(57)【要約】【課題】車両に搭載された二次電池を電磁波を用いた電力伝送によって充電するシステムに用いられる装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することを目的とする。【解決手段】  車両に搭載された二次電池３２を充電する車両搭載用充電装置において、電力伝送用の周波数を有する電磁波を透過させる周波数選択部材１８Ｒと、周波数選択部材１８Ｒを透過した電磁波を受波する受波部と、受波部が受波した電磁波に基づく電力によって二次電池３２を充電する充電回路３０とを備える。受波部は、電磁波を受波する受電コイル２４と、電磁波の到来方向に開口を有し、受電コイル２４を収納する受電側シールドケース２６とを備え、周波数選択部材１８Ｒは、受電側シールドケース２６の開口の位置に設けられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載された二次電池を充電する車両搭載用充電装置において、
電力伝送用の周波数を有する電磁波を透過させる周波数選択部材と、
前記周波数選択部材を透過した電磁波を受波する受波部と、
前記受波部が受波した電磁波に基づく電力によって前記二次電池を充電する充電部と、
を備えることを特徴とする車両搭載用充電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の車両搭載用充電装置において、
前記受波部は、
電磁波を受波するコイルと、
電磁波の到来方向に開口を有し、前記コイルを収納するシールドケースと、を備え、
前記周波数選択部材は、
前記開口の位置に設けられることを特徴とする車両搭載用充電装置。
【請求項３】
受波された電磁波によって充電を行う電動車両に向けて、電力伝送用の電磁波を放射する車両用電力供給装置において、
電力を発生する電力発生部と、
電力伝送用の周波数を有する電磁波を透過させる周波数選択部材と、
前記電力発生部が発生した電力に基づいて、前記周波数選択部材を介して、電力伝送用の周波数を有する電磁波を放射する放射部と、
を備えることを特徴とする車両用電力供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両搭載用充電装置および車両用電力供給装置に関し、特に、電磁波によって電力の供給を受ける装置、および電磁波によって電力を供給する装置の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
エンジンおよびモータジェネレータを用いて走行するハイブリッド自動車、モータジェネレータを用いて走行する電気自動車等の電動車両が広く用いられている。電動車両には、繰り返し充放電が可能な二次電池が搭載される。モータジェネレータは、二次電池から供給される電力に基づいて車両を駆動する。ハイブリッド自動車および電気自動車では、モータジェネレータによる回生発電電力によって二次電池を充電する。また、ハイブリッド自動車では、さらに、ジェネレータをエンジンで駆動することによって発電を行い、二次電池を充電する。
【０００３】
しかし、回生発電電力やエンジンおよびジェネレータによる発電電力では、二次電池を充電するための電力量が十分でないことがある。そこで、外部充電装置が搭載された電動車両が普及しつつある。外部充電装置には、一般家庭で用いられる商用電源コンセントから電力を取得するものの他、駐車場等に設けられた電力供給装置によって非接触充電を行うものがある。
【０００４】
非接触充電用の電力供給装置には、電力伝送用の電磁波を発生する送電コイルが設けられている。他方、電動車両には、電力伝送用の電磁波を受波する受電コイルが設けられている。電力供給装置から電動車両には、送電コイル側の回路と受電コイル側の回路との結合共振によって電力が伝送される。
【０００５】
なお、特許文献１には、非接触充電を行う電力供給装置および電動車両が記載されている。また、非特許文献１には、本願発明の技術的課題に関連する技術として、周波数選択板が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２６８６６０号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Mudar A.Al-Joumayly and Nader Behdad,"A Generalized Method for Synthesizing Low-Profile, Band-Pass Frequency Selective Surfaces With Non-Resonant Constituting Elements"IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol.58, No.12, December 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
