JP2015023595A - 非接触給電装置用の異物検出装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異物検出用のコイルに発生する誘導電圧を低減することができ、これにより導電性異物の有無を検出する異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる非接触給電装置用の異物検出装置と方法を提供する。【解決手段】送電コイル３と受電コイル４との間に位置する検出コイル１２と、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを検出し、これから送電コイル３と受電コイル４との間に位置する導電性異物の有無を検出する検出ユニット１４とを備える。検出コイル１２は、２つのループ部１２ａが互い逆方向に巻かれた連続した導電線１３からなる。各ループ部１２ａの面積、巻き数、又は２つのループ部１２ａの図心を結ぶ方向が、導電性異物が存在しないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように設定されている。【選択図】図４

Description

本発明は、非接触給電装置用の異物検出装置と方法に関する。

近年、電動モータと内燃機関を備えたハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ：Ｈｙｂｒｉｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）が実用化されている。また、電動モータのみを備えた電気自動車（ＥＶ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｖｅｈｉｃｌｅ）も実用化されている。

電気自動車などに非接触給電を行う非接触給電装置は、給電側の１次コイルと受電側の２次コイルとを磁気結合させて給電側から受電側に非接触で電力を伝送するものである。
かかる非接触給電装置は、例えば特許文献１、２が開示されている。

特許文献１の非接触給電装置は、１次コイルと２次コイルの軸線がそれぞれ鉛直かつ同一軸になっている。この形式の非接触給電装置を「サーキュラー型」と呼ぶ。
また特許文献２の非接触給電装置は、１次コイルと２次コイルの軸線が互いに平行に位置している。この形式の非接触給電装置を「ソレノイド型」と呼ぶ。

非接触給電は、電磁誘導方式、電波方式、磁界共鳴方式の３つの方式に大別される。
電磁誘導方式は、２つの隣接するコイルの一方に電流を流すと発生する磁束を媒体として他方のコイルに起電力が発生する電磁誘導を用いたものである。
電波方式は、電流を電磁波に変換しアンテナを介して送受信するものである。
磁界共鳴方式は、電磁誘導方式と同様に磁束を媒体とするが、電気回路の共振現象を積極的に利用し、コイルに流れる誘導電流を増幅するものである。

上述した非接触給電装置において、金属異物が１次コイルと２次コイルの間に混入した場合、金属異物に渦電流が発生し、ジュール熱により発熱する可能性がある。
そのため、このような異物を検出する非接触給電装置が、例えば特許文献３に開示されている。

特許文献３の非接触給電装置は、上述した電磁誘導方式の非接触給電装置であり、第１のコイルと第２のコイルとの間に第３のコイルを設け、第３のコイルに生じる誘導電圧に基づき、第１のコイルと第２のコイルとの間の異物を検出するものである。

特開２０１０−２２６８８９号公報 特開２０１３−９０３９２号公報 特開２０１２−２４９４０１号公報

第１のコイルと第２のコイルとの間に第３のコイルを設け、第３のコイルに生じる誘導電圧を検出する場合、第１のコイルと第２のコイルとの間に異物が存在しない状態でも誘導電圧が発生する。
そのため、異物がないときの誘導電圧の存在により、第３のコイルによる異物の検出が困難又は誤検出する可能性があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、導電性異物がないときに異物検出用のコイルに発生する誘導電圧を低減することができ、これにより導電性異物の有無を検出する異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる非接触給電装置用の異物検出装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルと、
前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する検出ユニットと、を備え、
前記検出コイルは、２つのループ部が互い逆方向に巻かれた連続した導電線からなり、
各ループ部の面積、巻き数、又は前記２つのループ部の図心を結ぶ方向が、導電性異物が存在しないときに前記検出コイルに発生する誘導電圧が０又は最小になるように設定されている、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出装置が提供される。

前記２つのループ部は、送電コイルと受電コイルとの間に位置する同一平面上に位置しており、かつ前記図心を結ぶ方向は、検出コイルの設置位置における磁気勾配方向に垂直になるように配置されている。

前記ループ部は、同一平面上において互いに重ならずに位置する円形、矩形、三角形、又はひし形のループである。

前記検出ユニットは、検出コイルに発生する誘導電圧を検出する検出部と、検出された誘導電圧を導電性異物が存在しないときの基準電圧と比較して導電性異物の有無を判定する判定部とを有する。

また本発明によれば、送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルを、２つのループ部が互い逆方向に巻かれた連続した導電線で構成し、
各ループ部の面積、巻き数、又は前記２つのループ部の図心を結ぶ方向を、送電コイルと受電コイルとの間に導電性異物が存在しないときに前記検出コイルに発生する誘導電圧が０又は最小になるように設定し、
前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出方法が提供される。

