特許 7444612 非接触充電装置及び非接触充電装置の適合方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-02-27

(45)【発行日】2024-03-06

(54)【発明の名称】非接触充電装置及び非接触充電装置の適合方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/90 20160101AFI20240228BHJP

   H02J 50/12 20160101ALI20240228BHJP

   B60L 53/122 20190101ALN20240228BHJP

   B60L 53/22 20190101ALN20240228BHJP

【ＦＩ】

H02J50/90

H02J50/12

B60L53/122

B60L53/22

【請求項の数】 2

(21)【出願番号】P 2020001615

(22)【出願日】2020-01-08

(65)【公開番号】P2021112015

(43)【公開日】2021-08-02

【審査請求日】2022-12-01

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000004695

【氏名又は名称】株式会社ＳＯＫＥＮ

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉山 義信

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 大輔

【審査官】佐藤 卓馬

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１２４０２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－２１３２６７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｊ ５０／９０

Ｈ０２Ｊ ５０／１２

Ｂ６０Ｌ ５３／１２２

Ｂ６０Ｌ ５３／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

送電ユニットに設けられた送電コイルから受電ユニットに設けられた受電コイルへ非接触で送電する非接触充電装置であって、
前記送電ユニットは、
電源からの入力電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータと、
前記インバータの出力側に設けられた送電側ＬＣ共振部と、
前記インバータと前記送電側ＬＣ共振部との間に設けられた可変リアクタンスを含む送電側フィルタ回路と、
を有し、
前記受電ユニットは、
前記受電コイルを含む受電側ＬＣ共振部と、
前記受電側ＬＣ共振部で受電した所定周波数の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
前記受電側ＬＣ共振部と前記整流回路との間に設けられた、前記受電コイルの最低地上高に応じたキャパシタンスのコンデンサを有する受電側フィルタ回路と、
を有し、
前記非接触充電装置の前記受電コイルは車両に搭載される受電コイルであって、
前記受電コイルの最低地上高が低い場合の前記コンデンサのキャパシタンスを、前記最低地上高が高い場合の前記コンデンサのキャパシタンスよりも小とすることを特徴とする非接触充電装置。

【請求項2】

送電ユニットに設けられた送電コイルから車両に設けられた受電ユニットに設けられた受電コイルへ非接触で送電する非接触充電装置の適合方法であって、
前記送電ユニットは、
電源からの入力電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの出力側に設けられた送電側ＬＣ共振部と、前記インバータと前記送電側ＬＣ共振部との間に設けられた可変リアクタンスを含む送電側フィルタ回路とを有し、
前記車両に設けられた前記受電ユニットは、
前記受電コイルを含む受電側ＬＣ共振部と、前記受電側ＬＣ共振部で受電した所定周波数の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記受電側ＬＣ共振部と前記整流回路との間に設けられた、コンデンサを有する受電側フィルタ回路とを有し、
前記受電コイルの前記コンデンサは、前記車両の最低地上高に応じたキャパシタンスとし、
前記受電コイルの前記コンデンサを、前記車両の最低地上高に応じたキャパシタンスとすることのみによって、前記非接触充電装置の充電電力が制限されることを抑制することを特徴とする非接触充電装置の適合方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触充電装置及び非接触充電装置の適合方法に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、車両に搭載されたバッテリ等の蓄電装置を車両外部から電力を供給して充電する充電装置として、送電ユニットに設けられた送電コイルから受電ユニットの受電コイルへ非接触で送電し、蓄電装置を充電する非接触充電装置が知られている（特許文献１など）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１９－１９３４３１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、非接触充電装置では、最低地上高の異なる車種で、地面に設置された送電ユニットの送電コイルと、車両の底面に設置された受電ユニットの受電コイルとの距離が近すぎた場合に、充電電力が制限されてしまい、十分な充電性能が得られないおそれがある。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、最低地上高の異なる車種でも充電電力が制限させることを抑制できる非接触充電装置及び非接触充電装置の適合方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に非接触充電装置は、送電ユニットに設けられた送電コイルから受電ユニットに設けられた受電コイルへ非接触で送電する非接触充電装置であって、前記送電ユニットは、電源からの入力電力を所定周波数の交流電力に変換するインバータと、前記インバータの出力側に設けられた送電側ＬＣ共振部と、前記インバータと前記送電側ＬＣ共振部との間に設けられた可変リアクタンスを含む送電側フィルタ回路と、を有し、前記受電ユニットは、前記受電コイルを含む受電側ＬＣ共振部と、前記受電側ＬＣ共振部で受電した所定周波数の交流電力を直流電力に変換する整流回路と、前記受電側ＬＣ共振部と前記整流回路との間に設けられた、前記受電コイルの最低地上高に応じたキャパシタンスのコンデンサを有する受電側フィルタ回路と、を有することを特徴とするものである。