非接触充電用の電力供給装置、および、非接触充電を行う電動車両には、スイッチングによって交流直流変換、電圧変換等を行う電力変換回路が用いられる。電力変換回路は、スイッチングに基づくノイズ電圧およびノイズ電流を発生する。また、電力変換回路には、非線形特性を有する電子部品が用いられており、電子部品の非線形特性に基づく高調波電圧および高調波電流が発せられる。これに伴い、送電コイルおよび受電コイルからはノイズ電磁波が放射される。そこで、送電コイルおよび受電コイルをシールドケースに収納する構成が考えられる。しかし、このような構成では、送電コイルおよび受電コイルを収納する各シールドケースの構成によっては、送電コイルから受電コイルへの電力伝送が妨げられることがある。
【０００９】
本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、車両に搭載された二次電池を電磁波を用いた電力伝送によって充電するシステムに用いられる装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、車両に搭載された二次電池を充電する車両搭載用充電装置において、電力伝送用の周波数を有する電磁波を透過させる周波数選択部材と、前記周波数選択部材を透過した電磁波を受波する受波部と、前記受波部が受波した電磁波に基づく電力によって前記二次電池を充電する充電部と、を備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る車両搭載用充電装置は、望ましくは、前記受波部は、電磁波を受波するコイルと、電磁波の到来方向に開口を有し、前記コイルを収納するシールドケースと、を備え、前記周波数選択部材は、前記開口の位置に設けられる。
【００１２】
また、本発明は、受波された電磁波によって充電を行う電動車両に向けて、電力伝送用の電磁波を放射する車両用電力供給装置において、電力を発生する電力発生部と、電力伝送用の周波数を有する電磁波を透過させる周波数選択部材と、前記電力発生部が発生した電力に基づいて、前記周波数選択部材を介して、電力伝送用の周波数を有する電磁波を放射する放射部と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、車両に搭載された二次電池を電磁波を用いた電力伝送によって充電するシステムに用いられる装置について、ノイズ電磁波の放射を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成を模式的に示す図である。
【図２】周波数選択部材の構成例を示す図である。
【図３】周波数選択部材の透過特性を示す図である。
【図４】多段型の周波数選択部材の構成例を示す図である。
【図５】ローパスフィルタ部材およびハイパスフィルタ部材の構成例を示す図である。
【図６】多段型の周波数選択部材の構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（１）非接触充電システムの構成
図１には、本発明の実施形態に係る非接触充電システムの構成が模式的に示されている。このシステムは、駐車場、サービスステーション等、電動車両２２を停車させる場所に非接触充電用の電力供給装置１０を設けたものである。電力供給装置１０は、充電エリア３４下方に配置された送電コイル１４を備えている。電動車両２２は、受電コイル２４を備えており、充電のときには送電コイル１４の上方に受電コイル２４が位置するよう停車する。電力供給装置１０は、送電コイル１４から電力伝送用の電磁波を放射する。電動車両２２は、受電コイル２４において受波された電磁波に基づく電力によって、電動車両２２に搭載された二次電池３２を充電する。
【００１６】