前記検出コイルを前後ないし左右に並行移動、もしくは垂直軸まわりに回転させつつ、検出コイルに発生する誘導電圧を計測し、前記誘導電圧の計測値が０又は最小になる位置と回転角に位置決めする。

上記本発明の装置及び方法によれば、検出コイルが、２つのループ部が互い逆方向に巻かれた連続した導電線からなるので、磁界による誘導電流が２つのループ部で逆向きとなり、互いに打ち消し合う。
また、各ループ部の面積、巻き数、又は２つのループ部の図心を結ぶ方向が、導電性異物が存在しないときに前記検出コイルに発生する誘導電圧が０又は最小になるように設定されているので、磁気勾配のある場所でも、導電性異物がないときに検出コイルに発生する誘導電圧は０又は最小になる。
従って、導電性異物がないときに異物検出用のコイルに発生する誘導電圧を低減することができ、これにより異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる。

本発明の異物検出装置を備えた非接触給電装置の構成図である。 検出コイルの設置位置を示す図である。 検出ユニットの構成図である。 送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルの具体例を示す図である。 ループ部の別の構成例を示す図である。 図５（Ｃ）の検出コイルにおける異物検出の原理説明図である。 複数の検出コイルの配置例を示す図である。 本発明の異物検出方法のフローチャートである。

以下、本発明の好ましい実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、本発明の異物検出装置１０を備えた非接触給電装置２の構成図であり、（Ａ）は使用状態図、（Ｂ）はブロック回路図である。本発明の異物検出装置１０は、非接触給電装置用の異物検出装置１０である。
この図において、非接触給電装置２は、送電コイル３から受電コイル４に電磁誘導によって非接触に給電を行う。

図１において、１は駐車スペース、３は送電コイル、４は受電コイル、５は受電側整流器、６は車載バッテリである。
非接触給電装置２は、交流電源２ａ、送電側整流器２ｂ、インバータ２ｃ及び送電コイル３を含み、送電コイル３に高周波に変換した電力を供給する。
送電コイル３は、この電力により高周波の磁界を発生させる。この磁界により受電コイル４に高周波の電力が発生する。この電力は受電側整流器５で直流に変換され、車載バッテリ６に充電される。

図１において、本発明の異物検出装置１０は、検出コイル１２と検出ユニット１４を備える。

検出コイル１２は、送電コイル３と受電コイル４との間に位置する。
図２は、検出コイル１２の設置位置を示す図である。この図において、（Ａ）は検出コイル１２を送電コイル３に近接させて設置した例であり、（Ｂ）は受電コイル４に近接させて設置した例であり、（Ｃ）は２つの検出コイル１２を送電コイル３と受電コイル４にそれぞれ近接させて設置した例である。
この図に示すように、検出コイル１２は、送電コイル３と受電コイル４との間であれば、どちらに近接させても良く、或いは両者の中間位置に設置してもよい。

検出ユニット１４は、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを検出し、これから送電コイル３と受電コイル４との間に位置する導電性異物（図示せず）の有無を検出する。

図３は、検出ユニット１４の構成図である。
検出ユニット１４は、好ましくは、記憶装置と演算装置を含むコンピュータ（ＰＣ）であり、検出部１４ａと判定部１４ｂを有する。
検出部１４ａは、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを検出する。
判定部１４ｂは、検出された誘導電圧Ｖを導電性異物が存在しないときの基準電圧Ｖ０と比較して導電性異物の有無を判定する。
導電性異物が存在しないときの基準電圧Ｖ０は、記憶装置に予め記憶するのがよい。

図４は、送電コイル３と受電コイル４との間に位置する検出コイル１２の具体例を示す図であり、（Ａ）は側面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ平面における断面図である。また、図４は、送電コイル３に高周波に変換した電力を供給したときに、送電コイル３および受電コイル４の周辺に発生する磁界の概略も示す。

図４（Ａ）において、送電コイル３と受電コイル４の軸線は、互いに平行に位置している。すなわちこの図は、上述した「ソレノイド型」の非接触給電装置２を示している。また、図４（Ａ）において、各破線は磁力線を示している。
なおこの図において送電コイル３と受電コイル４を円筒型で示しているが、これに限定されず、矩形断面でもその他の形状であってもよい。また、送電コイル３と受電コイル４を内部が空な空芯として示しているが、内部にフェライト等を含んでもよい。
また、本発明は「ソレノイド型」に限定されず、送電コイル３と受電コイル４の軸線がそれぞれ鉛直かつ同一軸になっている上述した「サーキュラー型」の非接触給電装置２であってもよい。

図４（Ａ）において、Ｂ−Ｂ平面は、送電コイル３と受電コイル４の対称平面であるが、本発明は、これに限定されず、送電コイル３と受電コイル４との間に位置する平面であればよい。
検出コイル１２は、Ｂ−Ｂ平面上の任意の場所に位置する。

