JP6370558B2 - コイルユニット及びそれを有する給電システム - Google Patents

Description

本発明は、非接触で電力を受電又は給電するコイルユニット及びこのコイルユニットを有する給電システムに関する。

近年、例えば、プラグインハイブリッド自動車（ＰＨＥＶ）や電気自動車（ＥＶ）等が備える二次電池（以下、単に「動力用バッテリ」という）の充電などにおいて、充電作業を容易にするために、プラグ接続等の物理的接続を必要としないワイヤレス（非接触）での電力伝送技術が用いられている。

例えば、特許文献１に開示されている給電システムでは、互いに電磁共鳴する一対の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コイルから車両に搭載されたコイルに非接触で電力を供給している。

一般的に、上記コイルは、小型化を図るため、共振周波数を調整するためのコンデンサなどの各種部品と共にケース内に収容されている。しかしながら、従来の給電システムにおいては、ケース内の温度が上昇し、コイルの抵抗値増加による電力の伝送効率の低下や、コンデンサの使用温度の上限値を越える、という問題があった。

そこで、この問題を解決するために、コイルからコンデンサを離したり、放熱部材を追加したり、電力出力を下げるといった対策が考えられるが、大型化、重量増加、送電電力低下による充電時間の延長といった課題が新たに生じてしまう。

特開２０１２−１８６９０９号公報

そこで、本発明は、ケース内での温度上昇を抑制することができるコイルユニット及びそれを備える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、温度上昇の原因について鋭意探究した結果、コイルから発生する磁界により、ケース内に収容された、例えばコンデンサの電極などの金属面に渦電流が発生し、これによって温度が上昇していることを見出し、本発明に至った。

即ち、請求項１記載の発明は、非接触で電力を給電又は受電するソレノイド形状のコイルと、電極としての金属面が設けられたコンデンサと、前記コイル及び前記コンデンサを収容するケースと、を備えたコイルユニットであって、前記コンデンサが搭載された基板を備え、前記コンデンサは、当該金属面が前記基板と垂直になるように配置されると共に、当該金属面が前記コイルの中心軸方向に対して非垂直になるように配置され、前記コンデンサが、前記コイルの中心軸方向に沿って複数並べて配置されると共に、その電極が前記コイルの中心軸方向の中央に近づくに従って前記コイルの中心軸から離れるように傾けて配置され、前記複数のコンデンサは、前記コイルの中心軸方向の中央に近いものほど、前記中心軸方向に対する傾きが小さくなるように配置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、地面に設けられた給電部と車両に設けられた受電部とを有し、前記受電部が前記給電部から伝送された電力を非接触で受電する給電システムであって、前記給電部又は前記受電部の少なくとも一方が、請求項１に記載のコイルユニットを有している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、２記載の発明によれば、コイルの中心軸に対して部材の金属面が非垂直になるように配置されているので、金属面に対して磁束が垂直になることが少なくなり、金属面での渦電流の発生が抑制され、温度上昇を抑えることができる。

請求項１記載の発明によれば、コンデンサの電極での渦電流の発生が抑制され、コンデンサの温度上昇を抑えることができる。

請求項１記載の発明によれば、より確実にコンデンサの電極での渦電流の発生を抑制し、コンデンサの温度上昇を抑えることができる。

本発明の一実施形態の給電システムの概略構成を示す図である。 図１の給電システムが備える給電ユニット及び受電ユニットの配置を説明する図である。 図２の給電ユニット及び受電ユニットの概略分解斜視図である。 図２に示すコンデンサ体及びコイルの上面図である。 図２に示すコンデンサの斜視図である。 比較例におけるコンデンサ体及びコイルの上面図である。 コンデンサの電極に生じる渦電流を説明するための図である。 コンデンサの電極と磁束との関係を説明するための図である。

以下、本発明の一実施形態の給電システムについて、図１〜図５を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態の給電システムの概略構成を示す図である。図２は、図１の給電システムが備える給電ユニット及び受電ユニットの配置を説明する図である。図３は、図２の給電ユニット及び受電ユニットの分解斜視図である。なお、図３において、受電ユニットを構成する部分の引用符号は括弧内に記載している。図４は、図２に示すコンデンサ体及びコイルの上面図である。図５は、図２に示すコンデンサの斜視図である。

本実施形態の給電システムは、磁界共鳴方式を用いて非接触で地面側から車両に電力を供給する。なお、給電側と受電側とを電磁的に結合させることにより電力を伝送するものであれば、磁界共鳴方式以外の方式を用いてもよい。

