論文

電気自動車用非接触給電装置のギャップ中の異物検知法
学生員
正

員

保田

駒崎

伸也＊

正

員

富夫((株)テクノバ)

金子

裕良
鈴木

非会員

正

員

阿部

茂

(埼玉大学)明(アイシン・エィ・ダブリュ(株))Methods for Detecting Foreign Metallic Materials in the Air Gap of Contactless Battery Charger
for Electric Vehicles
Student Member, Shinya Komasaki＊, Member, Yasuyoshi Kaneko, Member, Shigeru Abe (Saitama University),
Member, Tomio Yasuda (Technova Inc), Non-member, Akira Suzuki (AISIN AW CO ,LTD.)

Contactless battery chargers for electric vehicles have the problem of induction heating if foreign metallic materials are in the
air gap of the transformer. This paper presents three methods to detect the materials. They are efficiency comparison method,
current comparison method and loss comparison method. The successful test results of the three methods are also presented.
キーワード：非接触給電，電磁誘導，誘導加熱，金属異物，検知
Keywords：Contactless battery chargers, Electromagnetic induction, Induction heat, Foreign metallic materials, Detecting

1.

（Ⅰ）一次二次コイルの電圧比(VIN : V2)から推定されるトラはじめにンス効率と実際の効率を比較する方法，（Ⅱ）駐車前の二次

近年，地球環境問題や石油価格の高騰により，プラグイ

側なし状態で一次側に定電圧を印加したときの電流値を比ンハイブリッド自動車（PHV）や電気自動車（EV）の普及

較する方法，（Ⅲ）伝送損失を定時でサンプリングし比較すが進んでいる。現在は電気ケーブルとコネクタで車に給電る方法を提案する。
（Ⅰ），（Ⅱ）は給電前に異物が存在した

するコネクタ給電方式であるが，安全性や利便性を考える

場合の検知方法で，（Ⅲ）は給電中に異物が混入した場合のと，将来は非接触給電方式(1)～(3)が有望である。

検知方法である。

電気自動車用の非接触給電装置は，電磁誘導方式が一般的であり，地上側と車載側のトランス間に高周波の磁界が発生する。そのため，トランス間に金属異物が存在すると誘導加熱により金属異物が加熱され，発火・発煙やトランス
カバーの変形，効率低下といった問題が考えられる。よって電気自動車の非接触給電の普及には，金属異物の有無を確認する検知手段が必要である。
電気シェーバーやゲーム機のリモコンなどの家庭用電気

図 1 非接触給電システム

製品では非接触給電が普及しており，金属異物の検知手段

Fig. 1. Contactless battery charger.

が考えられている。その方法としては（A）センサを使う方
法や（B）電圧・電流の変化により検知する方法などがある。
しかし，これらを電気自動車用として用いた場合の欠点として（A）では，屋外使用時は周囲環境（汚れ，悪天候）に
より精度に影響が出る可能性があること，（B）では，家庭用電気製品では専用の充電ケースを用いるため一次二次トランスの位置ずれやギャップ長変動による影響までは考えられていないことなどが挙げられる。

図 2 詳細等価回路

本論文では，二次的機構を用いず一次二次トランスの位置
Fig. 2.

ずれ・ギャップ長変動下でも検知可能な異物検知法として

1

Detailed equivalent circuit.

2.

自動車用非接触給電システム〈2･1〉 非接触給電装置
サ方式の非接触給電システム

1

一次直列二次並列コンデン(2)(3)の構成を図 1 に示す。高周電トランスの出力にはダイオード整流器，バッテリーを模

3擬した抵抗負荷が接続されている。

(1)身近に落ちている，(2)トランス間（最大 20cm）に入る，(3)1.5kW 給電

し，直列および並列共振コンデンサ Cs，Cp と抵抗負荷 RL

で危険温度まで上昇する，という条件より検知する必要のを加えた詳細等価回路を図 2 に示す。
なお，巻数比を a=N1/N2ある異物を設定する。ここで危険温度とは発火・発煙やトとし，一次側諸量は二次側に換算し’（ダッシュ）をつけてランスカバーの変形といった問題を考慮して設定した温度表す。実際の給電トランスでは，フェライトコアとリッツである。発火・発煙という点では自然発火温度が 225℃以上

