JP7628246B2

JP7628246B2 - 給電装置

Info

Publication number: JP7628246B2
Application number: JP2021053692A
Authority: JP
Inventors: 一郎村山; 隆晴竹下
Original assignee: APERD CORPORATION; Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: APERD CORPORATION; Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2025-02-10
Anticipated expiration: 2041-03-26
Also published as: JP2022150893A

Description

本発明は、ワイヤレスで給電を行う給電装置に関する。

近年、電気自動車（ＥＶ）や自動搬送車（ＡＧＶ）等に搭載されたバッテリに給電するシステムとして、電源コードや送電ケーブルを用いないワイヤレス給電（非接点型給電）が採用されている。

例えば特許文献１には、電磁共鳴を利用する給電装置が開示されている。給電装置は、給電設備に設けられた給電部と、車両に搭載された受電部とを備える。

給電部は、電源からの高周波電力が供給される給電側コイルユニットを備える。給電側コイルユニットは、給電側コイルと、この給電側コイルが巻回された給電側コアと、給電側コイル及び給電側コアを収容する給電側シールドケースと、を備える。

給電側シールドケースは、銅やアルミを用いた金属シールドから構成されている。給電側シールドケースは、給電側コイルが巻回された給電側コアの一部を覆う底壁と、底壁の周縁から立設する立壁とを備え、一部が開口された箱型に構成されている（同文献の段落００２１参照）。

受電部は、受電側コイルユニットを備える。受電側コイルユニットは、給電側コイルと電磁共鳴する受電側コイルと、この受電側コイルが巻回された受電側コアと、受電側コイル及び受電側コアを収容する受電側シールドケースと、を備える。

受電側シールドケースは、給電側シールドケースと同様に、金属シールドから構成されている。受電側シールドケースは、受電側コイルの一部を覆う底壁と、底壁の周縁から立設する立壁とを備え、一部が開口された箱型に構成されている（同文献の段落００２７参照）。

特開２０１４－１７９４３８号公報

従来の給電装置において、給電側シールドケース及び受電側シールドケースは、一部が開口した構成であることから、給電側コイルの一部及び受電側コイルの一部が各シールドケースから露出した状態となる。このため、各コイルの露出部分から漏れ磁束が生じ、電力の伝送効率の低下を招いていた。

本発明は上記の事情に鑑みて為されたものであり、給電装置の漏れ磁束を低減させることを技術的課題とする。

本発明は上記の課題を解決するためのものであり、給電コイルと、受電コイルと、前記給電コイルが巻回される第一コアと、前記受電コイルが巻回される第二コアと、前記給電コイルの全周及び前記受電コイルの全周を被覆するシールド部材と、を備える給電装置であって、前記シールド部材は、導電体と、絶縁体とを備え、前記導電体は、互いに対向するように配置される、第一端部及び第二端部を有し、前記絶縁体は、前記第一端部と前記第二端部との間に配されることを特徴とする。

かかる構成によれば、第一コアに巻回された給電コイルの全周及び第二コアに巻回された受電コイルの全周をシールド部材によって被覆することで、各コイル及び各コアの露出をなくし、給電装置の漏れ磁束を低減させることができる。また、シールド部材に係る第一端部と第二端部とが導通しないように絶縁体によって絶縁することで、給電時に導電体に生じる渦電流を抑制することができる。以上により、給電装置による電力の伝送効率を向上させることが可能となる。

上記の給電装置は、前記第一コア又は前記第二コアを給電可能な位置に案内するためのガイド部を備えていてもよい。このガイド部によって、各コイル及び各コアを給電可能な位置に精度良く配することが可能となる。

本発明によれば、給電装置の漏れ磁束を低減させることができる。

給電装置の回路図である。給電装置の磁界結合部を示す平面図である。図２のＩＩＩ－ＩＩＩ矢視線に係る断面図である。図２のＩＶ－ＩＶ矢視線に係る断面図である。シールド部材の平面図である。他の実施形態に係る給電装置の磁界結合部を示す平面図である。図６のＶＩＩ－ＶＩＩ矢視線に係る断面図である。他の実施形態に係る給電装置の磁界結合部を示す平面図である。他の実施形態に係る給電装置の磁界結合部を示す平面図である。他の実施形態に係る給電装置の磁界結合部を示す平面図である。他の実施形態に係る給電装置の磁界結合部を示す平面図である。他の実施形態に係る給電装置の磁界結合部を示す平面図である。漏れインダクタンスの測定結果を示すグラフである。励磁インダクタンスの測定結果を示すグラフである。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しながら説明する。図１乃至図５は、本発明に係る給電装置の一実施形態を示す。本実施形態では、磁界結合型の給電装置を例示する。

