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平成 27 年電気学会全国大会

共振回路付きサーチコイルを用いた非接触給電における金属異物検知法
大住征有紀＊，宮島 奈那，金子裕良, 阿部茂 (埼玉大学)，保田富夫((株)テクノバ)

Methods for Detecting Foreign Metallic Objects using Search coil in Wireless Battery Charger
Masayuki Osumi*, Nana Miyajima, Yasuyoshi Kaneko, Shigeru Abe (Saitama University), Tomio Yasuda（Technova Inc.）を提案する。巻数が多いコイルでは L が大きく共振周波数１．はじめに近年，電気自動車およびプラグインハイブリッド自動車の給電方式として，利便性や保守性に優れる非接触給電システム(1)が期待されている。非接触給電システムの構成を図1 に示す。しかし，非接触給電では車載側と地上側のトランス間に金属異物が存在した状態で給電した際，誘導加熱により異物温度が上昇する危険があるため，金属異物の検知が低くなり，巻数が少ないコイルでは L が小さく共振周波数が高くなるため，サーチコイルの特性から各コイルの検知能力の差が小さくなり最低検知能力が高くなる。さらに，
本稿では，巻数の異なるコイル間の相互インダクタンスと異物検知能力の関係について，コイルの並べ方を変化させて検討した。

が必要不可欠である。カメラセンサを用いることで検知がf 可能であるが，落ち葉などで金属異物が隠れてしまうと検12 LC..............................................................(1)知が困難である。そこで，サーチコイル等を用いる手法(2)(3)が提案されているが，切換部が必要であったり検知能力が３．異物検知回路の試作低いなどの問題がある。本稿では，検知能力の向上を目的<3.1>回路の接続方法
異物検知回路は，サーチコイルとコンデンサで直列共振としたサーチコイルの異物検知の手法を報告する。

回路を構成し，6 個の共振回路を並列に接続することで回路を構成する。回路の構成は図 2 に示す。

図 1 非接触給電システム
Fig.1 Wireless power transfer system
図 2 直列共振並列接続
Fig.2. Series resonance circuit connected in parallel

２．共振回路付きサーチコイルを用いた手法
切換部が不要な方式として，サーチコイルとコンデンサで直列共振回路を構成し，各共振回路を並列に接続する方<3.2>サーチコイルの試作式は有用である 。共振周波数は共振回路ごとに適度な間隔給電中にサーチコイルに大電流が流れることを防ぐためを隔てて設定する。このとき，回路のインピーダンスは各にコイルの形状を 8 の字型にした。8 の字コイルの形状とコ共振周波数で極値を持ち，異物が存在するとその下のコイイルの配置を図 3 に示す。また，実際に試作した回路を図 4ルの共振周波数付近のインピーダンスが変化する。従来はに示す。

(3)

サーチコイルの巻数は全て等しく(L 一定)，コンデンサの値を変化させることで共振周波数を(1)式より設定している。
しかし，サーチコイルは周波数を高くするまたは，巻数を多くすることで検知能力が向上する特性を持つため，巻数が一定の従来手法では金属異物の有無によるインピーダンスの変化が少ない共振周波数もあり，検知能力に差が出てしまい検知能力の低いコイルが存在してしまう。

図 3 サーチコイルの配置
Fig.3. Placement of search coil

本稿ではコンデンサの値は全て等しく(C 一定)，サーチコ
イルの巻数を変化させることで共振周波数を設定する手法

2015/3/24～26 東京-355( 第 4 分冊 )©2015 IEE Japan

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平成 27 年電気学会全国大会

図 4 試作回路
Fig.4. Trial manufacture circuit

４．異物検知実験<4.1>実験方法①従来手法(L 一定)，②提案手法(C 一定)の最低検知比に

図 5 検知比の比較
Fig.5. Comparison of detection ration

ついて比較を行う。さらに，提案手法ではサーチコイルのであることから，サーチコイルの並べ方により検知能力が並べ方と検知能力の関係について検討する。実験は，サー向上することが確認できた。また，このときの各コイル間チコイル上に異物がない状態で各コイルにおける共振周波の相互インダクタンス M を表 3 に示す。サーチコイルの並数の正弦波の定電流を印加し，電圧 V を測定する。次に，

び方により相互インダクタンス M が変化し，②－2 の並べサーチコイル上に異物がある状態で各コイルにおける共振方の方が②－1 より M が大きい。

周波数の正弦波の定電流を印加し，電圧 V’を測定する。測表３ 相互インダクタンス
Table3. Mutual inductance(a)②－1 の場合定した V と V’より検知比(V’/V)を求める。表１に各コイルの巻数を示す。本実験では 100 円硬貨を異物とした。
表 1 各コイルの巻数
Table1. Number of turns of each coil

隣り合うコイル巻数

14・1515・1616・1717・1818・19M [µH]0.390.430.530.550.63

手法

①従来手法

②-1 提案手法②-2 提案手法

コイルの配置

巻数

巻数

巻数

コイル 1191414コイル 2191517コイル 3191619

表 3 より，相互インダクタンスが大きくなるようにサー

コイル 4191716チコイルを並べることで検知能力が向上することが確認で

コイル 5191818きた。これは，相互インダクタンスが大きくなることによコイル 6191915り，(2)式で表わされる磁気エネルギーU が大きくなり，金(b)②－2 の場合隣り合うコイル巻数

14・1717・1919・1616・1818・15

M [µH]

0.440.530.580.860.62

属異物による損失が大きくなったためであると考えられる。
<4.2>実験結果

U②－1 の測定結果を表 2 に，①，②－1，②－2 の測定結果を比較したものを図 5 に示す。
表2②－1 の場合の測定結果
Table2. Measurement results in the case of ②－1
異物なし

異物あり

V [mV]

V’ [mV]

205662検知比V比(V’/V)
3.24

1 n
1 n n'
Lk I k2   M kl I k I l ................................(2)2 k 12 k 1 l 1５．まとめ
共振回路付きサーチコイルを用いた異物検知の手法として，従来手法である L 一定の手法と提案手法である C 一定

コイル
巻数14共振周波数
[kHz]
400

15374131509

3.88である C 一定の手法ではサーチコイルの並び方により検知

16353134309

2.30

能力が向上することが確認でき，相互インダクタンスとの17330

1262952.34183091392651.9019292

79.6

157

1.97の手法の比較を行った。提案手法では，従来手法よりも最低検知比を向上できることが確認できた。また，提案手法関係を確認することができた。
文献

図 5 より，①と②－1 を比較したところ，最低検知比は①(1) 阿部茂・金子裕良:電気学会,Voll28,No12,pp.796-799(2008)

は 1.44 であり②は 1.97 で最低検知比は①よりも②－1 の方(2) Witricity Corporation, S.T.Varghese, M.P.Kesler, K.L.Hall,H.T.Lou : “Foreign Object Detection in Wireless Energy Transfer
Sytems”, U.S.Patent 2013/0069411 (2013.3.21)(3) 宮島奈那・金子裕良・阿部茂・保田富夫:平成 26 年電気学が 36.8%程度上昇した。次に，サーチコイルの並び方による検知能力を比較する。②－1 の最低検知比は 1.97，平均検知比は 2.61，②－2 の最低検知比は 2.19，平均検知比は 4.39

2015/3/24～26 東京-356( 第 4 分冊 )会産業応用部門大会,4-7,pp.117-122©2015 IEE Japan