線を用いると鉄損を表す r0 と巻線抵抗 r1, r2 は，電源周波数（IUCLID2000）であること，トランスカバーの変形という点においてトランスのリアクタンス x0, x1, x2 に比べ十分小さ

では合成樹脂の融点が 120℃程度であることから危険温度

い。従って巻線抵抗 r1, r2 と鉄損の r0 を省略した回路で解析

を 100℃と設定した。

を進める。

〈3･2〉 温度上昇試験

まず二次側

実際の給電中に異物を混入させた場合の異物の温度上昇を測定した。試験対象異物は上

並列コンデンサ Cp の値を，電源周波数 f0 において励磁リア記の(1)，(2)より図 3 の各異物で実験を行った。異物の大クタンス x'0 と漏れリアクタンス x2 との和（二次巻線の自己

きさはアルミ缶は 350ml，スチール缶は 190ml，アルミ箔はリアクタンス L2）に共振するように(1)式の値に決める。

4 つ折りにしたもので大きさは 120mm×70mm，釘は大きい

1
 x p  x0  x 2 ............................................. (1)0 CP

方が直径 5.4mm 長さ 48mm，小さい方が直径 1.8mm 長さ24mm である。
給電条件は図 1 の回路の RL を 30Ω，電源周波数 50kHz，

次に一次側直列コンデンサの値を(2)式の値に決める。

給電電力 1.5kW，ギャップ長 120mm，位置ずれなしの標準x x1
 xs  0 2  x1 .................................. (2)0CS
x0  x2状態とした。異物の設置位置は図 4 の位置 B（磁界が最も強く，温度上昇が大きい位置）とした。測定条件は室内無風状態で室温は約 25℃，温度測定には熱電対を用いた。各異ここで，V'IN と V2，I'IN と IL

物の温度上昇を測定した結果を表 1 に示す。

の関係を求めると，(3)式が成り立ち巻数比 b の理想変圧器

この結果，アルミ缶，スチール缶，アルミ箔は 100℃以上と等価となる。

に温度上昇し，硬貨や釘といった小さなものは 100℃以下で

x0
I  L , b
VIN  b V2 , I IN..................... (3)bx0  x2
〈2･5〉 給電効率の理論式

検知対象異物の設定〈3･1〉 検知対象異物の設定条件

給電トランスを T 形等価回路で表〈2･4〉 理想変圧器特性

1 r1
 1 .. (6)1 r1
， RLmax  xP
1b 2 r2b 2 r2

最大効率運転が可能となる。

のコアにはフェライトを，巻線にはリッツ線を用いる。給〈2･3〉 直列および並列共振コンデンサ

2r2
xP

従って，(5)(6)式を用いれば，給電トランスの最適設計や波電源にはフルブリッジインバータを用い，給電トランス〈2･2〉 等価回路

1

 max 温度が飽和した。これより検知対象異物としてアルミ缶，
スチール缶，アルミ箔を考える。

図 2 の詳細等価回路において，鉄損を表す r0 を無視すると給電効率 η は，



RL I L2............................................ (4)RL I L2  r1I1 2  r2 I 22で表され，一般に RL  xP となるので(5)式で近似できる。



RL
2

r
 R  
 ................................... (5)RL  12  r2 1   L  xb  P (a) Aluminum can(b) Steel can(c) Aluminum foil

また，
(5)式から給電効率 η が最大となる抵抗 RLmax の値と，そのときの最大効率 ηmax を求めると(6)式となる。
(d) Coins(e) Nails
図 3 試験対象異物

Fig. 3.

2

Foreign materials.

Top view of primary transformer
表 1 温度上昇試験結果
Table1.
Foreign material
Aluminum can

Temperature rise test.
temperature[℃]
over100

Steel canover100

Aluminum foil

over100

1 yen coin

47.6

5 yen coin

57.1

10 yen coin

50.0

50 yen coin

53.0

100 yen coin

64.1

500 yen coin

53.5

Small nail44.1

Big nail60.5

図 4 異物設置位置
Fig. 4.