まず、給電システム１の一般的な構成について説明する。図１に示すように、給電システム１は、地面Ｇ（図２に示す）に配置される給電部としての給電装置２０と、車両Ｖ（図２に示す）に配置される受電部としての受電装置３０と、を備えている。この車両Ｖは、図２に示すように、エンジン及びモータを有するドライブユニットＤＲＶと、モータに電力を供給する動力用バッテリＢＡＴＴと、を備えている。

給電装置２０は、図１に示すように、高周波電源２１と、コイルユニットとしての給電ユニット２２と、整合器２７と、制御部２８と、を備えている。

高周波電源２１は、例えば、商用電源から高周波電力を生成して、後述する給電ユニット２２に供給している。この高周波電源２１により生成される高周波電力は、給電ユニット２２の共振周波数及び後述する受電ユニット３２の共振周波数と等しい周波数に設定されている。

給電ユニット２２は、図２、図３に示すように、コイルとしての給電側コイル２３と、給電側コンデンサ体２４と、これらを収容する箱型のケースとしての給電側ケース２５と、を有している。給電ユニット２２は、図２に示すように、地面Ｇ上に設置されている。給電ユニット２２は、地面Ｇに埋設されていてもよい。

給電側コイル２３と給電側コンデンサ体２４とは、互いに直列接続されて所定の共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、給電側コイル２３と給電側コンデンサ体２４とは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。

整合器２７は、高周波電源２１と給電側コイル２３及び給電側コンデンサ体２４からなる共振回路との間のインピーダンスを整合させるための回路である。

制御部２８は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＣＰＵを有する周知のマイクロコンピュータなどで構成され、給電装置２０全体の制御を司る。制御部２８は、例えば、電力伝送の要求に応じて、高周波電源２１のオンオフ制御を行う。

受電装置３０は、コイルユニットとしての受電ユニット３２と、整流器３８と、を備えている。

受電ユニット３２は、図２、図３に示すように、コイルとしての受電側コイル３３と、受電側コンデンサ体３４と、これらを収容する箱型のケースとしての受電側ケース３５と、を有している。受電ユニット３２は、図２に示すように、車両Ｖの下面に取り付けられている。

受電側コイル３３と、受電側コンデンサ体３４とは、互いに直列接続されて給電ユニット２２と同一の共振周波数で共振する共振回路を形成している。本実施形態では、受電側コイル３３と受電側コンデンサ体３４とは、直列接続されているが、並列接続されていてもよい。

整流器３８は、受電ユニット３２が受電した高周波電力を直流電力に変換する。この整流器３８には、例えば、車両Ｖに搭載された動力用バッテリＢＡＴＴの充電に用いられる充電ユニットなどの負荷Ｌが接続される。

上述した給電システム１は、給電施設において、駐車した車両Ｖの動力用バッテリＢＡＴＴの充電操作が入力されて車両Ｖへの電力伝送の要求が発生すると、制御部２８が、高周波電源２１をオンして高周波電力を生成する。そして、この高周波電力が給電ユニット２２に供給されると、給電ユニット２２と受電ユニット３２とが磁界共鳴して、給電ユニット２２から高周波電力が伝送されて、当該高周波電力が受電ユニット３２で受電される。受電ユニット３２で受電された高周波電力は、整流器３８で直流電力に変換されて、車両Ｖの充電ユニットに供給され、この充電ユニットにより動力用バッテリＢＡＴＴが充電される。

次に、上記概略で説明した給電ユニット２２及び受電ユニット３２の詳細な構成について、図３などを参照して説明する。給電、受電ユニット２２、３２は、上述したようにそれぞれ給電側、受電側コイル２３、３３と、給電側、受電側コンデンサ体２４、３４と、給電側、受電側ケース２５、３５と、を備えている。

給電側、受電側コイル２３、３３はそれぞれ、図３に示すように、矩形平板状の例えばフェライト製のコア３Ａと、コア３Ａにコイル状に巻き付けられたリッツ線を編み込んだコイル線３Ｂと、を有している。

給電側、受電側コイル２３、３３のコア３Ａは、後述する給電側、受電側ケース２５、３５内に水平に配置されている。コイル線３Ｂは、給電ユニット２２と受電ユニット３２との離隔方向（本実施形態では上下方向Ｙ１）に対して直交する方向を中心軸としてコア３Ａに巻き付けられている。これら給電側、受電側コイル２３、３３は、図２に示すように、車両Ｖが所定の給電位置に駐車したときに、コア３Ａ同士が上下方向Ｙ１に対向し、かつ、コイル線３の中心軸方向Ｙ２が互いに平行になるように配置される。