非接触充電システムの具体的な構成について説明する。電力供給装置１０は、電力発生回路１２、送電コイル１４、送電側シールドケース１６、周波数選択部材１８Ｓ、およびキャパシタ２０を備える。電力発生回路１２は、充電エリア３４またはその近傍、あるいは充電エリア３４の近傍の建造物内に設置されている。電力発生回路１２には、送電側シールドケース１６に収納された送電コイル１４が接続されている。送電側シールドケース１６および送電コイル１４は、電力伝送用の電磁波を放射する放射部としての機能を有する。送電コイル１４は、例えば、平面状に周回する導線によって形成され、充電エリア３４における電動車両２２が停車する面と、導線が周回する面とが平行となるよう送電側シールドケース１６内に固定されている。キャパシタ２０は、送電コイル１４を形成する導線に直列に挿入接続されている。
【００１７】
送電側シールドケース１６は器形状を有し、その開口が充電エリア３４から上側を臨むよう充電エリア３４に配置されている。送電側シールドケース１６の器形状は、直方体形状や、椀形状であってもよい。周波数選択部材１８Ｓは、送電側シールドケース１６の開口に合致する板形状を有する。送電側シールドケース１６には、その開口が塞がれるよう周波数選択部材１８Ｓが取り付けられている。
【００１８】
電動車両２２は、受電コイル２４、受電側シールドケース２６、キャパシタ２８、周波数選択部材１８Ｒ、充電回路３０、および、二次電池３２を備える。受電コイル２４は充電回路３０に接続され、充電回路３０には二次電池３２が接続されている。受電コイル２４は、例えば、平面状に周回する導線によって形成され、充電エリア３４における電動車両２２が停車する面と、導線が周回する面とが平行となるよう受電側シールドケース２６内に固定されている。キャパシタ２８は、受電コイル２４を形成する導線に直列に挿入接続されている。受電側シールドケース２６および受電コイル２４は、電力伝送用の電磁波を受波する受波部としての機能を有する。
【００１９】
受電側シールドケース２６は器形状を有し、その開口が電動車両２２の底面から下側を臨むよう電動車両２２に取り付けられている。受電側シールドケース２６の器形状は、直方体形状や、椀形状であってもよい。周波数選択部材１８Ｒは、受電側シールドケース２６の開口に合致する板形状を有する。受電側シールドケース２６には、その開口が塞がれるよう周波数選択部材１８Ｒが取り付けられている。
【００２０】
（２）非接触充電システムの動作
非接触充電システムの動作について説明する。電力発生回路１２は、電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐの電力を送電コイル１４に供給する。送電コイル１４は、電力発生回路１２から供給された電力に基づいて周波数ｆｐの電磁波を発生する。送電側シールドケース１６の内壁は、送電コイル１４が発生した電磁波を反射する。また、周波数選択部材１８Ｒは、後述のように、周波数ｆｐの電磁波を透過し、周波数がｆｐでない電磁波を減衰させる。これによって、送電コイル１４からは、周波数選択部材１８Ｓを介して図１の上方向に周波数ｆｐの電磁波が放射される。
【００２１】
周波数選択部材１８Ｒは、周波数選択部材１８Ｓと同様、周波数ｆｐの電磁波を透過し、周波数がｆｐでない電磁波を減衰させる。受電コイル２４は、送電コイル１４から周波数選択部材１８Ｓを介して放射された電磁波を、周波数選択部材１８Ｒを介して受波する。受電コイル２４は、受波した電磁波に基づく電力を充電回路３０に出力する。充電回路３０は、受電コイル２４から与えられた電力を直流電力に変換し、二次電池３２に供給する。これによって二次電池３２の充電が行われる。
【００２２】
電力伝送用の電磁波による送電コイル１４から受電コイル２４への電力伝送は、送電コイル１４側の回路と受電コイル２４側の回路との結合共振（共鳴）によって行われる。送電コイル１４は、キャパシタ２０と共に送電側の共振回路を形成する。他方、受電コイル２４は、キャパシタ２８と共に受電側の共振回路を形成する。キャパシタ２０および２８には、可変キャパシタが用いられてもよい。上記のように、送電コイル１４と受電コイル２４とは、電磁気的に結合している。そこで、本実施形態に係る非接触充電システムでは、送電側と受電側とで共振周波数を同一の周波数ｆｐとし、送電側の共振回路と受電側の共振回路を周波数ｆｐで結合共振させる。これによって、送電コイル１４と受電コイル２４とを機械的に接触させることなく、電力供給装置１０から電動車両２２に電力を供給することができる。
【００２３】
（３）周波数選択部材の構成および作用