【発明の効果】

【0007】

本発明に係る非接触充電装置及び非接触充電装置の適合方法は、受電ユニットに車両の最低地上高に応じたキャパシタンスのコンデンサを有するフィルタ回路を設けたことによって、最低地上高の異なる車種でも充電電力が制限させることを抑制できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】図１は、実施形態に係る非接触充電装置が適用される電力伝送システムの概略構成図である。

【図2】図２は、電力伝送システムにおいて、充電設備と車両との間で非接触電力伝送を行うための構成を示した図である。

【図3】図３（ａ）は、コイル地上高に応じたキャパシタンスのコンデンサを用いた場合でのコイル地上高と充電電力との関係を示したグラフである。図３（ｂ）は、コイル地上高によらず同じキャパシタンスのコンデンサを用いた場合でのコイル地上高と充電電力との関係を示したグラフである。

【図4】図４（ａ）は、コイル地上高に応じたキャパシタンスのコンデンサを用いた場合でのコイル地上高と送電コイル電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。図４（ｂ）は、コイル地上高に応じたキャパシタンスのコンデンサを用いた場合でのコイル地上高とインバータ電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。

【図5】図５（ａ）は、コイル地上高によらず同じキャパシタンスのコンデンサを用いた場合でのコイル地上高と送電コイル電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。図５（ｂ）は、コイル地上高によらず同じキャパシタンスのコンデンサを用いた場合でのコイル地上高とインバータ電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下に、本発明に係る非接触充電装置及び非接触充電装置の適合方法の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

【0010】

図１は、実施形態に係る非接触充電装置１０が適用される電力伝送システムの全体構成図である。なお、図１中の矢印Ｆ，Ｂ，Ｕ，Ｄは、車両を基準とする方向を示しており、矢印Ｆは「前方」、矢印Ｂは「後方」、矢印Ｕは「上」、矢印Ｄは「下」を示している。実施形態に係る非接触充電装置１０が適用される電力伝送システムは、充電設備１及び車両２によって構成されている。

【0011】

充電設備１は、送電ユニット１００と、送電ユニット１００へ電力を供給する交流電源４００とを備える。送電ユニット１００は地面３（例えば、駐車場の床面）に設置されている。交流電源４００の例としては、家庭用電源（例えば、電圧２００［Ｖ］、周波数５０［Ｈｚ］の交流電源）が挙げられる。

【0012】

車両２は、受電ユニット２００と、受電ユニット２００が受電した電力によって充電される蓄電装置３００と、受電ユニット２００が受電する電力を制御する車両ＥＣＵ（図示せず）とを備える。受電ユニット２００は、車両２の底面に設置された蓄電装置３００の下面（路面側）に設けられている。

【0013】

車両２は、蓄電装置３００に蓄えられた電力のみを用いて走行可能な電気自動車であってもよいし、蓄電装置３００に蓄えられた電力とエンジン（図示せず）の出力との両方を用いて走行可能なハイブリッド車であってもよい。

【0014】

送電ユニット１００は、車両２の受電ユニット２００が送電ユニット１００に対向するように車両２の位置合わせが行なわれた状態において、受電ユニット２００へ磁界を通じて非接触で送電するように構成されている。受電ユニット２００は、送電ユニット１００からの電力を非接触で受電する。