図４（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ平面上の磁界の分布を示しており、各破線は等磁界線（磁界強度が等しい線）を示している。
この図において、検出コイル１２は、２つのループ部１２ａが互い逆方向に巻かれた連続した導電線１３からなる。連続した導電線１３の両端部１３ａ、１３ｂは、図示しない信号線を介して検出ユニット１４に接続されている。この信号線は、磁界の影響を受けないように配置する。

各ループ部１２ａの面積、巻き数、又は２つのループ部１２ａの図心を結ぶ方向（線分Ｃ−Ｃ）は、導電性異物が存在しないときに検出ユニット１４に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように設定されている。
また、導電性異物が存在しないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）は、検出ユニット１４の記憶装置に予め記憶する。

この例において、２つのループ部１２ａの面積と巻き数は同一であり、ループ部１２ａの図心を結ぶ方向（線分Ｃ−Ｃ）は、検出コイル１２の設置位置における磁気勾配方向（図に破線の矢印で示す）に垂直になるように配置されている。
この構成により、２つのループ部１２ａが互い逆方向に巻かれた連続した導電線１３からなり、かつ２つのループ部１２ａの面積と巻き数は同一であるので、磁気勾配のある場所でも、磁界による誘導電流ｉ１，ｉ２は実質的に同一となり、２つの誘導電流ｉ１，ｉ２が２つのループ部１２ａで逆向きとなり、互いに打ち消し合う。
従って、磁気勾配のある場所でも、導電性異物がないときに検出コイル１２に発生する基準電圧Ｖ０は実質的に０になる。

図５は、ループ部１２ａの別の構成例を示す図である。この図において、（Ａ）は面積を変える例、（Ｂ）は面積と巻き数を変える例、（Ｃ）は形状が矩形である例である。
図５に示すように、各ループ部１２ａの面積、巻き数を変えてもよい。また、ループ部１２ａは、同一平面上において互いに重ならずに位置する円形、矩形、三角形、又はひし形のループであるのがよい。

図６は、図５（Ｃ）の検出コイル１２における異物検出の原理説明図であり、（Ａ）は送電コイル３と受電コイル４との間に導電性異物が存在しないとき、（Ｂ）は導電性異物が存在するときを示している。

導電性異物が存在しないときは、図６（Ａ）に示すように、２つのループ部１２ａが互い逆方向に巻かれた連続した導電線１３からなり、かつ２つのループ部１２ａの面積と巻き数は同一である場合、２つのループ部１２ａの磁束が等しい。従ってこの場合は、発生する誘導電流ｉ１，ｉ２は同一であり、誘導電流ｉ１，ｉ２は２つのループ部１２ａで逆向きとなり、互いに打ち消し合うので、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）は実質的に０になる。
磁気勾配のある場所でも、図４（Ｂ）に示すように、ループ部１２ａの図心を結ぶ方向（線分Ｃ−Ｃ）が、検出コイル１２の設置位置における磁気勾配方向（図に破線の矢印で示す）に垂直になるように配置されているので、同様に、導電性異物が存在しないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）は０又は最小になる。

導電性異物が存在するとき、図６（Ｂ）に示すように、導電性異物が存在する方のループ部１２ａの磁束が強くなるので、一方の誘導電流ｉ１が他方の誘導電流ｉ２より大きくなり、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖが大きくなる。
従って、検出された誘導電圧Ｖを導電性異物が存在しないときの基準電圧Ｖ０と比較して導電性異物の有無を判定することができる。

図７は、複数の検出コイル１２の配置例を示す図である。この図において、等磁界線は、図４（Ｂ）と同一である。また、検出コイル１２は、矩形と三角形のループ部１２ａを用いている。
この図に示すように、複数の検出コイル１２を用い、導電性異物が存在しないときに各検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように設定することにより、導電性異物が存在するときに、その位置を検出することができる。

図８は、本発明の異物検出方法のフローチャートである。本発明の異物検出方法は、Ｓ１〜Ｓ４の各ステップ（工程）からなる。検出コイル１２は、２つのループ部１２ａが互い逆方向に巻かれた連続した導電線１３で構成されており、ステップＳ１を実施する以前に、各ループ部１２ａの面積、巻き数、又は２つのループ部１２ａの図心を結ぶ方向を、送電コイル３と受電コイル４との間に導電性異物が存在しないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように設定されている。

ステップＳ１では、検出コイル１２を送電コイル３と受電コイル４との間に位置決めする。より詳しくは、検出コイル１２を前後ないし左右に微小量の並行移動、もしくは垂直軸まわりに微小に回転させつつ、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを計測し、誘導電圧Ｖの計測値が０又は最小になる位置と回転角に位置決めする。以降、検出コイル１２の位置と回転角は固定しておく。
なお、位置決めした位置と回転角において検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）を計測し記憶する。