給電装置は、例えば電気自動車（ＥＶ）、自動搬送車（ＡＧＶ）等の充電システムに利用することができる。これに限らず、給電装置は、他の電力供給システムに利用することが可能である。本実施形態では、一例として、給電装置が自動搬送車の充電システムに使用された場合について説明する。

図１に示すように、給電装置１は、充電ステーションに備えられる一次回路としての給電部２と、自動搬送車に備えられる二次回路としての受電部３と、磁界結合によって給電部２から受電部３への電力の伝送を可能にする磁界結合部４と、を備える。

給電部２は、例えば電源５及びスイッチング回路６を備える。スイッチング回路６は、例えば四個のスイッチング素子７ａ及びダイオード７ｂを含むＨブリッジ回路と、キャパシタ７ｃとにより構成される。給電部２は、電源５により印加される直流電圧をスイッチング回路６によって方形波交流電圧に変換する。

受電部３は、例えば整流回路８及び二次電池としてのバッテリ１０を備える。整流回路８は、共振キャパシタ９ａをそれぞれ並列に接続した四個のダイオード９ｂと、平滑キャパシタ９ｃとにより構成される。受電部３は、給電部２から伝送される交流電圧を整流回路８によって直流電圧に変換し、バッテリ１０の充電を行う。

図２乃至図４に示すように、磁界結合部４は、給電部２に接続される給電コイル１１と、給電コイル１１が巻回される第一コア１２と、受電部３に接続される受電コイル１３と、受電コイル１３が巻回される第二コア１４と、漏れ磁束を抑制するためのシールド部材１５ａ，１５ｂと、を備える。

給電コイル１１及び受電コイル１３は、絶縁電線により構成されており、所定の巻数で各コア１２，１４に巻回されている。

第一コア１２及び第二コア１４は、例えばフェライト等の磁性体により構成される。各コア１２，１４は、平面視においてＵ字形状に構成されている。第一コア１２は、一対の直線部１６と、直線部１６同士を繋ぐ連結部１７とを有する。同様に、第二コア１４は、一対の直線部１８と、直線部１８同士を繋ぐ連結部１９とを有する。各コア１２，１４の各直線部１６，１８は、その突出端部に端面１６ａ，１８ａを有する。

図４に示すように、各コア１２，１４の断面は、矩形状に構成されているが、この形状に限定されるものではない。各コア１２，１４は、各々、矩形状の各辺に対応して、第一面１２ａ，１４ａ、第二面１２ｂ，１４ｂ、第三面１２ｃ，１４ｃ及び第四面１２ｄ，１４ｄを有する。

シールド部材１５ａ，１５ｂは、給電コイル１１及び第一コア１２を被覆する第一シールド部材１５ａと、受電コイル１３及び第二コア１４を被覆する第二シールド部材１５ｂとを含む。

図３及び図４に示すように、各シールド部材１５ａ，１５ｂは、導電体２０と、絶縁体２１とを備える。導電体２０は、例えば金属箔、金属シート等により構成される。導電体２０に用いられる金属の例としては、アルミニウム、銅等が挙げられる。

絶縁体２１は、絶縁性の接着材を導電体２０に塗布すること、あるいは絶縁性を有するポリウレタン等の樹脂シートや樹脂膜を導電体２０に張り付けること等により、絶縁体２１と一体に構成される。

図５は、各コイル１１，１３及び各コア１２，１４に取り付けられる前のシールド部材１５ａ，１５ｂを示す。各シールド部材１５ａ，１５ｂの導電体２０は、平面視において矩形状に構成されるが、この形状に限定されず、他の形状を有していてもよい。導電体２０は、第一端部２０ａと、第二端部２０ｂを有する。各端部２０ａ，２０ｂは、絶縁体２１によって、その表裏両面及び端面が被覆されている。

図４に示すように、各シールド部材１５ａ，１５ｂが各コア１２，１４に取り付けられた状態において、導電体２０の第一端部２０ａと第二端部２０ｂとは、互いに重なり合っている。この状態において、第一端部２０ａと第二端部２０ｂは、その厚さ方向又は各コイル１１，１３の径方向において対向している。絶縁体２１は、この対向する第一端部２０ａと第二端部２０ｂの間に位置して両者を絶縁する。

この状態において、給電コイル１１は、その全周が第一シールド部材１５ａによって被覆されている。また、給電コイル１１が巻回された第一コア１２の第一面１２ａ乃至第四面１２ｄの全てが第一シールド部材１５ａによって被覆されている。受電コイル１３は、その全周が第二シールド部材１５ｂによって被覆されている。また、受電コイル１３が巻回された第二コア１４は、第一面１４ａ乃至第四面１４ｄの全てが第二シールド部材１５ｂによって被覆されている。

