対して約３０°であることを発明者は知見した（図６中の矢印参照）。この外側では、磁束は弱くなり、かつ、その方向も側方に向かうので給電にはあまり寄与しない。一方、その内側、即ち、送電コイル１２０の中央の孔の上方（***部１２３ａの上方）では、磁束は若干しか弱くならず、その方向も直角線Ｙにほぼ平行であり、上述したような強磁束の範囲を形成する。従って、直角線Ｙに対して最大でも６０°までをカバーしておけば、強磁束を利用するには十分である。上述した条件を満たすように***部１２３ａを形成することで、給電時に強磁束が発生する範囲を確実にカバーでき、当該範囲内への異物の入り込みを効果的に抑止できる。***部１２３ａによる異物の入り込み抑制については追って詳しく説明する。
なお、本実施形態では、給電時には昇降装置（昇降リンク機構１７及び駆動モータ１８）によって送電コイルユニット１２を上昇させ、送電コイルユニット１２を受電コイルユニット２２に近接（接触）させる。送電コイルユニット１２を受電コイルユニット２２に近接（接触）させることで、給電に必要な出力を低減できる。従って、もし仮に異物検出コイル１２１及び１２２並びに異物検出部１４４によって検出できない異物が送電コイルユニット１２上に残されていても、給電時の磁束によって異物（例えば、金属）の温度が上昇してしまうようなことを抑制できる。また、給電に必要な出力の低減に加えて、送電コイルユニット１２を車体に近づけるので車体が電波遮蔽物として機能するので、周囲への漏れ磁束も低減できる。
また、送電コイルユニット１２の上昇時には、受電コイルユニット２２との距離が距離センサ２０によって監視される。もし仮に異物検出コイル１２１及び１２２並びに異物検出部１４４によって検出できない異物が送電コイルユニット１２上に残されていても、異物（例えば、大きなサイズの異物）によって送電コイルユニット１２の受電コイルユニット２２への近接（接近）が阻害されることで異物を検出できる可能性もある。
さらに、セダンとＳＵＶとでは要求される最低地上高が異なるが、送電コイルユニット１２を上昇させて受電コイルユニット２２の高さに合わせることができれば、車両１０の設計自由度が向上する。例えば、ＳＵＶなのに受電コイルユニット２２を低い位置に設置しなければならないような状況を回避できる。また、セダンとＳＵＶとに一種類の非接触給電システムで対応できる。また、給電時に送電コイルユニット１２と受電コイルユニット２２との垂直位置関係を常に最適にできるので、給電効率を常に良好に維持できる。
なお、送電コイルユニット１２の上昇の監視は、距離センサ２０ではなく、昇降装置のアクチュエータ（駆動モータ１８等）の動作状態に基づいて行われてもよい。例えば、アクチュエータがサーボモータであれば、サーボモータの動作状態に基づいて送電コイルユニット１２の上昇を監視できる。また、送電コイルユニット１２と受電コイルユニット２２とが完全に接触されずに、両者の間にわずかな隙間が形成されても給電に支障はない。上昇装置の機械的精度に起因してこのようなわずかな隙間が形成されても、送電コイルユニット１２と受電コイルユニット２２とが近接されていれば給電は可能である。
給電時の送電コイルユニット１２と受電コイルユニット２２との位置関係を図７に示す。なお、図７には、車両１０の一側のみを示してあるが、他側も対称に形成されている。また、図７では、送電コイルユニット１２は断面として示されているが、受電コイルユニット２２は外形のみが示されている。また、図７には、説明に必要のない部品は示されていない。受電コイルユニット２２は、車両のサブフレーム３００に取り付けられている。サブフレーム３００も簡略化して示されている。図７では送電コイルユニット１２は上昇されており、***部１２３ａの上面が受電コイルユニット２２の底面に接触（近接）されている。受電コイルユニット２２の底面も、***部１２３ａの上面と同様に平面である。周囲面１２３ｂの上方には、サスペンションの部品３０１が配置されている。