給電側、受電側コンデンサ体２４、３４はそれぞれ、図４に示すように、ガラスエポキシ基板の表面に配線パターンを形成した矩形平板状の回路基板４Ａと、回路基板４Ａに実装された部品、コンデンサとしての複数のセラミックコンデンサ４Ｂと、を有している。上記回路基板４Ａには、図３に示すように、上記コイル線３Ｂの一端に取り付けた端子金具がボルトＢにより締結されている。これにより、コイル線３Ｂとセラミックコンデンサ４Ｂとが電気的に接続される。また、回路基板４Ａには、リッツ線からなる引き出し線７の一端に取り付けた端子金具がボルトＢにより締結されている。上述したコイル線３Ｂの他端及び引き出し線７の他端は、後述する給電側、受電側ケース２５、３５の内側から外側に引き出されて配索された一対のリード線８の端末とボルトＢにより締結されている。

また、上記回路基板４Ａ及びコア３Ａは、コア３Ａの幅方向Ｙ３（即ち、上下方向Ｙ１及び中心軸方向Ｙ２の双方に直交する方向）に沿って並べて、水平に配置されている。また、回路基板４Ａは、コイル線３Ｂの中心軸方向Ｙ２の中央に配置されている。

給電側、受電側ケース２５、３５は、開口が設けられた本体部５Ａと、該本体部５Ａの開口を覆う蓋部５Ｂと、に分割可能に構成されている。本体部５Ａは、例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）などの給電装置２０からの磁気を通すことが可能な材料で構成されている。蓋部５Ｂは、例えば、アルミニウム又は合金などの磁気を通さない（磁気シールドとなる）材料で構成されている。給電側、受電側ケース２５、３５は、本体部５Ａと蓋部５Ｂとを組み合わせて図示しないねじ等の固定手段により固定することで、内側に給電側、受電側コイル２３、３３及び給電側、受電側コンデンサ体２４、３４を収容する空間を形成する。また、給電側ケース２５は、蓋部５Ｂが地面Ｇ側、本体部５Ａが車両Ｖ側となるように地面Ｇに配置される。受電側ケース３５は、蓋部５Ｂが車両Ｖの下面側、本体部５Ａが地面Ｇ側となるように車両Ｖの下面に取付けられる。

次に、回路基板４Ａ上でのセラミックコンデンサ４Ｂの配列について説明する。セラミックコンデンサ４Ｂは、図５に示すように、立方体状のコンデンサ本体部４Ｂ−１と、コンデンサ本体部４Ｂ−１の互いに対向する一対の側面にそれぞれ設けられた金属面としての電極４Ｂ−２と、から構成されている。上記電極４Ｂ−２は、コンデンサ本体部４Ｂ−１の側面全体に設けられ、ある程度の面積をもっている。

これらセラミックコンデンサ４Ｂは、図４に示すように、回路基板４Ａ上に複数並べて配置されている。このように回路基板４Ａに複数のセラミックコンデンサ４Ｂを配置する場合、一般的には、セラミックコンデンサ４Ｂ間を隙間なく配置して、回路基板４Ａの面積を小さくするために、図６に示すように、電極４Ｂ−２が中心軸方向Ｙ２に直交するようにまっすぐに並べるのが普通である。

しかしながら、図６に示すような配置では、セラミックコンデンサ４Ｂの温度が上昇し、使用温度の上限値を越えてしまう恐れがあった。本発明者らは、この温度が上昇する原因について鋭意探究したところ、コイル２３、３３には、図６の点線で示すように、中心軸方向Ｙ１の一端から他端に向かう磁束φが発生する。このため、図６に示すように、電極４Ｂ−２が中心軸方向Ｙ２に直交するようにセラミックコンデンサ４Ｂを配置すると、図７に示すように、セラミックコンデンサ４Ｂの電極４Ｂ−２に対して垂直になる磁束φが多くなり、電極４Ｂ−２に発生する渦電流Ｉが大きくなり、これにより温度が上昇していることが分かった。

そこで、本実施形態では、図４に示すように、セラミックコンデンサ４Ｂを、その電極４Ｂ−２が中心軸方向Ｙ２に対して非垂直になるように、即ち、電極４Ｂ−２が中心軸方向Ｙ２に対して斜めになるか、平行になるように配置した。詳しく説明すると、セラミックコンデンサ４Ｂは、コイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２に沿って複数並んで配置されている。本実施形態では、セラミックコンデンサ４Ｂが、中心軸方向Ｙ２に沿って３列並べて配置されている。各列には、６個のセラミックコンデンサ４Ｂが並べられている。

コイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の中央付近に配置されているセラミックコンデンサ４Ｂは、その電極４Ｂ−２が中心軸方向Ｙ２と平行に配置されている。その他のセラミックコンデンサ４Ｂはそれぞれ、電極４Ｂ−２がコイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の中央に近づくに従ってコイル２３、３３から離れるように傾けて配置されている。