図２には、周波数選択部材の構成例が示されている。この周波数選択部材は、ＦＳＳ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ）として知られているものである。図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、上面図、底面図および正面図である。周波数選択部材１８は、誘電体によって形成された基板３６の板面に、スパッタリング、蒸着等の技術により、所定のパターンで導体を配置したものである。図２における周波数選択部材１８の上面には、長方形に形成された複数の導体板３８が、縦方向および横方向に配列されている。このように配列された複数の導体板３８は、基板３６と共にローパスフィルタを形成する。
【００２４】
一方、図２における周波数選択部材１８の底面には格子状パターン導体４０が設けられている。格子状パターン導体４０の形状は、上面における誘電体の領域の形状に近似する。格子状パターン導体４０は、基板３６と共にハイパスフィルタを形成する。このように、基板３６の一方の面にローパスフィルタが形成され、基板３６の他方の面にハイパスフィルタが形成されるため、周波数選択部材１８は、バンドパスフィルタ、または、特定の周波数の電磁波を透過させるフィルタとして機能する。
【００２５】
図３には、周波数選択部材１８の一方の板面から他方の板面へと電磁波を透過させた場合における透過特性が示されている。図３の横軸は周波数を示し縦軸は透過特性を示す。透過特性は、周波数選択部材１８に入射した電力Ｐｉに対する、周波数選択部材１８を透過した電力Ｐｏの比を対数で表した値であり、１０ｌｏｇ（Ｐｏ／Ｐｉ）［ｄＢ］として定義される。
【００２６】
図３に示される特性は、周波数ｆｐの電磁波に対する透過特性がほぼ０ｄＢであり、周波数ｆｐから周波数が離れるに従って、透過特性は負方向に大きくなる。すなわち、この周波数選択部材１８は、周波数ｆｐの電磁波を透過し、周波数ｆｐから離れた周波数の電磁波を減衰させる。
【００２７】
（４）周波数選択部材による効果
まず、電力供給装置１０における周波数選択部材１８Ｓの効果について図１を参照して説明する。電力発生回路１２には、送電コイル１４に供給される電力をスイッチングによって調整する電力変換回路が用いられる。電力変換回路には、例えば、直流電力を交流電力に変換し、あるいは、交流電力を直流電力に変換するインバータ回路、電圧レベルを変換するコンバータ回路等がある。電力変換回路は、スイッチングに基づくノイズ電圧およびノイズ電流を送電コイル１４に出力する。また、電力変換回路には、非線形特性を有する電子部品が用いられている。電力変換回路は、電子部品の非線形特性に基づく高調波電圧および高調波電流を送電コイル１４に出力する。これによって、送電コイル１４からはノイズ電磁波が発せられる。
【００２８】
ノイズ電磁波が、電動車両２２、非接触充電システムとは異なる他の電気機器等に到達すると、ノイズ電磁波は、これらの機器の動作性能に影響を与えることがある。そこで、本実施形態に係る電力発生回路１２では、ノイズ電磁波の周波数が電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐと一致しないよう、スイッチング周波数が設定されている。これによって、以下に説明するように、ノイズ電磁波の放射が他の機器の動作性能に影響を与えることが回避される。
【００２９】
送電コイル１４からノイズ電磁波が発せられた場合、送電側シールドケース１６の内壁においてノイズ電磁波が反射する。これによって、ノイズ電磁波が送電側シールドケース１６の外壁側に放射されることが回避される。さらに、周波数選択部材１８Ｓは、周波数がｆｐでないノイズ電磁波を減衰させる。本実施形態に係る電力発生回路１２によれば、ノイズ電磁波の周波数は、電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐと異なる。そのため、送電コイル１４から周波数選択部材１８Ｓを介して放射されるノイズ電磁波が抑制され、ノイズ電磁波が他の機器の動作性能に与える影響が回避される。
【００３０】
次に、電動車両２２における周波数選択部材１８Ｒの効果について図１を参照して説明する。充電回路３０には、二次電池３２に供給される電力をスイッチングによって調整する電力変換回路が用いられる。電力変換回路は、スイッチングに基づくノイズ電圧およびノイズ電流を受電コイル２４に出力する。また、電力変換回路は、電子部品の非線形特性に基づく高調波電圧および高調波電流を受電コイル２４に出力する。これによって、受電コイル２４からはノイズ電磁波が発せられる。
【００３１】