Installation position.

表 2 各異物の各設置位置における温度上昇試験結果
Table 2.

Aluminum canAover100℃（4′45′′）

Temperature rise test of each installation position.
B
C
D
E
over100℃
98℃
31.8℃
33.4℃
（1′50′′）

37.4℃

Steel canover100℃（20′′）

over100℃（14′′）

over100℃（29′′）

62.0℃

81.7℃

48.5℃

Aluminum foil

over100℃（30′′）

100℃以上（20′′）

48.2℃

34.2℃

35.4℃

31.7℃

〈3･3〉 異物設置位置における温度上昇試験

F

G

64.0℃

各異物

らの影響を考慮した検知方法として（Ⅰ）一次二次コイル

をトランスの様々な位置に設置したときの温度上昇試験をの電圧比(VIN : V2)から推定されるトランス効率と実際の効行った。異物の設置位置はトランスの対称性より図 4 の位率を比較する効率比較法，（Ⅱ）駐車前の二次側なし状態で

置 A～F の 6 箇所とした。給電条件，測定条件は前述の温度

一次側に定電圧を印加したときの電流値を比較する電流比上昇試験と同様である。

較法，（Ⅲ）伝送損失電力を定時でサンプリングし比較する

各異物の各設置位置における温度上昇を測定した結果を給電損失比較法を提案する。
（Ⅰ），（Ⅱ）は給電前に異物が表 2 に示す。アルミ缶，アルミ箔ではトランス上の位置 A

存在した場合の検知方法で（Ⅲ）は給電中に異物が混入しおよび B にある場合のみ危険温度まで温度上昇し，スチー

た場合の検知方法である。

ル缶ではアルミ板上の位置 C でも危険温度まで温度上昇し〈4･2〉 効率比較法

た。そこでスチール缶では同様の実験を位置 G でも行った〈4･2･1〉検知方法の概要

ところ，位置 G では危険温度以下で飽和した。

車後，給電を開始する前に小電力給電における効率を比較

表中に記載してある時間は給電を開始してから異物の温することによって異物の有無を確認する方法である。

度が危険温度に達した時間である。温度変化が小さい位置

トランスの結合係数 k と一次二次コイルの Q を用いると(6)式の理論最大効率は(7)式に変形できる(4)。

では異物にする鎖交する磁束が少なく，異物が回路に与える影響が小さいと考えられる。よって提案する検知方法がQアルミ缶，アルミ箔は位置 A に設置した場合，スチール缶
問わず検知可能であるとする。

r， max 

11

2................................ (7)Q はコイルの性能を表わし，位置ずれやギャップ長によってほとんど変化しない。結合係数 k は(3)式の理想変圧器

提案する検知方法〈4･1〉 検知方法

L

k Q1Q2では位置 C に設置した場合に検知可能であれば設置位置を

4.

この検知方法は自動車の駐の巻数比 b とほぼ等しい値となることが知られている(2)。b

自動車用非接触給電装置は，前後は(3)式より一次二次コイルの電圧比より容易に測定可能で左右の位置ずれや積荷などによるギャップ長の変動が避けあるため，給電中において一次二次コイル電圧を測定し，bられない。ギャップ長や位置ずれにより回路各部の電圧・を算出することにより効率を推定することが可能である。

電流・電力といったパラメータも変化する。本章ではこれ
3

金属異物が混入した際の等価回路は図 5 となる(5)。一次おx1  x10  x11 ............................................................ (8)

よび二次巻線の漏れリアクタンスを x11 ,x21，一次および二次
巻線と異物回路との相互リアクタンスを x10 ,x20，一次およとなり，異物混入時はび二次の異物回路の漏れ磁束を xf1 ,xf2，抵抗を rf1 ,rf2 で示す。

x1 

図 5 を図 2 の回路に変換した場合，異物なし時と異物混入時では x1 ,x2 ,r1 ,r2 が変わる。まず，x1 について異物なし時はxf12  rf21  x10 xf 1
 x10  x11 ....... (9)( xf12  rf21  x10 xf1 )  x102  x10 xf1となる。(8)(9)式より異物混入時の方が x1 が小さくなることがわかる。次に，r1 について異物なし時は

r1  r11 ...................................................................... (10)となり，異物混入時は

r1  r11 

Fig. 5.