本実施形態の受電コイルユニット２２の平面視における大きさは、***部１２３ａ（即ち、給電に有効な上述した強磁束の範囲）の平面視における大きさに等しい、又は、ほぼ等しい。車両１０では、部品３０１のように、受電コイルユニット２２の周囲には多くの部品が配置される。この時、***部１２３ａを設けることで、周囲面１２３ｂの位置を下げることができる。この結果、部品３０１と周囲面１２３ｂとの間にクリアランスを設けることができ、受電コイルユニット２２周囲の部品レイアウトの自由度を向上させることができる。
具体的には、図７に示されるように、***部１２３ａの高さＡ、及び、受電コイルユニット２２の底面からの部品の突出長さＢを定義する。図７に示されるレイアウトでは、Ａ＞Ｂとされており、周囲面１２３ｂと部品３０１との間にはクリアランス（Ａ−Ｂ）が確保されている。言い換えれば、受電コイルユニット２２の底面よりも下方に突出する部品３０１の底面からの突出長さＢが、ケース１２３の上面からの***部１２３ａの高さＡよりも小さくされている。この条件は、平面視で受電コイルユニット２２と***部１２３ａとを重ねた場合の送電コイルユニットの大きさの範囲内で満たされている。
なお、駐車スペースに直線的にアプローチできない場合、車輪の軌跡を考慮すると送電コイルユニット１２は駐車スペースの奥側に配置されるのが好ましい。このような配置では車輪が送電コイルユニット１２上を通過するのを極力回避できる。このような状況を考慮して、前進駐車を想定して受電コイルユニット２２を車両前部に配置するか、後退駐車を想定して受電コイルユニット２２を車両後部に配置する。即ち、受電コイルユニット２２の周囲にはサスペンションの部品が配置されることが想定され得る。サスペンションジオメトリ（特に、アーム、ビーム、ロッド、リンク等の揺動中心位置）の要請から、サスペンションの部品のいくつかは低い位置に配置したい場合がある。このような場合、上述したように、***部１２３ａを設けることで周囲面１２３ｂの位置を下げることができることは、非常に有用である。
（非接触給電システムの動作）
図１１に示されたフローチャートを参照しつつ、上述した非接触給電システムの動作を説明する。
充電制御部２４は、ユーザが充電開始操作を行ったか否かを判断する（ステップＳ１０１）。充電開始操作は、例えば、車両１０の車室内に設置された充電開始スイッチのユーザによる操作である。ユーザが充電開始操作を行った場合（ステップＳ１０１でＹｅｓ）、ユーザは、車両１０を走行させて駐車を開始する（ステップＳ１０３）。なお、オートパーキングシステムによって、車両１０が自動で駐車が開始されてもよい。一方、ユーザが充電開始操作を行っていない場合（ステップＳ１０１でＮｏ）、充電開始操作が行われるまで処理は待機する。
ステップＳ１０３で駐車が開始されたら、充電制御部２４は、無線通信部２３を介して制御部１４と無線通信を開始する（ステップＳ１０５）。充電制御部２４は、車両１０が駐車スペースに接近した際に、弱励磁要求信号を制御部１４に送信する。
制御部１４は、受電コイルユニット２２の位置を検知する（ステップＳ１０７）。制御部１４は、ステップＳ１０５で受信した弱励磁要求信号に基づいて、送電コイルユニット１２に弱励磁のための電力を供給する。充電制御部２４は、受電コイルユニット２２が受電した電力が所定値以上の場合に、受電コイルユニット２２が充電可能範囲内に位置していると判断する。この判断は、無線通信部１３及び２３を介して制御部１４も把握する。
受電コイルユニット２２が充電可能範囲内に位置している場合（ステップＳ１０９でＹｅｓ）、制御部１４は、送電コイルユニット１２と受電コイルユニット２２とのペアリングが行われる（ステップＳ１１１）。ペアリングとは、受電コイルユニット２２と電力を供給する送電コイルユニット１２との組み合わせを認証することである。例えば、充電ステーションが並んでいるような駐車場で隣の充電ステーションを誤動作させないための処理がペアリングである。
