(57)【要約】【課題】コンデンサアレイの故障を検出することが可能な非接触電力伝送システムを提供する。【解決手段】非接触電力伝送システム１は、車両１０に搭載された電池３００を充電する電力を送電する送電装置９０、または、車両１０に搭載され電池３００に充電する電力を送電装置９０から受電する受電装置に設けられるコイルユニット１００，７００を備える。コイルユニット１００，７００は、コイル１０２，７０２と、複数のコンデンサを含むコンデンサアレイ１０４，７０４とを含む。非接触電力伝送システム１は、送電装置９０から受電装置に送電される電力の力率に基づいて、コンデンサアレイ１０４，７０４の異常を検知する力率検知回路６０４をさらに備える。【選択図】図１
2016010248.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触電力伝送システムであって、
車両に搭載された蓄電装置を充電する電力を送電する送電装置、または、前記車両に搭載され前記蓄電装置に充電する電力を前記送電装置から受電する受電装置に設けられるコイルユニットを備え、
前記コイルユニットは、
コイルと、
複数のコンデンサを含むコンデンサアレイとを含み、
前記非接触電力伝送システムは、
前記送電装置から前記受電装置に送電される電力の力率に基づいて、前記コンデンサアレイの異常を検知する検知部をさらに備える、非接触電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、非接触電力伝送システムに関し、コイルとコンデンサを含むコイルユニットを備えた非接触電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、コンデンサとコイルとによって構成された共振器を用いて、電力伝送や通信を実行する技術が知られている。特開２０１２−２４８１５４号公報（特許文献１）には、コンデンサとしてセラミックコンデンサを採用したＩＣタグが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−２４８１５４号公報
【特許文献２】特開２０１３−２１５９５３号公報
【特許文献３】特開２０１３−１５４８１５号公報
【特許文献４】特開２０１３−１４６１５４号公報
【特許文献５】特開２０１３−１４６１４８号公報
【特許文献６】特開２０１３−１１０８２２号公報
【特許文献７】特開２０１３−１２６３２７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電気自動車やプラグインハイブリッド自動車などを充電する際に、コンデンサとコイルとによって構成された共振器を用いた非接触電力伝送システムを使用することが検討され、一部実用化されつつある。このような大電力を伝送する非接触電力伝送システムにおいて、コンデンサをセラミックコンデンサとする場合には、たとえば、大電流と高電圧に耐えられるように、複数のセラミックコンデンサをアレイ状に配置して使用することが考えられる。
【０００５】
しかし、共振器のコンデンサとしてコンデンサアレイを採用した場合には、コンデンサアレイのうちの１つのコンデンサがショート故障したとしても、当該故障を検知することは非常に困難である。
【０００６】
この発明の目的は、上記の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、コンデンサアレイの故障を検出することが可能な非接触電力伝送システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明はある局面では、非接触電力伝送システムであって、車両に搭載された蓄電装置を充電する電力を送電する送電装置、または、車両に搭載され蓄電装置に充電する電力を送電装置から受電する受電装置に設けられるコイルユニットを備え、コイルユニットは、コイルと、複数のコンデンサを含むコンデンサアレイとを含み、非接触電力伝送システムは、送電装置から受電装置に送電される電力の力率に基づいて、コンデンサアレイの異常を検知する検知部をさらに備える。
【０００８】
上記の検知部を備えることによって、複数のコンデンサを含むコンデンサアレイに故障が生じた場合でも故障を検出することができる。
【０００９】