2x10
rf 1............................... (11)( x10  xf 1 ) 2  rf12

図 5 異物混入時の詳細等価回路となる。(10)(11)式より異物混入時の方が r1 が大きくなるこ

Detailed equivalent circuit with foreign material.

とがわかる。x2 ,r2 も同様となり，異物混入時は l(=x/ω)が小さくなり，r が大きくなるので(7)式より Q が小さくなる。
周波数 50kHz での Q と b を測定した結果を表 3 に示す。

表 3 異物混入における回路定数測定結果
Table 3.

Nothing
AluminumcanSteel canAluminum
foil

各異物混入時は表 3 より b の値はほとんど変化せず，Q のTransformer parameters.

Q1

Q2

b

k

値が小さくなる。このため異物混入時は b による推定効率

209

181

0.196

0.196

と実際の給電効率に差が生じる。この差が閾値を超えた時，

128

149

0.198

0.199

77.1

131

0.200

0.201

いる。しかし鉄損は巻線端子電圧によって決まり，b が等し

160

122

0.200

0.196

い場合，(3)式の理想変圧器特性よりトランス各部の電圧・異物ありと判断する。
ここで，(7)式は〈2･5〉節で述べた通り，鉄損を無視して電流は等しくなるので鉄損も等しくなる(6)。よって鉄損の影響を含んでも b によってトランス効率 ηTR を推定できる。

表 4 測定範囲

図 6 軸設定
Fig.6.

しかしながら b の値が等しくても磁界の偏りやフェライ

Table 4. Range of measurement.
Forward direction
0～60 (per 20)x[mm]Lateral direction
0～150 (per 50)
y[mm]Air gap120±30z[mm]

トコアの温度に差異があると鉄損の大きさが異なる。これらの影響を小さくするため低電圧で給電を行う。鉄損はコ
イル電圧に対して 2 次関数的に増加するので，低電圧で駆動することによって鉄損の影響を小さくできる。
〈4･2･2〉実験概要

Axis .

図 1 の回路の RL を 30Ω，周波数50kHz で 200W 給電実験を行い，b と ηTR を測定した。
100

測定範囲は表 4 の組合せ 48 点で異物なし状態における測定を行った。また，b が標準状態，大きい時，小さい時で異95物を混入させ同様の条件の給電実験を行い b と効率を測定した。異物設置位置は〈3･3〉節で述べた通り，アルミ缶，

TR[%]

90

アルミ箔は図 4 の位置 A，スチール缶は位置 C とした。
〈4･2･3〉実験結果

85

b と ηTR を測定した結果を図 7 に示す。異物なし時の測定点から推定効率曲線を描き，異物なしと判定する許容範囲を設けた。許容範囲は効率低下 1.33%

Nothing
Aluminum can
Steel canAluminum foil
Efficiency curve
Threshold level8075（1.5kW 給電で損失 20W）を検知可能となるようにした。
その結果，異物なし時の測定点はすべて許容範囲内に収まり，各異物混入時は b の大小によらず許容範囲から外れ検知可能となった。

70

0.137

0.15

0.207

0.2

0.276

0.25

〈4･3〉 駐車前電流比較法

0.3〈4･3･1〉検知方法の概要

bFig. 7.

この検知方法は自動車が駐図 7 効率比較結果

車する直前に，トランスの一次側のみを用いて電流値を比Efficiency comparison result.

較することによって異物の有無を確認する方法である。
4

図 8 トランス一次側回路

図 10 電流比較法実験回路

Fig. 8.

Fig. 10. Experiment circuit.

Primary coil circuit.

5
Nothing
Aluminum can
Steel canAluminum foil

Z [

4

threshold

3
2
1
0
49

50 50.3

51

52

f [kHz]
図 9 周波数-インピーダンス特性
Fig. 9.