制御部１４が、ペアリングが完了した場合（ステップＳ１１１でＹｅｓ）、制御部１４は、異物検出コイル１２１及び１２２を用いて、送電コイルユニット１２の上に異物があるか否かを検出する（ステップＳ１１５）。送電コイルユニット１２の上に異物がある場合（ステップＳ１１５でＹｅｓ）、通知部３０は、送電コイルユニット１２の上に異物があることをユーザに通知し（ステップＳ１１７）、処理が終了する。なお、ステップＳ１１７において、通知部３０は、ユーザに異物を取り除くよう指示してもよい。この場合、ユーザが異物を取り除くと処理はステップＳ１１９に進む。
送電コイルユニット１２の上に異物がない場合（ステップＳ１１５でＮｏ）、通知部３０は、充電可能であることをユーザに通知する（ステップＳ１１９）。ユーザが車両１０の走行システムを停止した場合（ステップＳ１２１でＹｅｓ）、処理はステップＳ１２３に進み、制御部１４は、昇降装置を制御して送電コイルユニット１２を上昇させて受電コイルユニット２２に近接（接触）させる（ステップＳ１２３）。その後、制御部１４は、充電を開始する（ステップＳ１２５）。ユーザが、走行システムを停止していない場合（ステップＳ１２１でＮｏ）、走行システムが停止されるまで処理は待機する。
（***部による異物の入り込み抑制）
本実施形態では、地上側に設けられた上方移動可能な送電コイルユニット１２の上面に上述した***部１２３ａが形成される。そして、この***部１２３ａによって、送電コイルユニット１２上に、特に、上述した給電時に強磁束が生じる範囲内に異物が入り込むのを抑止する。
非給電時には、送電コイルユニット１２は地面レベルに降ろされており、周囲面１２３ｂが地面と同じ高さである。この時、***部１２３ａは地面より高い位置にあり、異物が周囲面１２３ｂから***部１２３ａへと上ることは、昆虫などの生物である場合以外は考えにくい（これは非常にまれな場合であるし、生物は他の場所に移動する）。また、風などによって***部１２３ａの上に運ばれることも考えられるが、そのような場合は***部１２３ａの上から他の場所にも運ばれる。さらに、従って、異物が***部１２３ａから周囲面１２３ｂ上に落ちてしまえば、その異物が***部１２３ａ上に戻ってしまう可能性は低く、***部１２３ａ上に異物が入り込んでそのままとなってしまうのを抑制できる。
なお、上記の場合、周囲面１２３ｂ上には異物が入り込んで残ってしまう可能性がある。しかし、上述したように、本実施形態では、給電時には送電コイルユニット１２を上方移動させて受電コイルユニット２２に近接（接触）させるので、給電に必要な出力自体が低減されている。従って、***部１２３ａに対応する強磁束の範囲に異物が入り込むのは抑制することで、給電への影響を十分に回避できる。そして、強磁束の範囲外の周囲面１２３ｂ上に異物が残っていてそのまま給電に移行したとしても、給電はほとんど影響を受けない。もし仮に、異物が金属であったとしても、磁束が弱いのでその温度が過剰に上昇するようなことも回避できる。
特に、本実施形態では、周囲面１２３ｂに対応させて、第１異物検出コイル１２１を設けてあり、第１異物検出コイル１２１を利用して周囲面１２３ｂ上の異物を検出できる。従って、本実施形態では、周囲面１２３ｂ上に異物が残されたまま給電が開始されるのも回避できる。
次に、給電時には、送電コイルユニット１２を上方移動させて受電コイルユニット２２に近接（接触）させる。異物の大きさにもよるが、***部１２３ａ上に大きな異物があれば、送電コイルユニット１２を受電コイルユニット２２に近接（接触）させることができず、異物の存在を検出できる。送電コイルユニット１２が受電コイルユニット２２に近接（接触）したか否かは、距離センサ２０や上昇装置のアクチュエータの状態から検出可能である。特に、本実施形態では、第２異物検出コイル１２２も設けてあり、第１異物検出コイル１２１を利用して周囲面１２３ｂ上の異物を検出できる。第１異物検出コイル１２１によれば小さな異物も検出できる。従って、本実施形態では、***部１２３ａ上に異物が残されたまま給電が開始されるのも回避できる。