また、その他の複数のセラミックコンデンサ４Ｂは、コイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の中央に近いものほど、中心軸方向Ｙ２に対する傾きが小さくなるように配置されている。また、その他の複数のセラミックコンデンサ４Ｂは、コイル２３、３３から離れているものほど、中心軸方向Ｙ２に対する傾きが小さくなるように配置されている。

このように配置することにより、各セラミックコンデンサ４Ｂの電極４Ｂ−２に対して磁束φが斜め又は平行になる。このため、電極４Ｂ−２に対して磁束φが垂直になることが少なくなり、電極４Ｂ−２での渦電流Ｉの発生を抑制することができる。渦電流Ｉの発生を抑制するには、図８に示すように、電極４Ｂ−２と直交する軸Ｚに対して、磁束φが±２０°以内にならないようにすることが望ましい。

上述した実施形態によれば、セラミックコンデンサ４Ｂやコイル２３、３３の温度特性の変化が少なくなり、温度特性を補正するための回路などが不要になり、小型化が可能となる。また、熱により壊れにくい給電、受電ユニット２２、３２が提供でき、設置後のメンテナンス頻度を減らせるため、ユーザの負担を軽くできる。また、コンデンサ体２４、３４とコイル２３、３３を離したり、放熱材料を追加しなくても、温度上昇を低減することができ、小型薄型化できるため、車両に搭載する場合、重量の軽量化が図れる。

また、本実施形態においては、回路基板４Ａの小型化を図るために、回路基板４Ａ上面にも下面にもセラミックコンデンサ４Ｂを並べて配置し、スルーホールにより上面と下面とにそれぞれ配置されたセラミックコンデンサ４Ｂを電気的に接続している。このため、このスルーホール内に充填される金属材にコイル２３、３３からの磁束φによる渦電流が生じる恐れがある。そこで、本実施形態では、このスルーホール数もなるべく少なくし、放熱性の高い形状に形成している。

なお、上述した実施形態によれば、セラミックコンデンサ４Ｂを部品としていたが、これに限ったものではない。そのほか、例えば導電パターン（金属面）が形成された回路基板などが考えられ、この導電パターンが中心軸方向Ｙ２に対して非垂直になるように回路基板を配置することが考えられる。

また、上述した実施形態によれば、回路基板４Ａ上に配置された複数のセラミックコンデンサ４Ｂの配置は図４に示すものに限ったものではない。コイル２３、３３に対するコンデンサ体２４、３４の位置から磁束φの方向を予測し、電極４Ｂ−２が磁束φに対してなるべく平行になるように傾けるのが望ましい。

また、上述した実施形態によれば、受電、給電ユニット２２、３２において、セラミックコンデンサ４Ｂの電極４Ｂ−２を中心軸方向Ｙ２に対して非垂直に配置していたが、これに限ったものではない。受電、給電ユニット２２、３２の何れか一方だけでもよい。

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
４Ｂ セラミックコンデンサ（部品、コンデンサ）
４Ｂ−２ 電極（金属面）
２０ 給電装置（給電部）
２２ 給電ユニット（コイルユニット）
２３ 給電側コイル（コイル）
２５ 給電側ケース（ケース）
３０ 受電装置（受電部）
３２ 受電ユニット（コイルユニット）
３３ 受電側コイル（コイル）
３５ 受電側ケース（ケース）
Ｇ 地面
Ｖ 車両
Ｙ２ 中心軸方向

Claims (2)

1. 非接触で電力を給電又は受電するソレノイド形状のコイルと、電極としての金属面が設けられたコンデンサと、前記コイル及び前記コンデンサを収容するケースと、を備えたコイルユニットであって、
   前記コンデンサが搭載された基板を備え、
   前記コンデンサは、当該金属面が前記基板と垂直になるように配置されると共に、当該金属面が前記コイルの中心軸方向に対して非垂直になるように配置され、
   前記コンデンサが、前記コイルの中心軸方向に沿って複数並べて配置されると共に、その電極が前記コイルの中心軸方向の中央に近づくに従って前記コイルの中心軸から離れるように傾けて配置され、
   前記複数のコンデンサは、前記コイルの中心軸方向の中央に近いものほど、前記中心軸方向に対する傾きが小さくなるように配置されていることを特徴とするコイルユニット。
2. 地面に設けられた給電部と車両に設けられた受電部とを有し、前記受電部が前記給電部から伝送された電力を非接触で受電する給電システムであって、
   前記給電部又は前記受電部の少なくとも一方が、請求項１に記載のコイルユニットを有していることを特徴とする給電システム。

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