Impedance frequency characteristic.

図 11 電流比較結果

表 5 50.3kHz でのインピーダンスの値
Table 5.
Foreign material
Nothing
Aluminum can
Steel canAluminum foil

Fig. 11. Current comparison result.

Impedance.

〈4･3･2〉降圧トランスの接続

Z[mΩ]
237
2055
733
859

表 5 より回路のインピーダンスが数百 mΩ と小さい。そのため大電流による V1 の増加での絶縁破壊に注意する必要があり，低電圧で駆動しなければならない。しかし安価な直流安定化電源として昇圧型 PFC 回路が用いられた場合，100V 商用電源を用いるとこの方法は，トランスの二次側なし状態なのでギャップ

出力最低電圧が 140V 程度となってしまうと考えられる。そ長や位置ずれの影響を受けない。トランスの一次側のみでのため異物検知時のみ図 10 のように降圧トランスを接続しは図 8 のような LC 直列回路となる。この回路のインピーダ

非接触給電トランスへの印加電圧を下げる必要がある。

ンス Z は回路の抵抗を ro1 とすると(12)式となる。

〈4･3･3〉実験概要

図 10 の回路の電源周波数 50.3kHz，

VIN=3V とし，異物なし時と各異物混入時の IIN を測定した。

2
1  ............................. (12)Z  r   j (L1 )Cs 


また、降圧トランスの巻数比は 80:2 とした。異物設置位置

2
o1

はアルミ缶，アルミ箔は図 4 の位置 A，スチール缶は位置 Cとした。

この回路を異物なし時の共振周波数 f0 で駆動すると式(12)の虚部は異物なし時に 0 となるが，異物混入時は(8)(9)〈4･3･4〉実験結果

式と同様にインダクタンスが変化するので 0 とならない。

を図 11 に示す。異物なし時と比べ，異物混入時は IIN が小さ

各異物混入時の IIN を測定した結果

また，異物混入時に ro1 は(10)(11)式と同様に大きくなるの

くなり，閾値を 6A に設けることで設定した異物が検知可能で，これらより異物混入時は Z が大きくなる。

となった。

トランス一次側の各異物混入時の周波数-Z 特性を図 9 にIIN の変化が表 5 のインピーダンスの変化ほど大きくなか示す。異物なしのとき f0=50.3kHz で LC 共振となり Z が最小った。これはインピーダンス測定には LCR メーターを用い，となった。各異物混入時は共振のずれや抵抗分の増加より

IIN が 0.1mA 程度で測定しているが，給電では IIN が数 A とf0 での Z が 3 倍～9 倍程度に大きくなった。f0 での各異物混なるために CS により一次側巻線端子電圧 V1 が大きくなり，

入時の Z の値を表 5 に示す。

鉄損が大きくなったため異物混入によるインピーダンスの変化が小さくなったと考えられる。そのため印加電圧を小

この回路に LC 共振周波数の一定電圧を印加したときのさくすることで検知精度の向上が期待できる。

IIN を測定する。各異物混入時は表 5 より Z が大きくなるた
め IIN が小さくなる。IIN が閾値以下で異物ありと判断する。
5

〈5･2〉 電流比較法の考察

電流比較法では共振を利用しているため，アルミ缶やアルミ箔のように電気伝導率が大きい異物の方が共振のずれが大きくなり，電流値の変化が大きく得られた。したがって電流値比較法はアルミ缶
やアルミ箔に対し検知精度がよいと言える。
〈5･3〉 給電前検知方法の比較

給電前に異物が存在した場合の検知方法として効率比較法と電流比較法の二法

thresholdを提案した。効率比較法は，スチール缶のような透磁率が大きく，電気伝導率の小さい異物に対し検知精度がよい。
一方，電流比較法はアルミ缶やアルミ箔のように電気伝導率が大きい異物に対し検知精度がよい。したがって，この両法を組み合わせて異物検知を行うことが望ましいと考えられる。

図 12 給電損失比較結果
Fig. 12.

Loss comparison result.

6.