好ましくは、コンデンサアレイに含まれる複数のコンデンサの数は、１をコンデンサの１つあたりの容量バラツキ許容値で割った数よりも小さい。たとえば、容量ばらつき許容値を２％とすると、コンデンサアレイに含まれる複数のコンデンサの数は、５０よりも小さい。
【００１０】
このようにコンデンサアレイを構成することによって、故障が発生した場合に製造時の容量ばらつきを超えた変化がコンデンサアレイの合計容量に生じるので、力率の変化で故障を検出することが容易となる。
【００１１】
好ましくは、コンデンサアレイに含まれる複数のコンデンサの数は、コイルユニットに印加される電圧の最大値をコンデンサの１つあたりの耐圧で割った数と、コイルユニットに流れる電流の最大値をコンデンサの１つあたりの使用可能最大電流値で割った数との積よりも多い。たとえば、電圧の最大値が２．４ｋＶで電流の最大値を４０Ａとし、コンデンサに耐圧４００Ｖ、使用可能最大電流値４Ａの部品を採用すると、コンデンサアレイに含まれる複数のコンデンサの数は、３０以上となる。
【００１２】
このようにコンデンサアレイを構成することによって、必要な電圧、電流に耐えるコンデンサアレイを実現することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、非接触電力伝送システムのコイルユニットに含まれるコンデンサアレイに発生した故障を検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施の形態に係る非接触電力伝送システムの構成を説明するための図である。
【図２】力率検知回路を設けていない検討例の非接触電力伝送システムの構成を示した図である。
【図３】コンデンサ７０４として用いられるコンデンサアレイの構成を示した回路図である。
【図４】コンデンサアレイにショート故障が発生した場合について説明するための回路図である。
【図５】故障発生前後の電流の変化を説明するための波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係る非接触電力伝送システムの構成を説明するための図である。
【００１７】
図１を参照して、非接触電力伝送システム１は、車両１０と、送電装置９０とによって構成される。非接触電力伝送システム１において、送電装置９０から車両１０へ、非接触電力伝送が行なわれる。非接触電力伝送は、送電装置９０に含まれる一次コイルユニット７００と、車両１０に搭載された二次コイルユニット１００とを介して行なわれる。
【００１８】
まず、非接触電力伝送システム１のうち、車両１０について説明する。車両１０は、二次コイルユニット１００と、電力変換ユニット２００と、電池３００とを含む。
【００１９】
図示はしないが、車両１０は、電池３００から電力を受けて車両の駆動力を発生するモータなどを含む動力生成装置、電池３００と動力生成装置との間に設けられたシステムメインリレー（ＳＭＲ）、車両１０の走行制御や電池３００の充電制御を実行する車両ＥＣＵ等をさらに含む。
【００２０】
二次コイルユニット１００は、一次コイルユニット７００から出力される交流電力を非接触で受電するための、受電コイル１０２およびコンデンサ１０４，１０６を含む。
【００２１】
受電コイル１０２とコンデンサ１０４，１０６とは共振回路を構成する。共振の強度を示すＱ値は１００以上であることが好ましい。
【００２２】
電力変換ユニット２００は、図示しないが、フィルタ回路と、整流器とを含む。二次コイルユニット１００が受電した電力は、フィルタ回路に出力される。フィルタ回路は、高調波ノイズを抑制する。フィルタ回路は、たとえば、インダクタおよびキャパシタを含むＬＣフィルタによって構成される。フィルタ回路によって高調波ノイズが抑制された交流電力は、整流器へ出力される。整流器は、交流電力を整流する。整流器によって整流された電力は、電池３００の充電電力として出力される。
【００２３】
電池３００は、たとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池によって構成される。電池３００の電圧は、たとえば２００Ｖ程度である。
【００２４】
次に、非接触電力伝送システム１のうち、送電装置９０について説明する。送電装置９０は、外部電源に接続するための接続部６５０と、電源ユニット６００と、一次コイルユニット７００とを含む。
【００２５】
電源ユニット６００は、商用系統電源などの外部電源（たとえば単相ＡＣ２００Ｖ）からの電力を接続部６５０を経由して受け、所定の伝送周波数を有する交流電力を発生し、一次コイルユニット７００に供給する。