また、給電中には、***部１２３ａは受電コイルユニット２２に近接（接触）されている。そして、この両者の位置は地面から高く、車体が遮蔽物として機能する。従って、給電中には、***部１２３ａと受電コイルユニット２２との間に異物が入り込んでしまうようなことを確実に防止できる。現在、ＥＶやＰＨＶの充電にはガソリンの充填よりも長い時間が必要である。しかし、例えば、長時間充電中に異物が風によって運ばれてきたり、誰かが車両の近くで何かを落としてばらまいたりしたとしても、***部１２３ａと受電コイルユニット２２との間に異物が入り込んでしまうようなことを確実に防止できる。その結果、***部１２３ａに対応する強磁束の範囲に異物が入り込むのは抑制することで、給電への影響を十分に回避できる。
さらに、給電中には、***部１２３ａは受電コイルユニット２２に近接（接触）されているので、周囲面１２３ｂの位置も地面から高く、車体が遮蔽物として機能する。従って、給電中には、周囲面１２３ｂと車体との間に異物が入り込んでしまうようなことも確実に防止できる。その結果、周囲面１２３ｂ上に異物が入り込むのも抑制され、給電への影響を十分に回避できる。なお、上述したように、もし仮に、周囲面１２３ｂ上に異物が入り込んだとしても、給電への影響は少ない。また、上述したように、本実施形態では、第１異物検出コイル１２１も設けられている。
なお、上記実施形態では、送電コイル１２０は長円外形を有するように形成されたが、正円形や楕円形、多角形状に形成されてもよい。この場合、受電コイル２２０及び***部１２３ａも送電コイル１２０に対応する形状に形成されるのがよい。また、上記実施形態では、第１異物検出コイル１２１に加えて、***部１２３ａ上の異物を検出する第２異物検出コイル１２２も設けられた。しかし、***部１２３ａの形成によって***部１２３ａ上の異物への対処が十分であるのであれば、第２異物検出コイル１２２は設けられなくてもよい。また、上記実施形態では、昇降装置は送電コイルユニット１２を垂直移動させるが、弧状や斜め直線状に送電コイルユニット１２を上方移動させてもよい。
また、上記実施形態では、***部１２３ａの上面は平面とされたが、砂や雨水が周囲面１２３ｂ上に落ちやすいように、***部１２３ａの中央から下がる、わずかな曲面やわずかな傾斜面とされてもよい。なお、本発明の非接触給電システムは、給電コイルと受電コイルとが磁気的に結合する給電システムに適用でき、電磁誘導方式[electromagnetic inductive coupling type]の給電システムに加えて、磁界共振方式[resonant capacitive coupling type]の給電システムにも適用できる。
本発明は、車両に搭載される非接触給電システムに適用できる。
１０ 車両
１２ 送電コイルユニット
１２０ 送電コイル
１２０ａ （送電コイル１２０の）内周縁
１２１ 第１異物検出コイル
１２２ 第２異物検出コイル
１２２ａ （第２異物検出コイル１２２の）外周縁
１２３ ケース
１２３ａ ***部
１２３ｂ 周囲面
１２３ｃ （***部１２３ａの）境界内周縁
２２ 受電コイルユニット
２２０ 受電コイル
１５ ベース
１７ 昇降リンク機構（昇降装置）
１８ 駆動モータ（昇降装置）
３０１ （受電コイルユニット２２の底面よりも下方に突出する）部品
Ｙ 直角線（直角面）
Ｚ 基準傾斜線（基準傾斜面）
Ａ （部品３０１の）突出長さ
Ｂ （***部１２３ａの）高さ
Ｏ （送電コイルの）巻回中心軸