本論文では，非接触給電装置の金属異物の誘導加熱問題〈4･4〉 給電損失比較法〈4･4･1〉検知方法の概要

に対する異物検知法として，給電前では推定効率と実効率

この検知方法は給電中に異を比較する効率比較法とトランスの一次側のみを用いた電物が混入した場合の検知方法である。図 1 の一次側入力電流値比較法，給電中では給電損失を定時でサンプリングし力 P1 と二次側出力電力 P2 の差を給電損失(P1-P2)とする。

比較する給電損失比較法を提案した。さらに，これらの検P1-P2 を一定時間毎にサンプリングし現サンプリング値知方法で設定した異物が検知可能であることを実験で確認(P1-P2)n と前サンプリング値(P1-P2)n-1 を比較する。あるサンした。また，給電前の検知方法では効率比較法と電流比較

ンプリング時 n に異物が混入すると(P1-P2)n と(P1-P2)n-1 との法の二法を提案したが，効率比較法はスチール素材の異物

比較値 Pn が異物による損失分だけ大きくなる。Pn が閾値以に対し検知精度がよく，電流比較法はアルミ素材の異物に上になったとき異物ありと判断する。これを式で表わすと検知精度がよいため，これら二法を組み合わせて異物検知(13)式となる。

を行うことが望ましいと考えられる。

Pn  ( P1  P2 ) n  ( P1  P2 ) n1 .......................... (13)〈4･4･2〉実験概要

図 1 の回路の RL を 30Ω，周波数

文

50kHz，ギャップ長 120mm，位置ずれなしの標準状態でと P2 を測定し，P1-P2 を計算した。また，各異物混入時のP1-P2 と異物なし時の P1-P2 の差を計算し Pn とした。異物設
置位置はアルミ缶，アルミ箔は図 4 の位置 A，スチール缶
は位置 C とした。
給電損失を比較した結果を図 12 に示す。各異物混入時は Pn が大きくなり，閾値を 20W に設定することで設定した異物が検知可能となった。

5.

給電前検知方法の考察〈5･1〉 効率比較法の考察

献(１) 江原夏樹・長塚裕一・金子裕良・阿部 茂・保田富夫・井田和彦：「電
気自動車用角型非接触給電トランス」，電気学会産業応用部門大会講演論文集, 2-25, (2009)(２) 藤田敏博・金子裕良・阿部 茂：「直列および並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」,電学論 D,Vol.127,No.2, pp.174-180(2007)(３) 金子裕良・松下真也・及川康史・阿部 茂：「直列および並列共振コンデンサを用いた移動型非接触給電と給電効率」, 電学論 D, Vol.128,
No.7, pp.919-925 (2008)(４) 遠井敬大・金子裕良・阿部 茂：「非接触給電の最大効率の結合係数
k とコイルの Q による表現」，
電学論 D，Vol.127，
No.2，
pp174-180(2007)(５) 江原夏樹・岩田卓也・辻 俊明・金子裕良・阿部 茂・保田富夫：「漏れ磁束遮蔽アルミ板付き非接触給電の特性」，電気学会産業応用部門
大会講演論文集, 2-6, (2010)(６) 千明将人・長塚裕一・金子裕良・阿部 茂・保田富夫・鈴木 明：「電
気自動車用非接触給電トランスの新コア構造と鉄損のモデル化」,電学論 D, Vol.132(2012),No.1,pp.9-16

1.5kW 給電実験を行った。異物なし時と各異物混入時で P1〈4･4･3〉実験結果

まとめ

効率比較法では b が小さいとき，異物なし時の測定値と推定効率曲線の誤差が大きく，許容範囲を小さくとることができなかった。そのためアルミ缶やアルミ箔のように比透磁率が 1 に近く，電気伝導率の大きい異物では効率低下が小さく，特に b が大きいときにおいて許容範囲の境界付近に測定されてしまい，これらの検知精度に不安があると考えられる。
しかし，スチール缶のように比透磁率が大きく，電気伝導率も比較的小さい異物は効率低下が大きいため，この方法で容易に検知することが可能である。

6