(57)【要約】【課題】給電装置の一次コイルと受電装置の二次コイルとの間に侵入した異物検出手段の故障を判断し異物を確実に検知する。【解決手段】受電装置４に非接触で電力を供給する給電装置２であって、給電装置２は、基板４２と、基板４２上に配置され、交流電流によって磁束を発生する一次コイル４４と、基板４２に取り付けられ、一次コイル４４を覆うカバー４０と、カバー４０上に存在する物体を検知する異物検知手段１４と、異物検知手段１４の監視行う監視手段１７を備える。カバー４０上に存在する物体を検知可能な異物検知手段１４を備え、異物検知手段１４の動作を監視しているので、一次コイル４４と受電装置４の二次コイルとの間への異物を常に安全確実に検知することが可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、
前記給電装置は、
基板と、
前記基板上に配置され、交流電流によって磁束を発生する一次コイルと、
前記基板に取り付けられ、前記一次コイルを覆うカバーと、
前記カバー上に存在する物体を検知する静電容量センサと、前記静電容量センサの信号の監視を行う監視手段を備える非接触電力伝送装置。
【請求項２】
前記静電容量センサは、前記カバーと前記一次コイルとの間に設置される、請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
【請求項３】
給電装置から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、
前記受電装置は、
基板と、
前記基板上に配置され、前記給電装置の一次コイルが発生した磁束によって起電力を発生する二次コイルと、
前記基板に取り付けられ、前記二次コイルを覆うカバーと、
前記カバー上に存在する物体を検知する静電容量センサと、前記静電容量センサの信号の監視を行う監視手段を備える非接触電力伝送装置。
【請求項４】
前記監視手段は、前記受電装置の相対的位置関係が接近してきたことをトリガーに静電容量センサの信号変化を監視する請求項１記載の非接触電力伝送装置。
【請求項５】
前記監視手段は、前記給電装置の相対的位置関係が接近してきたことをトリガーに静電容量センサの信号変化を監視する請求項３記載の非接触電力伝送装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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電力伝送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８は、従来の非接触電力伝送装置１０１の構成を示す模式図である。図８において、地上側の電源１０４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１０２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１０３に誘導起電力が生じ、これによって、一次コイル１０２から二次コイル１０３へと電力が非接触で伝達される。
【０００３】
受電装置Ｇは、例えば車載バッテリー１０５に接続され、上述したようにして伝達された電力が車載バッテリー１０５に充電される。この車載バッテリー１０５に蓄積された電力により車載のモータ１０６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１０７により必要な情報交換が行われる。
【０００４】
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、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。
【０００５】
図９において、給電装置Ｆは、一次コイル１０２、１次磁心コア１０８、背板１１０、及びカバー１１１等を備える。受電装置Ｇは、簡単に述べると、給電装置Ｆと対称的な構造を有しており、二次コイル１０３、２次磁心コア１０９、背板１１０、カバー１１１等を備え、一次コイル１０２と１次磁心コア１０８の表面、および二次コイル１０３と２次磁心コア１０９の表面は、それぞれ、発泡材１１３が混入されたモールド樹脂１１２にて被覆固定されている。
【０００６】
すなわち、給電装置Ｆ，受電装置Ｇ共に、背板１１０とカバー１１１間にモールド樹脂１１２が充填され、内部の一次コイル１０２、二次コイル１０３、更には１次磁心コア１０８、２次磁心コア１０９の表面が、被覆固定されている。モールド樹脂１１２は、例えばシリコン樹脂製よりなり、このように内部を固めることにより、一次コイル１０２、二次コイル１０３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。すなわち、一次コイル１０２、二次コイル１０３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１１２の熱伝導により放熱され、冷却される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−８７７３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
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１１１上に異物が載ってしまうことも考えられる。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１１１に載り、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１０２と二次コイル１０３の間に、磁束が鎖交可能なループ状の導電体が挿入されると、導電体両端に起電力が発生してしまう。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１０２、二次コイル１０３の間に異物が侵入したときに、異物の侵入を確実に検知することが求められる。さらに、その異物を検出する手段が正常動作しているかどうかを監視する必要があり、検出する手段が故障をしている場合は侵入した異物の過熱は検出できない。