本発明の特徴は、地上側に設けられた送電コイルユニットと、この送電コイルユニットを地面から上方に移動させる昇降装置とを備えた車両用の非接触空電装置を提供する。ここで、送電コイルユニットは、車両側に設けられた受電コイルユニットと磁気的に結合して電力を送電する。送電コイルユニットは、面状に巻回された送電コイル、第１異物検出コイル及び第２異物検出コイルを収納したケースを有している。ケースの上面には、送電コイルの巻回中心軸周辺に、周囲面から上方に***した***部が形成されている。第１異物検出コイルは、送電コイル上に配置され、当該第１異物検出コイルに発生する誘導電圧に基づいて送電コイルの上方の異物を検出する。第２異物検出コイルは、***部の下方に配置され、当該第２異物検出コイルに発生する誘導電圧に基づいて***部上の異物を検出する。
なお、以下、非接触給電システムに関して「地上側[ground-side]」の語は、「地面[on the ground]」の場合と「地下[under the ground]」の場合とを含み、「車両側」に対する側である。なお、システムがビルの中間階に設けられるような場合を考慮して、「地上側」の語は「床側[floor-side]」の場合も含む。この「床側」の語も、「床面[on the floor]」の場合と「床下[under the floor]」の場合を含む。
上記特徴によれば、送電コイルユニットの上面に***部を設けることで、非給電時には一段高くされている***部の上に異物が残り難くできる。また、給電中には***部を受電コイルユニットの底面に近接（接触）させることで隙間をなくし、***部上（即ち、送電コイルユニットと受電コイルユニットの間）に異物が入り込むのを確実に抑止できる。さらに、給電時には上方移動可能な送電コイルユニットを車両の受電コイルユニットに近接（接近）させることができる。従って、給電に必要な出力を低減できるので、もし仮に送電コイルユニット上に異物が入り込んだとしても異物による給電への影響を低減できる。また、第１異物検出コイルによって送電コイルの上方の異物を検出でき、第２異物検出コイルによって***部上の異物を検出できる。
受電コイル２２０も、巻回中心軸回りに環状に巻回されており、かつ、長円外形を有するように面状に巻回されている。受電コイル２２０も、その中央（即ち、巻回中心軸周辺）に孔を有する長円外形を有する。受電コイル２２０は、送電コイル１２０よりも小さく、送電コイル１２０の中央の孔よりやや大きい（図７参照）。送電コイル１２０の巻回中心軸Ｏと受電コイル２２０の巻回中心軸とを完全に一致させて非接触給電するのが最も好ましい。
第２異物検出コイル１２２は、第１異物検出コイル１２１よりも高く配置されている。第１異物検出コイル１２１から周囲面１２３ｂまでの距離と、第２異物検出コイル１２２から***部１２３ａの上面までの距離とはほぼ等しい。即ち、第１異物検出コイル１２１からその検出基準面までの距離と、第２異物検出コイル１２２からその検出基準面までの距離と、は同じにされている。第１異物検出コイル１２１及び第２異物検出コイル１２２は、上述したように、制御部１４（異物検出部１４４）に接続されている。
***部１２３ａと送電コイル１２０（の内周縁１２０ａ）との位置関係を図６に示す。上述したように、平面視において、***部１２３ａは巻回中心軸Ｏの周辺に形成されており、かつ、内周縁１２０ａは***部１２３ａの内側に含まれている。この位置関係をもう少し詳しく説明する。図６も、上述した基準断面を示しており、示されている位置関係は、***部１２３ａ（内周縁１２０ａ）の全周にわたって成立している。図６に示されるように、***部１２３ａの境界点（境界線）Ｘ、内周縁１２０ａを通る送電コイル１２０に対して直角な直角線（直角面）Ｙ、内周縁１２０ａを通り直角線Ｙに対して外側に６０°傾斜する基準傾斜線（基準傾斜面）Ｚを定義する。この時、境界点Ｘは、直角線Ｙよりも外側で、かつ、基準傾斜線Ｚよりも内側に位置している。言い換えれば、***部１２３ａは、内周縁１２０ａの全周にわたって基準傾斜線Ｚで形成される基準傾斜面より内側に配置されている。
