JP6309197B2

JP6309197B2 - コイルユニット及び給電システム

Info

Publication number: JP6309197B2
Application number: JP2013042677A
Authority: JP
Inventors: 和義加々美; 肇寺山; 田中　信吾; 信吾田中
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2018-04-11
Anticipated expiration: 2033-03-05
Also published as: US20150372507A1; US10075022B2; WO2014136736A1; JP2014170876A

Description

本発明は、コイルユニットに係り、特に、非接触給電に用いられるコイルユニット及び非接触給電を行う給電システムに関するものである。

近年、ハイブリッド自動車や電気自動車などに搭載されたバッテリに給電する給電システムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電が着目されている。このワイヤレス給電技術の一つとして共鳴式のものが知られている（特許文献１、２）。

この共鳴式の給電システムでは、互いに電磁共鳴する一対の共鳴コイル（＝コイル）の一方を給電設備の地面に設置し、他方を車両に搭載して、給電設備の地面に設置された共鳴コイルから車両に搭載された共鳴コイルに非接触で電力を供給している。

上述した共鳴コイルは、その働きを強めるため、フェライトなどの磁性材料からなるコアに巻回されている。このコアとしては、従来、１部品で設けていた。しかしながら、大電力を送電する給電システムでは、共鳴コイル及びコアを大型にする必要があり、製造・コストなどを考慮すると１部品で構成するのは現実的ではない。そこで、実際にはいくつかのブロックで分割することになるが、上述したようにコアを分割すると隙間（ギャップ）などの原因により、電力伝送効率が低下してしまう、という恐れがあった。

特開２００８−８７７３３号公報特開２０１２−２０００３２号公報

そこで、本発明は、コアを分割しても電力伝送効率の低下を抑えることができるコアユニット及び給電システムを提供することを課題とする。

本発明者らは、鋭意探求した結果、コアをコイルの軸方向と直交する方向に沿って分割するよりもコイルの軸方向に沿って分割した方が、電力伝送効率の低下を抑えることができることを見出し、本発明に至った。

また、本発明者らは、鋭意探求した結果、コアを均等な幅で分割するよりも、両端部の幅が中央部よりも短くなるように分割した方が、電力伝送効率の低下を抑えることができることを見出し、本発明に至った。

即ち、請求項１記載の発明は、一対のコイルが、当該コイルの軸方向と直交する方向に離隔して配置されると一方のコイルから他方のコイルに非接触で給電する給電システムに用いられるコイルユニットにおいて、平板状のコアと、前記コアに巻回された前記コイルと、を備え、前記コアは、前記コイルの軸方向に沿った分割線により複数に分割されると共に、前記分割された複数のコア片のうち前記分割線と直交する方向の両端に配置された両端部の幅が中央に配置された中央部の幅よりも短くなるように、分割されている
ことを特徴とするコイルユニットに存する。

請求項２記載の発明は、一対のコイルが、当該コイルの軸方向と直交する方向に離隔して配置されると一方のコイルから他方のコイルに非接触で給電する給電システムに用いられるコイルユニットにおいて、矩形の平板状のコアと、前記コアに巻回されたコイルと、を備え、前記コアは、分割線により複数に分割されると共に、前記分割された複数のコア片のうち前記分割線と直交する方向の両端に配置された両端部の幅が中央に配置された中央部の幅よりも短くなるように、分割されていることを特徴とするコイルユニットに存する。

請求項３記載の発明は、請求項１又は２に記載のコイルユニットを一対備え、当該一対のコイルユニット間で非接触給電を行うことを特徴とする給電システムに存する。

以上説明したように請求項１〜３記載の発明によれば、コアを分割しても電力伝送効率の低下を抑えることができる。

本発明の給電システムの一実施形態を示す斜視図である。第１実施形態における図１に示すコアの斜視図である。従来品についての１次、２次フェライトコア表面における電力損失分布である。第１実施形態における給電システムである本発明品Ａについての１次、２次フェライトコア表面での電力損失分布である。比較品Ａについて１次、２次フェライトコア表面における電力損失分布である。第２実施形態における本発明品Ｂについての１次、２次フェライトコア表面での電力損失分布である。第２実施形態における本発明品Ｃについての１次、２次フェライトコア表面での電力損失分布である。第３実施形態における本発明品Ｄについての１次、２次フェライトコア表面での電力損失分布である。比較品Ｂについて１次、２次フェライトコア表面における電力損失分布である。