【０００９】
それゆえに、本発明は、一次コイルと二次コイルとの間への異物の侵入を確実に、監視可能な非接触電力伝送装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述の課題を解決するために、本発明の一態様によれば、受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、前記給電装置は、基板と、前記基板上に配置され、交流電流によって磁束を発生する一次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記一次コイルを覆うカバーと、前記カバー上に存在する物体を検知する静電容量センサと、前記静電容量センサの監視を行う監視手段を備える非接触電力伝送装置が提供される。
【００１１】
本発明の別の態様によれば、給電装置から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、前記受電装置は、基板と、前記基板上に配置され、前記給電装置の一次コイルが発生した磁束によって起電力を発生する二次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記二次コイルを覆うカバーと、前記カバー上に存在する物体を検知する静電容量センサと、前記静電容量センサの監視を行う監視手段を備える非接触電力伝送装置が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、非接触電力伝送装置の給電装置や受電装置は、カバー上に存在する物体を検知可能な静電容量センサを備え、さらに静電容量センサの監視を行う監視手段を備えているので、一次コイルと二次コイルとの間への異物の侵入を常に安全確実に検知することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明に係る非接触電力伝送装置のブロック図
【図２】図１に示す非接触電力伝送装置の正面図
【図３】静電容量センサである異物検知手段のブロック図
【図４】（Ａ）給電装置の部分断面図（Ｂ）別の形態の給電装置の部分断面図
【図５】異物検知と伝送電力制御とを示すフローチャート
【図６】異物検知手段異常処理を示すフローチャート
【図７】異物侵入処理を示すフローチャート
【図８】従来の非接触電力伝送装置の構成を示す模式図
【図９】図８の給電装置Ｆに対峙して配置される受電装置Ｇの内部構造を示す模式図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の一態様は、受電装置に非接触で電力を供給する給電装置であって、前記給電装置は、基板と、前記基板上に配置され、交流電流によって磁束を発生する一次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記一次コイルを覆うカバーと、前記カバー上に存在する物体を検知する静電容量センサと、静電容量センサの正常動作の監視を行う監視手段を備える。
【００１５】
また、本発明の別態様は、給電装置から非接触で電力供給を受ける受電装置であって、前記受電装置は、基板と、前記基板上に配置され、前記給電装置の一次コイルが発生した磁束によって起電力を発生する二次コイルと、前記基板に取り付けられ、前記二次コイルを覆うカバーと、前記カバー上に存在する物体を検知する静電容量センサと、静電容量センサの正常動作の監視を行う監視手段を備える。
【００１６】
このように、非接触電力伝送装置の給電装置や受電装置は、カバー上に存在する物体を検知可能な静電容量センサと静電容量センサの正常動作の監視を行う監視手段を備えているので、一次コイルと二次コイルとの間への異物の侵入を常に安全確実に検知することが可能となる。
【００１７】
なお、本明細書で言う「カバー上」は、カバーの外側表面上またはカバーの外側表面の上方を言う。
【００１８】
静電容量センサは、外部から保護されるために、カバーとコイルとの間に設置されるのが好ましい。
【００１９】
また、静電容量センサを監視する監視手段は、マイクロコンピュータなどの制御部でセンサの信号処理されるのが好ましく、その監視のタイミングは、所定の間隔で監視、給電装置へ車両が接近してきた時や、車両からの制御信号を受信した時など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。
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について、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。
【００２１】
図１は、本発明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に設置され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２と、例えば電気推進車両に搭載される受電装置４とで構成される。
【００２２】
給電装置２は、商用電源６に接続される電源箱８と、インバータ部１０と、コイルユニット１２と、異物検知手段１４と、制御部（例えば、マイコン）１６と、異物検知手段１４の信号を監視する監視手段１７を備える。一方、受電装置４は、コイルユニット１８と、整流部２０と、負荷（バッテリー）２２と、制御部（例えば、マイコン）２４とを備えている。
【００２３】