給電時の送電コイルユニット１２と受電コイルユニット２２との位置関係を図７に示す。なお、図７には、車両１０の一側のみを示してあるが、他側も対称に形成されている。また、図７では、送電コイルユニット１２は断面として示されているが、受電コイルユニット２２は外形のみが示されている。また、図７には、説明に必要のない部品は示されていない。受電コイルユニット２２は、車両１０のサブフレーム３００に取り付けられている。サブフレーム３００も簡略化して示されている。図７では送電コイルユニット１２は上昇されており、***部１２３ａの上面が受電コイルユニット２２の底面に接触（近接）されている。受電コイルユニット２２の底面も、***部１２３ａの上面と同様に平面である。周囲面１２３ｂの上方には、サスペンションの部品３０１が配置されている。
具体的には、図７に示されるように、***部１２３ａの高さＡ、及び、受電コイルユニット２２の底面からの部品３０１の突出長さＢを定義する。図７に示されるレイアウトでは、Ａ＞Ｂとされており、周囲面１２３ｂと部品３０１との間にはクリアランス（Ａ−Ｂ）が確保されている。言い換えれば、受電コイルユニット２２の底面よりも下方に突出する部品３０１の底面からの突出長さＢが、ケース１２３の上面からの***部１２３ａの高さＡよりも小さくされている。この条件は、平面視で受電コイルユニット２２と***部１２３ａとを重ねた場合の送電コイルユニット１２の大きさの範囲内で満たされている。
（非接触給電システムの動作）
図８に示されたフローチャートを参照しつつ、上述した非接触給電システムの動作を説明する。
非給電時には、送電コイルユニット１２は地面レベルに降ろされており、周囲面１２３ｂが地面と同じ高さである。この時、***部１２３ａは地面より高い位置にあり、異物が周囲面１２３ｂから***部１２３ａへと上ることは、昆虫などの生物である場合以外は考えにくい（これは非常にまれな場合であるし、生物は他の場所に移動する）。また、風などによって***部１２３ａの上に運ばれることも考えられるが、そのような場合は***部１２３ａの上から他の場所にも運ばれる。さらに、異物が***部１２３ａから周囲面１２３ｂ上に落ちてしまえば、その異物が***部１２３ａ上に戻ってしまう可能性は低く、***部１２３ａ上に異物が入り込んでそのままとなってしまうのを抑制できる。
なお、上記の場合、周囲面１２３ｂ上には異物が入り込んで残ってしまう可能性がある。しかし、上述したように、本実施形態では、給電時には送電コイルユニット１２を上方移動させて受電コイルユニット２２に近接（接触）させるので、給電に必要な出力自体が低減されている。従って、***部１２３ａに対応する強磁束の範囲に異物が入り込むのを抑制することで、給電への影響を十分に回避できる。そして、強磁束の範囲外の周囲面１２３ｂ上に異物が残っていてそのまま給電に移行したとしても、給電はほとんど影響を受けない。もし仮に、異物が金属であったとしても、磁束が弱いのでその温度が過剰に上昇するようなことも回避できる。
次に、給電時には、送電コイルユニット１２を上方移動させて受電コイルユニット２２に近接（接触）させる。異物の大きさにもよるが、***部１２３ａ上に大きな異物があれば、送電コイルユニット１２を受電コイルユニット２２に近接（接触）させることができず、異物の存在を検出できる。送電コイルユニット１２が受電コイルユニット２２に近接（接触）したか否かは、距離センサ２０や上昇装置のアクチュエータの状態から検出可能である。特に、本実施形態では、第２異物検出コイル１２２も設けてあり、第２異物検出コイル１２２を利用して***部１２３ａ上の異物を検出できる。第２異物検出コイル１２２によれば小さな異物も検出できる。従って、本実施形態では、***部１２３ａ上に異物が残されたまま給電が開始されるのも回避できる。
１０ 車両
１２ 送電コイルユニット
１２０ 送電コイル
１２０ａ （送電コイル１２０の）内周縁