【００２６】
電源ユニット６００は、漏電ブレーカ６１２と、フィルタ６１０と、ＡＣ／ＤＣ変換部６０８と、ＤＣ／ＲＦ変換部６０６と、力率検知回路６０４と、フィルタ６０２とを含む。ＡＣ／ＤＣ変換部６０８は、たとえば、単相２００Ｖ、５０または６０Ｈｚの交流電力を直流電力に変換する。ＤＣ／ＲＦ変換部６０６は、直流電力をＲＦ（Radio Frequency）の交流電力に変換する。変換された交流電力は、力率検知回路６０４によって力率が検出された後に、フィルタ６０２に出力される。フィルタ６０２は、電源ユニット６００から発生する高調波ノイズを抑制する。
【００２７】
フィルタ６１０によって高調波ノイズが抑制された交流電力は、一次コイルユニット７００へ出力される。一次コイルユニット７００は、二次コイルユニット１００へ非接触で送電するための送電コイル７０２を含む。一次コイルユニット７００は、伝送周波数を有する交流電力を、一次コイルユニット７００の周囲に生成される電磁界を介して、車両１０の二次コイルユニット１００へ非接触で送電する。
【００２８】
一次コイルユニット７００は、送電コイル７０２の他、コンデンサ７０４を含む。送電コイル７０２とコンデンサ７０４とは共振回路を構成する。共振の強度を示すＱ値は１００以上であることが好ましい。
【００２９】
送電装置は、図示しないが電源ＥＣＵを含む。電源ＥＣＵは、伝送周波数を有する交流電力を電源ユニット６００が生成するように、電源ユニット６００のスイッチング制御を行なう。
【００３０】
上記の構成を有する非接触電力伝送システムにおいて、共振回路に好適なセラミックコンデンサをコンデンサ１０４，１０６，７０４に用いたい。しかし、ハイブリッド自動車や電気自動車の電池に充電するためには、高電圧および大電流に耐えることが好ましい。
【００３１】
そこで、図１に示した非接触電力伝送システムでは、コンデンサ１０４，１０６，７０４に複数のコンデンサを含むコンデンサアレイを採用するとともに、コンデンサアレイの故障が検出可能なように、力率検知回路６０４を設けている。コンデンサ１０４，１０６，７０４をコンデンサアレイ１０４，１０６，７０４とも呼ぶ。
【００３２】
図２は、力率検知回路を設けていない検討例の非接触電力伝送システム１Ａの構成を示した図である。非接触電力伝送システム１Ａは、送電装置９０Ａを含む。送電装置９０Ａは、電源ユニット６００Ａを含む。電源ユニット６００Ａは、図１の力率検知回路６０４を含んでいない。
【００３３】
図２に示した構成では、コンデンサ１０４，１０６，７０４にコンデンサアレイを採用すると、コンデンサアレイ１０４，１０６，７０４の一部のコンデンサがショート故障した場合、容量が若干変動するが、電力伝送がまったくできないわけではないので、故障を検知できず、効率が低下した状態で電力伝送を継続してしまう。したがって、コンデンサアレイの故障検出を早期に可能なように、本実施の形態では図１に示すように力率検知回路６０４を追加している。
【００３４】
以下、コンデンサアレイの構成および力率検知回路の動作について説明する。図３は、コンデンサ７０４として用いられるコンデンサアレイの構成を示した回路図である。なお、コンデンサ１０４，１０６にも同様なコンデンサアレイを使用することができる。
【００３５】
コンデンサ７０４は、直列接続されたコンデンサ８００．１〜８００．ｎと、直列接続されたコンデンサ８０１．１〜８０１．ｎと、直列接続されたコンデンサ８０２．１〜８０２．ｎとを含む。３つの直列接続されたコンデンサ群は、互いに並列に接続される。
【００３６】
直列接続の数と並列接続の数は、図３に示した数には限定されないが、耐圧と故障検出可能であることとを両立させるために、以下の関係を守ることが必要である。
【００３７】
まず、直列接続の数については、一次コイルユニットおよび二次コイルユニットで送受電される交流電圧の最大値をコンデンサ１つの耐圧で割った数より多い必要がある。直列接続することによって電圧が分割され各コンデンサに印加される。
【００３８】
また並列数については、電力伝送を行なう電流の最大値をコンデンサ１つの使用可能最大電流で割った数以上である必要がある。
【００３９】
たとえば、２．４ｋＶの共振電圧、かつ２０Ａの電流が最大であるシステムの場合に、コンデンサ１つあたりの耐圧が４００Ｖ、使用可能最大電流が４Ａのコンデンサを使用したときには、直列数は６（＝２．４ｋＶ／４００Ｖ）、並列数は５（＝２０Ａ／４Ａ）となりコンデンサの総数は３０個となる。