第１実施形態
以下、本発明の給電システムについて図１及び図２を参照して説明する。同図に示すように、給電システム１は、交流電源Ｖが設けられた電源供給設備の地面などに搭載され、交流電源Ｖからの電源を非接触で給電する１次コアユニット２と、車両に搭載され、１次コアユニット２から非接触で受電して、バッテリなどの負荷Ｌに供給する２次コアユニット３と、を備えている。

上記１次コアユニット２は、図１に示すように、平板状の１次フェライトコアＦＣ１と、１次フェライトコアＦＣ１に巻回された１次共鳴コイルＣ１と、１次共鳴コイルＣ１に接続された１次キャパシタ（図示せず）と、を備えている。

上記２次コアユニット３は、平板状の２次フェライトコアＦＣ２と、２次フェライトコアＦＣ２に巻回された２次共鳴コイルＣ２と、２次共鳴コイルＣ２に接続された２次キャパシタ（図示せず）と、を備えている。上記１次、２次コアユニット２、３が請求項中のコアユニットに相当し、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が請求項中のコアに相当し、１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２が請求項中の一対のコイルに相当する。

上述した１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２はそれぞれ、磁性材料である例えばフェライトから構成されて、平面視長方形状の平板であり、水平に配置されている。１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２は、給電時には垂直方向に対向する。本実施形態では、上述したようにコアがフェライトから構成されている例について説明するが、コアとしては透磁率が高く、誘電率の低い磁性材料から構成されていればよくフェライトに限定されるものではない。

１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２は、リッツ線から構成され、軸方向Ｙ１が１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２と平行になるよう巻回されている。図示しない１次、２次キャパシタは、１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２に並列又は直列に接続された共振周波数調整用のキャパシタであり、１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２と共に共振回路として働く。

また、本実施形態の１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２は、図２に示すように、１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２の軸方向Ｙ１に沿った分割線Ｌ１、Ｌ２に沿って２つに分割されている。なお、本実施形態では、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２は、軸方向Ｙ１に沿って２等分され、分割線Ｌ１、Ｌ２の一方側と他方側の幅Ｗ１は等しい。

上述した給電システム１によれば、車が電源供給設備に停車して、１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２の軸方向Ｙ１と直交する方向に離隔して配置された状態にする。この状態で、１次コイルユニット２に交流電源Ｖから共振周波数の交流電流を供給すると、１次共鳴コイルＣ１及び１次キャパシタが共振する。これにより、１次コアユニット２と２次コアユニット３とが磁界共鳴して、１次コアユニット２から２次コアユニット３に電力がワイヤレスで送られ、２次コアユニット３に接続された負荷Ｌに整流器４を介して電力供給が行われる。

上述した実施形態によれば、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２は、１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２の軸方向Ｙ１に沿って複数に分割されている。これにより、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を分割しても電力伝送効率の低下を抑えることができる。

次に、本発明者らは、上記効果を確認すべく、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が分割されていない給電システム１である従来品、図２に示すように、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が軸方向Ｙ１に沿って２つに分割された本発明品Ａ、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が軸方向Ｙ１と直交する方向に沿って２等分された比較品Ａ、について１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２表面での電力損失分布、１次、２次コアユニット２、３間での電力伝送効率についてシミュレーションした。

なお、このとき従来品及び本発明品Ａは、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が分割されているか否かの違いだけであって他の条件（例えば１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の大きさや１次、２次共鳴コイルＣ１、Ｃ２の材質、巻数など）は全て同じにしている。また、本発明品Ａ及び比較品Ａは、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の分割方向の違いだけであって他の条件は全て同じにしていると共に、分割された２つの部分の隙間を１ｍｍとしてシミュレーションしている。上記電力損失のシミュレーション結果を図３〜図５に示す。