【0015】

以下、車両２の車輪設置面である地面３から受電ユニット２００の受電コイルまでの高さ（受電コイルの最低地上高）を、「コイル地上高Ｈ」と称する。本実施形態では、車両２のコイル地上高Ｈが、車両２の最低地上高と一致する。送電ユニット１００の表面に設けられた送電コイルと、受電ユニット２００の表面に設けられた受電コイルとの距離であるコイル間距離Ｚは、コイル地上高Ｈに応じて変わる。コイル地上高Ｈが大きくなるほどコイル間距離Ｚも大きくなる。なお、図１においては、送電ユニット１００の上端が地面３よりも車両２側に突出しており、送電ユニット１００の表面に設けられた送電コイルが地面３よりも高い位置に位置しているが、これに限定されるものではない。例えば、送電コイルの上端が地面３とほぼ同じ高さとなるように送電ユニット１００を地面３に設置し、送電ユニット１００の表面に設けられた送電コイルと地面３とが同じ高さに位置するようにしてもよい。

【0016】

上記の送電コイル及び受電コイルは、それぞれ図２に示す送電コイル１０１及び受電コイル２０１である。図２は、充電設備１と車両２との間で非接触電力伝送を行うための構成を示す図である。図１に示した送電ユニット１００及び受電ユニット２００は、図２に示すような構成を有する。

【0017】

図２を参照して、送電ユニット１００は、交流電源４００から受ける電力に所定の電力変換処理を行うことにより送電用電力を得て、その送電用電力を受電ユニット２００へ非接触で送電するように構成されている。そして、受電ユニット２００が送電ユニット１００から受電した電力によって蓄電装置３００が充電される。

【0018】

送電ユニット１００は、前記電力変換処理を行う電力変換部と、前記非接触送電を行う送電側ＬＣ共振部であるＬＣ共振部１１１と、電力変換部等を制御する送電ＥＣＵ（図示せず）とを備える。前記電力変換部は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３０、インバータ１２０、及び、送電側フィルタ回路であるフィルタ回路１１２を含む。ＬＣ共振部１１１は、インバータ１２０の出力側に設けられ、送電コイル１０１及びコンデンサ１０２が直列に接続されて構成されている。

【0019】

ＡＣ／ＤＣコンバータ１３０は、交流電源４００から受ける電力を整流及び変圧してインバータ１２０へ出力する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１３０は、例えば交流電源４００から受ける電力を４００［Ｖ］に昇圧して、電圧４００［Ｖ］の直流電力をインバータ１２０へ出力する。

【0020】

インバータ１２０は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１３０からの入力電力を所定の大きさ及び周波数の交流電力に変換してＬＣ共振部１１１へ出力するように構成されている。インバータ１２０の出力電力は、フィルタ回路１１２を通じてＬＣ共振部１１１へ供給される。インバータ１２０は、所定の周波数範囲において出力電力の周波数（以下、単に「出力周波数」とも称する）を変更可能に構成されている。インバータ１２０を構成する各スイッチング素子は、送電ＥＣＵからの駆動信号に従って制御される。

【0021】

フィルタ回路１１２は、コンデンサ１０３及び可変リアクタンス１０４を含む。コンデンサ１０３はＬＣ共振部１１１に並列に接続され、可変リアクタンス１０４はＬＣ共振部１１１に直列に接続されている。コンデンサ１０３及び可変リアクタンス１０４によって、ローパスフィルタとして機能するＬＣフィルタが形成される。このＬＣフィルタによって電磁ノイズが低減される。

【0022】

ＬＣ共振部１１１は、送電コイル１０１の周囲に生成される磁界を通じて、受電ユニット２００のＬＣ共振部２１１へ非接触で送電する。ＬＣ共振部１１１は直列共振回路である。

【0023】

受電ユニット２００は、受電側ＬＣ共振部であるＬＣ共振部２１１と、受電側フィルタ回路であるフィルタ回路２１２と、整流回路２０６と、平滑用のコンデンサ２０７とを含む。

【0024】

ＬＣ共振部２１１は、受電コイル２０１及びコンデンサ２０２が直列に接続されて構成されている。送電開始に先立ち、送電コイル１０１と受電コイル２０１とは鎖交磁束を生じるように位置合わせされる。そして、磁気共鳴により送電コイル１０１から受電コイル２０１へ電力が送られる。受電コイル２０１は、送電ユニット１００の送電コイル１０１から非接触で受電する。