【００４０】
また、コンデンサアレイのコンデンサの総数については、故障検出を可能にするという点から次のように考えるとよい。コンデンサ１つの仕様上の容量許容ばらつきをＡ（％）とし、コンデンサの総数をＫする。
【００４１】
図４は、コンデンサアレイにショート故障が発生した場合について説明するための回路図である。図４において、Ｘで示した場所がショート故障が発生した場所であるとする。
【００４２】
並列数、直列数によって変化するが、１つのコンデンサにショート故障が発生したときの合計容量の変動は最大で１／Ｋと考えることができる。すると、故障発生時の容量変動が容量許容ばらつきよりも大きくなければ、故障発生により容量がずれているのか、コンデンサの製造バラツキによって容量がずれているのかわからない。
【００４３】
したがって、１／Ｋ×１００（％）＞Ａ（％）である必要がある。たとえば、Ａを２％とするとＫ＜５０個である。
【００４４】
上記に示した一例では、コンデンサの数は３０以上５０未満となる。
上記の条件に加えて、送電するＲＦ周波数と共振発生との関係からコイルのインダクタンスとコンデンサの合計容量を決めておく必要があるので、図３、図４で示した例は、３並列の接続であるが、適宜並列数を変更する。
【００４５】
図５は、故障発生前後の電流の変化を説明するための波形図である。図５を参照して、矩形の電圧Ｖが印加された場合に、正常時には、実線で示すように力率検知回路６０４に流れる電流Ｉは電圧Ｖとほぼ位相が合っている（力率が最大になるように調整されている）。これに対して、コンデンサアレイの一部のコンデンサにショート故障またはオープン故障が発生すると容量が変化して破線で示すように電流の位相が電圧に対してずれる。なお、図５では、電流の位相が電圧に対して遅れる場合を示したが、電流の位相が電圧に対して進む場合も考えられる。このような位相のずれが発生すると力率が低下する。
【００４６】
したがって、力率検知回路６０４を追加して力率を検知することによって、コンデンサアレイの故障を検知することができる。
【００４７】
なお、力率検知回路６０４は、たとえば、電流と電圧とをセンサなどでモニタして電流値と電圧値に所定の演算を行なうことで力率を検出するように構成される。そして力率があらかじめ定められた判定値よりも下がった場合に故障発生をユーザに報知するように力率検知回路６０４を構成すればよい。
【００４８】
以上説明したように、本実施の形態に示した非接触電力伝送システムは、力率検知回路で電力伝送時の力率を検知するようにしたので、コンデンサアレイの故障発生を力率の低下によって早期に発見することが可能である。
【００４９】
加えて、本実施の形態に示した非接触電力伝送システムは、１つが短絡故障すると力率がコンデンサの容量バラツキよりも大きく変化するようにコンデンサアレイのコンデンサ数を決定している。このために、製造誤差の範囲を超えた変化が力率に起こるので、短絡故障の検出が可能となる。
【００５０】
なお、電力伝送中にコンデンサが故障したときには、力率が急変する。したがって、電力伝送中に力率を常時監視しておいて、このような力率の電力伝送中の変化を検出することによってコンデンサの故障を検出するようにしても良い。このようにすれば、製造ばらつきが大きいコンデンサでも、故障発生を検出することが可能である。
【００５１】
今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明でなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００５２】
１  非接触電力伝送システム、１０４，１０６，７０４，８００，８０１，８０２  コンデンサ、１０  車両、９０  送電装置、１００  二次コイルユニット、１０２  受電コイル、２００  電力変換ユニット、３００  電池、６００  電源ユニット、６０２，６１０  フィルタ、６０４  力率検知回路、６０６  ＤＣ／ＲＦ変換部、６０８  ＡＣ／ＤＣ変換部、６１２  漏電ブレーカ、６５０  接続部、７００  一次コイルユニット、７０２  送電コイル。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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