なお、図３〜図５においては、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の上面での電力損失がそれぞれ示されている。なお、図３〜図５に図示されていない１次フェライトコアＦＣ１の下面（２次フェライトコアＦＣ２とは反対側の面）は、図３〜図５に示された２次フェライトコアＦＣ２の上面（１次フェライトコアＦＣ１とは反対側の面）での電力損失とほぼ同じになることが確認されている。また、図３〜図５に図示されていない２次フェライトコアＦＣ２の下面（１次フェライトコアＦＣ１と対向する面）は、図３〜図５に示された１次フェライトコアＦＣ１の上面（２次フェライトコアＦＣ２と対向する面）での電力損失とほぼ同じになることが確認されている。

図３及び図５を比較しても明らかなように、比較品Ａは、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の互いに対向していない面での電力損失は従来品よりよくなっているが、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の互いに対向している面での電力損失が従来品よりも悪化している。この結果、電力伝送効率は、従来品が９７．２０％であるのに対して、比較品Ａは９７．０８％となり、電力伝送効率が低下してしまう。

これに対して、図４に示すように、本発明品Ａは、従来品と電力損失分布をほぼ同じにすることができる。また、本発明品Ａの伝送効率は、９７．１９％となり、比較品Ａよりも高く、ほぼ従来品と同じにすることができる。即ち、本発明品Ａは、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を分割しているにも関わらず、従来品とほぼ同じ伝送効率を得ることができ、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を分割しても電力伝送効率の低下を抑えることができることが確認された。

第２実施形態
次に、第２実施形態について図６及び図７を参照して説明する。第１実施形態と第２実施形態とで大きく異なる点は、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の分割数である。第１実施形態では、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２は２分割されていたが、第２実施形態では、例えば図６及び図７に示すように、軸方向Ｙ１に沿って４つに分割されている。このとき、図６に示すように、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２は、４等分されていても良いし、図７に示すように、分割した両端部の幅Ｗ１１が中央部の幅Ｗ１２よりも短くなるように分割しても良い。

次に、本発明者らは、第２実施形態の効果を確認すべく、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が軸方向Ｙ１に沿って４等分された給電システム１である本発明品Ｂ、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が軸方向に沿って幅Ｗ１１＜幅Ｗ１２となるように４分割された給電システム１である本発明品Ｃについて、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２表面での電力損失分布、１次、２次コアユニット２、３間での電力伝送効率についてシミュレーションした。

なお、このとき本発明品Ｂ及び本発明品Ｃは、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が均等に分割されているか否かの違いだけであって他の条件は全て同じにしている。上記電力損失のシミュレーション結果を図６及び図７に示す。

図３と図６との比較からも明らかなように、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の中央部の電力損失は、本発明品Ｂの方が従来品よりも低く抑えることができる。一方、両端部の電力損失は、本発明品Ｂの方が従来品よりも悪化してしまい、伝送効率は９７．１７％となる。これは、従来品（９７．２０％）や上述した本発明品Ａ（９７．１９％）よりも少し低いものの同じ程度と言える範囲内であり、比較品Ａ（９７．０８％）よりも高い。

また、図７に示すように、本発明品Ｃは、幅Ｗ１１＜幅Ｗ１２とすることにより、電力損失の低い中央部の領域を広げ、電力損失の高い両端部の領域を小さくでき、伝送効率は９７．１８％となる。これは、従来品（９７．２０％）や上述した本発明品Ａ（９７．１９％）よりも少し低いものの同じ程度と言える範囲内であり、比較品Ａ（９７．０８％）、本発明品Ｂ（９７．１７％）よりも高いことが確認できた。

即ち、本発明品Ｂ、Ｃは、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を分割しているにも関わらず、従来品とほぼ同じ伝送効率を得ることができ、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を分割しても電力伝送効率の低下を抑えることができることが確認された。

また、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を軸方向Ｙ１に沿って３つ以上に分割する場合には、両端部の幅Ｗ１１を中央部の幅Ｗ１２よりも短くしたほうが、電力伝送効率の低下をより抑えることができることが分かった。