給電装置２において、商用電源６は、低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、電源箱８の入力端に接続され、電源箱８の出力端はインバータ部１０の入力端に接続され、インバータ部１０の出力端はコイルユニット１２に接続されている。一方、受電装置４においては、コイルユニット１８の出力端は整流部２０の入力端に接続され、整流部２０の出力端は負荷２２に接続されている。
【００２４】
また、コイルユニット１２は地上に敷設され、電源箱８は、例えばコイルユニット１２から所定距離だけ離隔した位置に立設される。一方、コイルユニット１８は、例えば車体底部（例えば、シャーシ）に取り付けられる。
【００２５】
制御部１６は制御部２４と無線通信を行い、制御部２４は、検知した負荷２２の残電圧に応じて電力指令値を決定し、決定した電力指令値を制御部１６に送信する。制御部１６は、コイルユニット１２で検知した給電電力と、受信した電力指令値とを比較し、電力指令値が得られるようにインバータ部１０を駆動する。
【００２６】
給電中、制御部２４は受電電力を検知し、負荷２２に過電流や過電圧がかからないように、制御部１６への電力指令値を変更する。
【００２７】
図２に示されるように、給電装置２から受電装置４に給電するに際し、コイルユニット１８は、車両を適宜移動させることでコイルユニット１２に対向して配置され、制御部１６がインバータ部１０を駆動制御することで、コイルユニット１２とコイルユニット１８との間に高周波の電磁場が形成される。受電装置４は、高周波の電磁場より電力を取り出し、取り出した電力で負荷２２を充電する。
【００２８】
異物検知手段１４は、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２のコイルユニット１２に設けられる。
【００２９】
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物体であり、特に電磁界により昇温して非接触充電装置（本実施の形態においては給電装置２）に被害をもたらす可能性のある金属片などのことである。
【００３０】
図３は、異物検知手段１４のブロック図である。異物検知手段１４は、異物との間の静電容量を測定する静電容量センサであって、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。そのために、異物検知手段１４は、電極３０と、電圧供給部３２と、Ｃ／Ｖ変換部３４と、信号処理部３６とを備える。信号処理部３６で処理された信号は、図１の制御部１６の監視手段１７で監視され、信号変化があるかどうかを監視し、静電容量センサの正常動作を行っているかの妥当性を判断している。
【００３１】
異物検知手段１４（その電極３０）は、具体的には、図４（Ａ）に示されるように、コイルユニット１２のカバー４０の裏側に設置されている。コイルユニット１２のカバー４０は、基板４２上に配置された一次コイル４４を保護するために、一次コイル４４を上方から覆うように、基板４２に取り付けられている。異物検知手段１４の電極３０は、カバー４０上に存在する異物３８との間の静電容量を測定できるように、さらに外部から保護されるように、カバー４０の裏側、すなわち、カバー４０と一次コイル４４との間に設置されている。
【００３２】
なお、異物検知手段１４の電極３０は、図４（Ｂ）に示されるように、外部に露出しないようにカバー４０内に組み込まれてもよい。
【００３３】
図３に示すように、異物検知手段１４の電圧供給部３２は、グラウンド（ＧＮＤ）電位を基準とする所定の電位を電極３０に印加する。これにより、電極３０と異物３８との間に静電容量Ｃ１が発生し、その静電容量Ｃ１は、数式１で表現される。
【００３４】
【数１】
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【００３５】
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３０と異物３８の対極する最小面積、ｄは電極３０と異物３８の間の距離である。
【００３６】
異物検知手段１４のＣ／Ｖ変換部３４は、静電容量Ｃ１を電圧値に変換する。ここでは、異物３８とＧＮＤ電位との間の静電容量をＣ２とした場合、静電容量Ｃ１＋Ｃ２を対応する電圧値にＣ／Ｖ変換部３４は変換する。
【００３７】
異物検知手段１４の信号処理部３６は、Ｃ／Ｖ変換部３４の変換によって生成された電圧値に対応する信号、すなわち測定した静電容量に対応する信号を、図１に示されるように、給電装置２の制御部１６に送信する。
【００３８】
このような異物検知手段１４によれば、静電容量の測定に際し、その測定値が変動すると、それは、図３に示されるように、電極３０に異物３８が接近したことを示す。したがって、異物検知手段１４を適当に設け、監視手段１７が信号の変化を監視することで静電容量センサの正常動作を判断しているので、給電装置２のカバー４０上に存在する異物を確実に検知することができる。
【００３９】
次に、図５のフローチャートを参照しながら、異物検知手段１４および監視手段１７による異物検知手段１４の正常動作の判断と、異物検知に基づく伝送電力制御について説明する。
【００４０】
図５のフローチャートのステップＳ１において、受電装置４を搭載した車両が、その車両コイルユニット１８がコイルユニット１２に接近し対向停止するまでに、車両から何らかのトリガーを給電装置の制御部１６に指令を送信する。制御部１６が制御部２４から制御指令を受信すると、制御部１６は、ステップＳ２において、異物検知手段１４の静電容量の信号の測定動作を開始し、監視手段１７がその信号変化の監視を開始する。コイルユニット１２の異物検知手段１４の測定した静電容量は車の接近、受電装置４の対抗される車両本体、車両コイルユニット１８によって、図２のように周囲の環境変化によって静電容量のカップリングの変化が生じる。
【００４１】
したがって、ステップＳ３において静電容量の変化が発生するので、監視手段１７には信号変化が発生し、ステップＳ４にて制御部１６に入力され、初期値として記憶される。例えば、車両が停止し、異物３８が給電装置２のカバー４０上に存在しない場合の静電容量が初期値として記憶される。