【0025】

フィルタ回路２１２は、コンデンサ２０３，２０５及びインダクタ２０４を含む。コンデンサ２０３，２０５及びインダクタ２０４によって、ローパスフィルタとして機能するＬＣフィルタが形成される。このＬＣフィルタによって受電時に発生する電磁ノイズが低減される。コンデンサ２０３は、インダクタ２０４よりもＬＣ共振部２１１側でＬＣ共振部２１１に並列に接続されている。コンデンサ２０５は、インダクタ２０４よりも整流回路２０６側でＬＣ共振部２１１に並列に接続されている。

【0026】

整流回路２０６は、受電コイル２０１によって受電された交流電力を整流して蓄電装置３００側へ出力する。整流回路２０６の出力側には平滑用のコンデンサ２０７が設けられている。コンデンサ２０７は、整流回路２０６によって整流された直流電力を平滑化する。

【0027】

受電ユニット２００の出力電力、すなわち、コンデンサ２０７によって平滑化された直流電力は、充電リレー５００を介して蓄電装置３００に供給される。充電リレー５００は、車両ＥＣＵ（図示せず）によってＯＮ／ＯＦＦ制御され、受電ユニット２００による蓄電装置３００の充電時にＯＮ（導通状態）にされる。

【0028】

蓄電装置３００は、再充電可能な直流電源である。蓄電装置３００は、例えば二次電池（リチウムイオン電池やニッケル水素電池等）を含んで構成されている。蓄電装置３００は、受電ユニット２００から供給される電力を蓄えて、車両駆動装置（走行用モータ及び駆動回路等）へ電力を供給する。

【0029】

ここで、非接触充電システムにおいては、最低地上高の異なる車種に受電ユニット２００を設けた場合、充電電力が制限されてしまう場合がある。その理由としては、例えば、最低地上高が低い車種へ受電ユニット２００を設けると、送電ユニット１００と受電ユニット２００とのコイル間距離Ｚが近くなり過ぎるため、送電ユニット１００のインバータ１２０が過電流となってしまうからである。この過電流の要因（２次要因）は、コイル結合係数が大きくなることによって、インバータ１２０の出力インピーダンスが低下するためである。

【0030】

そして、本願発明者らが鋭意研究を重ねた結果、インバータ周波数と、送電コイル１０１及び受電コイル２０１の共振周波数と、フィルタ回路１１２，２１２の共振周波数とが一致する場合、送電ユニット１００のインバータ１２０から出力されるインバータ電流は、受電ユニット２００のフィルタ回路２１２を構成するコンデンサ２０３のコンデンサンス（静電容量）に比例する。そのため、インバータ１２０から出力されるインバータ電流は、最低地上高が低い車種の場合に、受電ユニット２００のコンデンサ２０３のキャパシタンスを小さくすることによって低減され、過電流を抑制できることがわかった。

【0031】

そこで、本実施形態においては、受電ユニット２００のフィルタ回路２１２を構成するコンデンサ２０３のキャパシタンスを、最低地上高（コイル地上高Ｈ）に応じて異ならせる。例えば、セダンのような最低地上高（コイル地上高Ｈ）が低い車種の場合と、ＳＵＶなどの最低地上高（コイル地上高Ｈ）が高い車種の場合とで、車両の製造時において最低地上高（コイル地上高Ｈ）に応じたキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いる。これにより、最低地上高（コイル地上高Ｈ）が低い車種の場合に、インバータ１２０の出力インピーダンスが増大してインバータ電流が低減され、インバータ１２０が過電流になることを抑制することができる。よって、実施形態に係る非接触充電装置１０では、最低地上高（コイル地上高Ｈ）が異なる車種であっても、充電電力が制限されることを抑制することができる。

【0032】

図３（ａ）は、コイル地上高Ｈに応じたキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた場合でのコイル地上高Ｈと充電電力との関係を示したグラフである。図３（ｂ）は、コイル地上高Ｈによらず同じキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた場合でのコイル地上高Ｈと充電電力との関係を示したグラフである。なお、図３（ａ）及び図３（ｂ）では、送電ユニット１００の送電コイル１０１と地面３とが同じ高さに位置しており、コイル地上高Ｈとコイル間距離Ｚとを同じにしている。また、図３（ａ）及び図３（ｂ）において、Ｚ１及びＺ２は、「ＳＡＥ Ｊ２９５４規格」により定義されたクラスであって、Ｚ１クラスはコイル間距離Ｚが１００［ｍｍ］～１５０［ｍｍ］であり、Ｚ２クラスはコイル間距離Ｚが１４０［ｍｍ］～２１０［ｍｍ］である。