第３実施形態
次に、第３実施形態について図８及び図９を参照して説明する。第２実施形態と第３実施形態とで大きく異なる点は、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２の分割方向である。第２実施形態では、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２は軸方向Ｙ１に沿って不均等に分割していたが、第３実施形態では、図８に示すように、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を軸方向Ｙ１と直交する方向に不均一に分割している。この場合も１次、２次フェライトコアＦＣ１の両端部の幅Ｗ２１が中央部の幅Ｗ２２よりも短くなるように分割されている。

次に、本発明者らは、第３実施形態の効果を確認すべく、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が軸方向Ｙ１と直交する方向に沿って幅Ｗ２１＜幅Ｗ２２となるように４分割された給電システム１である本発明品Ｄ、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が軸方向Ｙ１と直交する方向に沿って４等分された（全ての幅Ｗ２が等しい）給電システム１である比較品Ｂについて、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２表面での電力損失分布、１次、２次コアユニット２、３間での電力伝送効率についてシミュレーションした。

なお、このとき本発明品Ｄ及び比較品Ｂは、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２が均等に分割されているか否かの違いだけであって他の条件は全て同じにしている。上記電力損失のシミュレーション結果を図８及び図９に示す。

図８と図９との比較からも明らかなように、本発明品Ｄは、幅Ｗ２１＜幅Ｗ２２とすることにより、電力損失の低い中央部の領域を広げ、電力損失の高い両端部の領域を小さくでき、伝送効率は９６．９８％となる。これは、比較品Ｂ（９６．８２％）よりも高いことが確認できた。

即ち、１次、２次フェライトコアＦＣ１、ＦＣ２を軸方向Ｙ１と直交する方向に沿って３つ以上に分割する必要がある場合には、両端部の幅Ｗ２１を中央部の幅Ｗ２２よりも短くしたほうが、電力伝送効率の低下をより抑えることができることが分かった。

また、上述した実施形態によれば、１次コアユニット２には交流電源Ｖから直接電源が供給されていたが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、電磁誘導などにより非接触で電源を供給するようにしてもよい。また、負荷Ｌには２次コアユニット３から直接電源が供給されていたが、本発明はこれに限ったものではなく、例えば、電磁誘導などにより非接触で電源を供給するようにしてもよい。

また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１給電システム
２１次コアユニット（コアユニット）
３２次コアユニット（コアユニット）
Ｃ１共鳴コイル（コイル）
Ｃ２共鳴コイル（コイル）
ＦＣ１１次フェライトコア（コア）
ＦＣ２２次フェライトコア（コア）
Ｗ１１両端部の幅
Ｗ１２中央部の幅
Ｗ２１両端部の幅
Ｗ２２中央部の幅
Ｙ１軸方向

Claims

一対のコイルが、当該コイルの軸方向と直交する方向に離隔して配置されると一方のコイルから他方のコイルに非接触で給電する給電システムに用いられるコイルユニットにおいて、
平板状のコアと、
前記コアに巻回された前記コイルと、を備え、
前記コアは、前記コイルの軸方向に沿った分割線により複数に分割されると共に、前記分割された複数のコア片のうち前記分割線と直交する方向の両端に配置された両端部の幅が中央に配置された中央部の幅よりも短くなるように、分割されている
ことを特徴とするコイルユニット。
一対のコイルが、当該コイルの軸方向と直交する方向に離隔して配置されると一方のコイルから他方のコイルに非接触で給電する給電システムに用いられるコイルユニットにおいて、
矩形の平板状のコアと、
前記コアに巻回されたコイルと、を備え、
前記コアは、分割線により複数に分割されると共に、前記分割された複数のコア片のうち前記分割線と直交する方向の両端に配置された両端部の幅が中央に配置された中央部の幅よりも短くなるように、分割されている
ことを特徴とするコイルユニット。
請求項１又は２に記載のコイルユニットを一対備え、
当該一対のコイルユニット間で非接触給電を行うことを特徴とする給電システム。