１２１ 第１異物検出コイル
１２２ 第２異物検出コイル
１２２ａ （第２異物検出コイル１２２の）外周縁
１２３ ケース
１２３ａ ***部
１２３ｂ 周囲面
１２３ｃ （***部１２３ａの）境界内周縁
２２ 受電コイルユニット
２２０ 受電コイル
１５ ベース
１７ 昇降リンク機構（昇降装置）
１８ 駆動モータ（昇降装置）
３０１ （受電コイルユニット２２の底面よりも下方に突出する）部品
Ｙ 直角線（直角面）
Ｚ 基準傾斜線（基準傾斜面）
Ａ （部品３０１の）突出長さ
Ｂ （***部１２３ａの）高さ
Ｏ （送電コイル１２０の）巻回中心軸

Claims (7)

  1. 車両用非接触給電システムであって、
    地上側に設けられた送電コイルユニットと、
    前記送電コイルユニットを地面から上方に移動させる昇降装置と、を備えており、
    前記送電コイルユニットが、車両側に設けられる受電コイルユニットに収納された受電コイルとの磁気的結合によって前記受電コイルユニットに非接触で送電する送電コイルと、前記送電コイルを収納するケースとを備えており、
    前記送電コイルが、巻回中心軸回りに面状に巻回されており、
    前記ケースの上面の前記巻回中心軸周辺に、周囲面から上方に***した***部が形成されている、非接触給電システム。
  2. 請求項１に記載の非接触給電システムであって、
    平面視において、前記***部の内側に前記送電コイルの内周縁が配置されている、非接触給電システム。
  3. 請求項１又は２に記載の非接触給電システムであって、
    前記送電コイルユニットが、前記ケース内に第１異物検出コイルをさらに備えており、
    前記第１異物検出コイルは、前記送電コイル上に配置され、当該第１異物検出コイルに発生する誘導電圧に基づいて前記送電コイルの上方の異物を検出する、非接触給電システム。
  4. 請求項３に記載の非接触給電システムであって、
    前記送電コイルユニットが、前記ケース内に第２異物検出コイルをさらに備えており、
    前記第２異物検出コイルは、前記***部の下方に配置され、当該第２異物検出コイルに発生する誘導電圧に基づいて前記***部上の異物を検出する、非接触給電システム。
  5. 請求項４に記載の非接触給電システムであって、
    前記内周縁上の任意の一点を含み当該任意の一点における前記内周縁の接線に直角で、かつ、前記巻回中心軸に平行な断面において、前記第２異物検出コイルの外周縁は、前記ケース内面上の前記***部の境界内周縁よりも内側に位置されている、非接触給電システム。
  6. 請求項２〜５の何れか一項に記載の非接触給電システムであって、
    前記内周縁上の任意の一点を含み当該任意の一点における前記内周縁の接線に直角で、かつ、前記巻回中心軸に平行な断面において、前記内周縁を通り前記送電コイルに対して直角な直角線、及び、前記内周縁を通り前記直角線に対して外側に６０°傾斜する基準傾斜線を定義した場合に、
    前記***部は、前記内周縁の全周にわたって前記基準傾斜線で形成される基準傾斜面より内側に配置されている、非接触給電システム。
  7. 請求項２〜６の何れか一項に記載の非接触給電システムであって、
    前記車両の下面に取り付けられた前記受電コイルユニットをさらに備えており、
    前記受電コイルユニットの前記平面視における大きさが前記***部の前記平面視における大きさに等しく、前記平面視で前記受電コイルユニットと前記***部とを重ねた場合の前記送電コイルユニットの大きさの範囲内の前記車両の前記下面において、前記受電コイルユニットの底面よりも下方に突出する部品の前記底面からの突出長さが、前記ケースの前記上面からの前記***部の高さよりも小さくされている、非接触給電システム。
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