【００４２】
ところが、静電容量の変化が生じない場合は、ステップＳ５へ移行し、異常処理を行う。図６のフローチャートにおいて異物検知手段１４の異常処理の流れを示しており、まずステップＳ２１において、異物検知手段１４の異常を表示や音などの告知手段により告知する。例えば、図２に示すスピーカ４６によって告知する。また、異物検知手段の異常と判断した場合は、ステップ３２で、以降給電装置２の機能を停止して、給電の動作は実施されない。この初期チェックによって異物検知手段１４の正常動作を確認することができ、以降、異物検知の確実な動作が実行されるものである。
【００４３】
また、ステップＳ４において、初期値を記憶した後、制御部１６は、インバータ部１０に電力伝送開始を指示し、コイルユニット１２からコイルユニット１８への電力供給を開始する。
【００４４】
ステップＳ６において、制御部１６は、電力供給中に異物検知手段１４が測定する静電容量と記憶している初期値とを比較し、電力供給中に異物が侵入したか否か、すなわち、異物の侵入によって異物検知手段１４が測定する静電容量が初期値から変化して超えたか否かを判定する。なお、例えば、測定した静電容量と初期値との差の絶対値が所定値を超えた場合に、異物が侵入したと判定するようにしてもよい。
【００４５】
ステップＳ６において、電力供給中に異物が侵入したと判定されると、その異物の過熱による給電装置２の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侵入処理を行う。ステップＳ７において、異物が侵入していないと判定された場合は、ステップＳ８において、制御部１６は、インバータ部１０に電力伝送を継続させる。
【００４６】
図７のフローチャートは異物侵入処理の流れを示しており、まずステップＳ３１において、異物侵入を表示や音などの告知手段により告知する。例えば、図２に示すスピーカ４６によって告知する。
【００４７】
次に、ステップＳ３２において、電力供給中に異物検知手段１４が測定する静電容量が予め設定された設定値を超えたか否かを判定する。設定値は、例えば異物が金属物である場合にとりうる静電容量の値に設定されている。
【００４８】
ステップＳ３２において、静電容量が設定値を超えていると判定された場合には、ステップＳ３３に移行し、制御部１６が、コイルユニット１２からコイルユニット１８への伝送電力を所定量（例えば、１／２）低下したり、電力伝送を停止する制御を行う。さらに、ステップＳ３４において、異物侵入により送電電力を制御していることを表示や音などの告知手段４６により告知して、異物侵入処理を終了する。
【００４９】
ステップＳ３２において、静電容量が設定値を超えていないと判定された場合には、ステップＳ３３、ステップＳ３４を迂回して異物侵入処理を終了する。
【００５０】
図５に戻り、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Ｓ１０に移り、制御部１６は、インバータ部１０に電力伝送終了を指示し、コイルユニット１２からコイルユニット１８への電力供給を停止し、異物検知手段１４は静電容量測定動作を終了する。
【００５１】
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には、ステップＳ６に戻り、充電が完了している場合には、ステップＳ１０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。
【００５２】
本実施の形態によれば、給電装置２は、カバー４０上に存在する物体を検知可能な異物検知手段（静電容量センサ）１４を備えているので、コイルユニット１２とコイルユニット１８との間への異物の侵入を安全確実に検知することが可能となる。
【００５３】
以上、上述の実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限らない。
【００５４】
例えば、給電装置２に異物検知手段（静電容量センサ）１４を設けることに代ってまたは加えて、異物検知手段（静電容量センサ）および、監視手段１７を受電装置４に設け、その監視の開始のトリガーも同様に給電装置２の相対的な位置関係の接近によって行ってもよい。この場合、給電装置２と対向する受電装置４のカバーに付着した、または近づいた異物の検知手段の動作を監視しているので常に確実に異物を検知することができる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明の非接触電力伝送装置は、給電装置から受電装置への給電中に電磁場領域近辺で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の安全システムに有用である。
【符号の説明】
【００５６】
２    給電装置
４    受電装置
６    商用電源
８    電源箱
１０  インバータ部
１２  コイルユニット
１４  異物検知手段（静電容量センサ）
１６  制御部
１７  監視手段
１８  コイルユニット
２０  整流部
２２  負荷（バッテリ）
２４  制御部
３０  電極
３２  電圧供給部
３４  Ｃ／Ｖ変換部
３６  信号処理部
４０  カバー
４２  基板
４４  一次コイル
【図１】
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【図２】
2015008551.tif 000005
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2015008551.tif 000009
【図７】
2015008551.tif 000010
【図８】
2015008551.tif 000011
【図９】
2015008551.tif 000012