ノイズ電磁波が、電動車両２２に搭載されたアクセサリ機器、非接触充電システムとは異なる他の電気機器等に到達すると、これらの機器の動作性能に影響を与えることがある。そこで、本実施形態に係る充電回路３０では、ノイズ電磁波の周波数が電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐと一致しないよう、スイッチング周波数が設定されている。これによって、以下に説明するように、ノイズ電磁波の放射が他の機器の動作性能に影響を与えることが回避される。
【００３２】
受電コイル２４からノイズ電磁波が発せられた場合、受電側シールドケース２６の内壁においてノイズ電磁波が反射する。これによって、ノイズ電磁波が受電側シールドケース２６の外壁側に放射されることが回避される。さらに、周波数選択部材１８Ｒは、周波数がｆｐでないノイズ電磁波を減衰させる。本実施形態に係る充電回路３０によれば、ノイズ電磁波の周波数は、電力伝送用に割り当てられた周波数ｆｐとは異なる。そのため、受電コイル２４から周波数選択部材１８Ｒを介して放射されるノイズ電磁波が抑制され、ノイズ電磁波が他の機器に与える影響が回避される。
【００３３】
（５）周波数選択部材の応用例
図４および図５には、ノイズ電磁波に対する減衰量を増加させた多段型の周波数選択部材４２の構成が示されている。多段型の周波数選択部材４２は、図５（ａ１）および（ａ２）に示されるローパスフィルタ部材４４Ｌ、および、図５（ｂ１）および（ｂ２）に示されるハイパスフィルタ部材４４Ｈを交互に積み重ねたものである。
【００３４】
図５（ａ１）および（ａ２）は、それぞれ、ローパスフィルタ部材４４Ｌの上面図および正面図である。ローパスフィルタ部材４４Ｌの上面には、長方形に形成された複数の導体板３８が、縦方向および横方向に配列されている。このように配列された複数の導体板３８は、基板３６と共にローパスフィルタを形成する。
【００３５】
図５（ｂ１）および（ｂ２）は、それぞれ、ハイパスフィルタ部材４４Ｈの上面図および正面図である。ハイパスフィルタ部材４４Ｈの上面には、格子状パターン導体４０が設けられている。格子状パターン導体４０の形状は、ローパスフィルタ部材４４Ｌの上面における誘電体の領域の形状に近似する。格子状パターン導体４０は、基板３６と共にハイパスフィルタを形成する。
【００３６】
図４に示されるように、多段型の周波数選択部材４２は、ローパスフィルタ部材４４Ｌおよびハイパスフィルタ部材４４Ｈが交互に積み重ねられている。このように、複数のローパスフィルタ部材４４Ｌ、および、複数のハイパスフィルタ部材４４Ｈを用いることで、周波数ｆｐとは異なる周波数における減衰量を大きくすることができ、ノイズ電磁波に対する減衰量を大きくすることができる。
【００３７】
図６には第２の応用例に係る多段型の周波数選択部材４６が示されている。この周波数選択部材４６は、図２に示される周波数選択部材１８を、隣接する段の周波数選択部材１８と上面および下面が逆になるよう、複数段に亘って積み重ねたものである。このように、複数の周波数選択部材１８が積み重ねられることで、周波数ｆｐとは異なる周波数における減衰量を大きくすることができ、ノイズ電磁波に対する減衰量を大きくすることができる。
【００３８】
なお、上記では、ローパスフィルタを形成する導体板３８の形状を長方形としたものについて説明した。導体板３８の形状としては、その他の多角形、円形、楕円形等を採用してもよい。同様に、ハイパスフィルタを形成する格子状パターン導体４０については、格子状パターン導体４０によって仕切られる基板３６上の各領域の形状を、長方形以外の多角形、円形、楕円形等としてもよい。
【符号の説明】
【００３９】
１０  電力供給装置、１２  電力発生回路、１４  送電コイル、１６  送電側シールドケース、１８，１８Ｓ，１８Ｒ  周波数選択部材、２０，２８  キャパシタ、２２  電動車両、２４  受電コイル、２６  受電側シールドケース、３０  充電回路、３２  二次電池、３４  充電エリア、３６  基板、３８  導体板、４０  格子状パターン導体、４２，４６  多段型の周波数選択部材、４４Ｌ  ローパスフィルタ部材、４４Ｈ  ハイパスフィルタ部材。
【図１】
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【図３】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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