【0033】

図３（ａ）では、Ｚ１クラスでのコンデンサ２０３のキャパシタンスを２４２．５［ｎＦ］とし、Ｚ２クラスでのコンデンサ２０３のキャパシタンスを４２９［ｎＦ］としている。これにより、図３（ａ）からわかるように、コイル地上高Ｈに応じたキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いることにより、コイル地上高Ｈが１００［ｍｍ］から２１０［ｍｍ］まで充電電力が安定しており、コイル地上高Ｈによって充電電力が制限させることを抑制することができる。

【0034】

一方、図３（ｂ）では、Ｚ１クラス及びＺ２クラス共にコンデンサ２０３のキャパシタンスを３８４［ｎＦ］としている。これにより、図３（ｂ）からわかるように、少なくともコイル地上高Ｈが低いとき（１００［ｍｍ］）にインバータ１２０の過電流によって充電電力が０［Ｗ］となり給電停止となって、充電を行うことができない。

【0035】

図４（ａ）は、コイル地上高Ｈに応じたキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた場合でのコイル地上高Ｈと送電コイル電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。図４（ｂ）は、コイル地上高Ｈに応じたキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた場合でのコイル地上高Ｈとインバータ電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。なお、図４（ａ）及び図４（ｂ）では、送電ユニット１００の送電コイル１０１と地面３とが同じ高さに位置しており、コイル地上高Ｈとコイル間距離Ｚとを同じにしてシミュレーションを行っている。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）において、Ｚ１クラスでのコンデンサ２０３のキャパシタンスを２４２．５［ｎＦ］とし、Ｚ２クラスでのコンデンサ２０３のキャパシタンスを４２９［ｎＦ］としている。

【0036】

コイル地上高Ｈに応じたキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた構成では、コイル地上高Ｈが低い（１００［ｍｍ］）ときに、受電ユニット２００のフィルタ回路２１２を構成するコンデンサ２０３のキャパシタンスを小さくすることによって、送電ユニット１００のインバータ１２０の出力インピーダンスが増加し、インバータ電流を抑制することができることがわかる。

【0037】

図５（ａ）は、コイル地上高Ｈによらず同じキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた場合でのコイル地上高Ｈと送電コイル電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。図５（ｂ）は、コイル地上高Ｈによらず同じキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた場合でのコイル地上高Ｈとインバータ電流との関係をシミュレーションによって求めたグラフである。なお、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、送電ユニット１００の送電コイル１０１と地面３とが同じ高さに位置しており、コイル地上高Ｈとコイル間距離Ｚとを同じにしてシミュレーションを行っている。また、図５（ａ）及び図５（ｂ）では、Ｚ１クラス及びＺ２クラス共にコンデンサ２０３のキャパシタンスを３８４［ｎＦ］としている。

【0038】

コイル地上高Ｈによらず同じキャパシタンスのコンデンサ２０３を用いた構成では、コイル地上高Ｈが低い（１００［ｍｍ］）ときに、送電ユニット１００のインバータ１２０の過電流が原因で給電を行うことができないことがわかる。

【0039】

以上のように、実施形態に係る非接触充電装置１０は、車両の最低地上高（コイル地上高Ｈ）に応じたキャパシタンスのコンデンサ２０３を有するフィルタ回路２１２を受電ユニット２００に設けたことによって、最低地上高（コイル地上高Ｈ）の異なる車種でも充電電力が制限させることを抑制することができる。

【符号の説明】

【0040】

１ 充電設備
２ 車両
３ 地面
１００ 送電ユニット
１０１ 送電コイル
１０２，１０３，２０３，２０５，２０７ コンデンサ
１０４ 可変リアクタンス
１１１ ＬＣ共振部
１１２，２１２ フィルタ回路
１２０ インバータ
１３０ ＡＣ／ＤＣコンバータ
２００ 受電ユニット
２０４ インダクタ
２０６ 整流回路
２１１ ＬＣ共振部
３００ 蓄電装置
４００ 交流電源
５００ 充電リレー

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】