JP6301675B2

JP6301675B2 - コイルユニット及びそれを有する給電システム

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Publication number: JP6301675B2
Application number: JP2014026851A
Authority: JP
Inventors: 貴弘中原; 良平西崎; 曜 ▲柳▼田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2014-02-14
Filing date: 2014-02-14
Publication date: 2018-03-28
Anticipated expiration: 2034-02-14
Also published as: WO2015122344A1; JP2015154615A

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ものである。

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。

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、鋭意探求した結果、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コイルと、少なくとも一部が金属から構成された部品と、前記コイル及び前記部品を収容するケースと、を備えたコイルユニットであって、前記コイルは、コアと、コアにらせん状に巻き付けられたコイル線と、を有し、前記部品は、基板から構成され、前記基板は、前記コイルの中心軸方向において両端部かつ前記コイルに近い側の端部が切り欠か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、前記基板には、電線の端部に取り付けた端子金具との接続部が設けられ、前記接続部が、前記基板上の前記コイルから最も離れた縁部近傍に設けられたことを特徴とする請求項１に記載のコイルユニットに存する。

請求項３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、前記受電部又は前記給電部が、請求項１項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、３記載の発明によれば、磁束密度の高いコイル中心軸方向の両端部付近に部品が配置されることがないので、部品の金属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２記載の発明によれば、接続部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。

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３に示すコンデンサ体及びコイルの上面図である。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。他の実施形態における図３に示すコンデンサ体及びコイルの上面図である。

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４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。

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、部品としての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、部品としての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。

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。また、ケース２５、３５内には、これらコイル２３、３３及びコンデンサ体２４、３４に加えて、例えば給電ユニット２２及び受電ユニット３２間で通信を行うために設けられた基板としての制御回路基板９も収容されていることがある。

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から成るコイル線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３Ｂ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３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基板としての回路基板４Ａと、回路基板４Ａに実装された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。

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、上記コンデンサ体２４、３４を構成する回路基板４Ａや制御回路基板９の配置位置について説明する。上記回路基板４Ａ、制御回路基板９及びコイル２３、３３は、コイル２３、３３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。本実施形態では、コイル２３、３３は、回路基板４Ａと制御回路基板９とにより幅方向Ｙ３が挟まれている。また、回路基板４Ａ及び制御回路基板９は、図３、図４に示すように、中心軸方向Ｙ２において、コイル２３、３３の中央位置と一致するように配置され、コイル２３、３３の両端部には配置されていない。

例えば、上述したように２つの回路基板４Ａ、制御回路基板９を配置する場合、一般的には、給電、受電ユニット２２、３２を小さくするために、図５に示すように、回路基板４Ａ及び制御回路基板９を中心軸方向Ｙ２に沿って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５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。

コイル２３、３３周辺の磁束密度について検討したところ、点線で囲んだ中心軸方向Ｙ２の両端部近傍が最も高く、中心軸方向Ｙ２の中央位置が最も低いことが分かった。また、回路基板４Ａや制御回路基板９には例えばセラミックコンデンサ４Ｂなどの素子が搭載され、素子に電極が設けられている。また、その表面には導電パターンも形成されている。即ち、回路基板４Ａや制御回路基板９の一部は金属から構成されている。図５に示す比較例では、点線で囲んだ磁束密度の高い部分に回路基板４Ａ、制御回路基板９が配置されているため、コイル２３、３３からの磁束φにより回路基板４Ａや制御回路基板９の金属部分に大きな渦電流が流れ、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３、図４に示すように、回路基板４Ａ及び制御回路基板９を、中心軸方向Ｙ２において、コイル２３、３３の中央位置に一致するように配置し、コイル２３の中心軸方向Ｙ２の両端部近傍には配置していない。これにより、磁束密度の低い場所に回路基板４Ａ及び制御回路基板９を配置することができ、回路基板４Ａ及び制御回路基板９の金属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。