検出コイル１２の各ループ部１２ａの面積、巻き数、又は２つのループ部１２ａの図心を結ぶ方向は、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように設定されている。しかし、非接触給電装置２で発生する磁界が例えば周囲に存在する物質の影響で微小変化すると、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）は厳密には０又は最小からずれてしまう。ステップＳ１を実施することにより、磁界の微小変化があっても、誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が厳密に０又は最小となる位置と回転角に検出コイル１２を設置できる効果がある。

ステップＳ２では、検出コイル１２に生じる誘導電圧Ｖを検出する。

ステップＳ３では、検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖを検出し、これから送電コイル３と受電コイル４との間に位置する導電性異物の有無を検出する。
具体的には、例えば、ステップＳ２において計測した誘導電圧Ｖと、ステップＳ１において計測した基準電圧Ｖ０との差が、所定の閾値を超えた場合に、送電コイル３と受電コイル４との間に導電性異物が存在するものと判断する。

このステップＳ３において導電性異物が存在すると判断した場合には、給電を停止する（ステップＳ４）。

上記本発明の装置及び方法によれば、検出コイル１２が、２つのループ部１２ａが互い逆方向に巻かれた連続した導電線１３からなるので、磁界による誘導電流ｉ１，ｉ２が２つのループ部１２ａで逆向きとなり、互いに打ち消し合う。
また、各ループ部１２ａの面積、巻き数、又は２つのループ部１２ａの図心を結ぶ方向が、導電性異物が存在しないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖ（すなわち基準電圧Ｖ０）が０又は最小になるように設定されているので、磁気勾配のある場所でも、導電性異物がないときに検出コイル１２に発生する誘導電圧Ｖは０又は最小になる。
従って、導電性異物がないときに異物検出用のコイルに発生する誘導電圧Ｖを低減することができ、これにより異物検出の感度を高め、誤検出を低減することができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。もちろん、磁界共鳴方式にかぎらず、電磁誘導方式等の他の方式も含むものである。

ｉ１ 誘導電流、ｉ２ 誘導電流、Ｖ 誘導電圧、Ｖ０ 基準電圧、
１ 駐車スペース、２ 非接触給電装置、
２ａ 交流電源、２ｂ 送電側整流器、２ｃ インバータ、
３ 送電コイル、４ 受電コイル、５ 受電側整流器、６ 車載バッテリ、
１０ 異物検出装置、１２ 検出コイル、１２ａ ループ部、
１３ 導電線、１３ａ 端部、１３ｂ 端部、
１４ 検出ユニット（コンピュータ）、１４ａ 検出部、１４ｂ 判定部

Claims (6)

1. 送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルと、
   前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する検出ユニットと、を備え、
   前記検出コイルは、２つのループ部が互い逆方向に巻かれた連続した導電線からなり、
   各ループ部の面積、巻き数、又は前記２つのループ部の図心を結ぶ方向が、導電性異物が存在しないときに前記検出コイルに発生する誘導電圧が０又は最小になるように設定されている、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出装置。
2. 前記２つのループ部は、送電コイルと受電コイルとの間に位置する同一平面上に位置しており、かつ前記図心を結ぶ方向は、検出コイルの設置位置における磁気勾配方向に垂直になるように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置用の異物検出装置。
3. 前記ループ部は、同一平面上において互いに重ならずに位置する円形、矩形、三角形、又はひし形のループである、ことを特徴とする請求項２に記載の非接触給電装置用の異物検出装置。
4. 前記検出ユニットは、検出コイルに発生する誘導電圧を検出する検出部と、検出された誘導電圧を導電性異物が存在しないときの基準電圧と比較して導電性異物の有無を判定する判定部とを有する、ことを特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置用の異物検出装置。
5. 送電コイルと受電コイルとの間に位置する検出コイルを、２つのループ部が互い逆方向に巻かれた連続した導電線で構成し、
   各ループ部の面積、巻き数、又は前記２つのループ部の図心を結ぶ方向を、送電コイルと受電コイルとの間に導電性異物が存在しないときに前記検出コイルに発生する誘導電圧が０又は最小になるように設定し、
   前記検出コイルに発生する誘導電圧を検出し、これから送電コイルと受電コイルとの間に位置する導電性異物の有無を検出する、ことを特徴とする非接触給電装置用の異物検出方法。
6. 前記検出コイルを前後ないし左右に並行移動、もしくは垂直軸まわりに回転させつつ、検出コイルに発生する誘導電圧を計測し、前記誘導電圧の計測値が０又は最小になる位置と回転角に位置決めする、ことを特徴とする請求項５に記載の非接触給電装置用の異物検出方法。
   

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