また、本実施形態では、回路基板４Ａ及び制御回路基板９を幅方向Ｙ３に沿って並べて配置することにより、複数の基板４Ａ、９を磁束密度の低いコイル２３の中心軸方向Ｙ２の中央に配置することができ、基板４Ａ、９の金属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。

また、本実施形態では、渦電流の発生を抑制して、温度上昇を抑えるため、図３、図４に示すように、回路基板４Ａとコイル線３Ｂ（電線）及び引き出し線７（電線）とのボルト締結部（接続部）を、回路基板４Ａ上のコイル２３、３３から最も離れた縁部近傍に設けられている。コイル２３、３３から離れるに従って、磁束密度は低くなる。つまり、ボルト締結部を、回路基板４Ａ上の磁束密度が低い場所に配置することができる。これにより、ボルト締結部、即ちコイル線３Ｂや引き出し線７の端部に取り付けた端子金具や、ボルトＢ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。

なお、上述した実施形態によれば、回路基板４Ａや制御回路基板９を部品としていたが、これに限ったものではない。部品としては、少なくとも一部が金属から構成されたものであればよい。また、上述した実施形態で、制御回路基板９としたものは、制御以外の機能を持つ基板でもよい。

また、上述した実施形態によれば、コイル２３、３３の幅方向Ｙ３の両側それぞれに、回路基板４Ａと制御回路基板９とを配置していたが、これに限ったものではない。例えば、コイル２３、３３の幅方向Ｙ３の一方側に回路基板４Ａ及び制御回路基板９を幅方向Ｙ３に並べて配置するようにしてもよい。

また、上述した実施形態によれば、コイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の中央において回路基板４Ａ及び制御回路基板９を幅方向Ｙ３に沿って並べて配置していたが、これに限ったものではない。コイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の中央において回路基板４Ａ及び制御回路基板９を上下方向Ｙ１に沿って並べて配置するようにしてもよい。

また、上述した実施形態によれば、給電、受電ユニット２２、３２において、回路基板４Ａや制御回路基板９をコイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の中央に対向するように配置していたが、これに限ったものではない。給電、受電ユニット２２、３２の何れか一方だけでもよい。

また、上述した実施形態によれば、基板４Ａ、９を、コイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２において、コイル２３、３３の中央位置と一致するように配置していたが、これに限ったものではない。例えば、図６に示すように、ケース２５、３５内のスペースの関係上、複数の基板４Ａ、９を中心軸方向Ｙ２に沿って並べて配置しなければならない場合は、コイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の両端部付近部分に切り欠きＣを設けて、基板４Ａ、９を磁束密度の高いコイル２３、３３の中心軸方向Ｙ２の両端近傍に配置しないようにしてもよい。

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
３Ｂコイル線（電線）
４Ａ回路基板（基板）
７引き出し線（電線）
９制御回路基板（部品、基板）
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）
２４給電側コンデンサ体（部品）
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）
３４受電側コンデンサ体（部品）
３５受電側ケース（ケース）
Ｇ地面
Ｖ車両
Ｙ１上下方向（離隔方向）
Ｙ２中心軸方向
Ｙ３幅方向（離隔方向及び中心軸方向の双方に直交する方向）

Claims

非接触で電力を給電又は受電するコイルと、少なくとも一部が金属から構成された部品と、前記コイル及び前記部品を収容するケースと、を備えたコイルユニットであって、
前記コイルは、コアと、コアにらせん状に巻き付けられたコイル線と、を有し、
前記部品は、基板から構成され、
前記基板は、前記コイルの中心軸方向において両端部かつ前記コイルに近い側の端部が切り欠かれている
ことを特徴とするコイルユニット。
前記基板には、電線の端部に取り付けた端子金具との接続部が設けられ、
前記接続部が、前記基板上の前記コイルから最も離れた縁部近傍に設けられた
ことを特徴とする請求項１に記載のコイルユニット。
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、
前記受電部又は前記給電部が、請求項１項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。