なお、第一コア１２における直線部１６の端面１６ａには、第一シールド部材１５ａが重ねられていない。また、第二コア１４における直線部１８の端面１８ａには、第二シールド部材１５ｂが重ねられていない。

バッテリ１０の充電が必要となった場合、給電コイル１１、第一コア１２、受電コイル１３及び第二コア１４は、給電が可能となる位置（以下、「給電位置」という）に配される。図２及び図３は、給電位置に配された各コイル１１，１３及び各コア１２，１４を示している。

給電位置において、第二コア１４における直線部１８の端面１８ａは、第一コア１２における直線部１６の端面１６ａと対向している。本実施形態において、第二コア１４の端面１８ａは、第一コア１２の端面１６ａと接触しているが、この構成に限定されない。給電が可能である限り、第二コア１４の端面１８ａは、給電位置において第一コア１２の端面１６ｂから離間されてもよい。

以上説明した本実施形態に係る給電装置１によれば、給電コイル１１の全周及び受電コイル１３の全周をシールド部材１５ａ，１５ｂによって被覆することで、給電コイル１１及び受電コイル１３の露出をなくすことができる。これにより、給電装置１の漏れ磁束を低減させることが可能となる。

また、各コイル１１，１３により生じる磁界を、導電体２０によって各コア１２，１４に向けて反射させることができる。さらに、シールド部材１５ａ，１５ｂに係る第一端部２０ａと第二端部２０ｂとが導通しないように絶縁体２１によって絶縁することで、給電時において導電体２０に生じる渦電流を抑制することができる。これにより、磁界結合部４における結合係数を高めることができ、給電装置１による電力の伝送を効率良く行うことが可能となる。

図６乃至図１２は、本発明に係る給電装置（磁界結合部）の他の実施形態を示す。

図６及び図７に示す例では、磁界結合部４のシールド部材１５ａ～１５ｃは、上記の第一シールド部材１５ａ及び第二シールド部材１５ｂの他、第一コア１２における直線部１６の一部と第二コア１４における直線部１８の一部とを被覆する第三シールド部材１５ｃを含む。本例において、各コア１２，１４の直線部１６，１８は、連結部１７，１９側の一部が第一シールド部材１５ａ及び第二シールド部材１５ｂによって被覆され、端面１６ａ，１８ａ側の一部が第三シールド部材１５ｃによって被覆される。

第三シールド部材１５ｃは、筒状又は管状に構成されており、第一コア１２の直線部１６の一部及び第二コア１４の直線部１８の一部を収容可能な空間を内側に有する。第三シールド部材１５ｃは、第一コア１２の直線部１６を挿入可能な第一開口部２２と、第二コア１４の直線部１８を挿入可能な第二開口部２３とを有する。第三シールド部材１５ｃは、第一開口部２２に第一コア１２の直線部１６の一部が挿入された状態で、この第一コア１２に固定されている。

なお、各コア１２，１４の各直線部１６，１８において第三シールド部材１５ｃに収容される部分には、各コイル１１，１３は巻回されていない。

図６は、第二コア１４が給電位置に配される直前の状態を示している。この状態から、第二コア１４における直線部１８の端部（端面１８ａ）を第三シールド部材１５ｃの第二開口部２３に挿入することで、第三シールド部材１５ｃは第二コア１４を給電位置へと案内することができる。すなわち、第三シールド部材１５ｃは、第二コア１４を給電位置へと案内するガイド部としても機能する。さらに第三シールド部材１５ｃは、第二コア１４が給電位置へと配された後において、第一コア１２の端面１６ａと第二コア１４の端面１８ａとがずれることなく接触するように、各コア１２，１４の位置決めを行うことができる。

図７に示すように、第三シールド部材１５ｃは、第一シールド部材１５ａ及び第二シールド部材１５ｂと同様に、導電体２０及び絶縁体２１を備える。本例において、導電体２０の第一端部２０ａと第二端部２０ｂとは重なり合っていない。第一端部２０ａと第二端部２０ｂは、絶縁体２１を介して各コイル１１，１３の周方向において対向している。絶縁体２１は、第一端部２０ａと第二端部２０ｂとの間に位置し、両者を連結している。第三シールド部材１５ｃは、この例に限らず、第一シールド部材１５ａ及び第二シールド部材１５ｂと同様に、第一端部２０ａと第二端部２０ｂとが絶縁体２１を介して重なり合う構造を有していてもよい。

図８に示す例では、磁界結合部４の第二コア１４における直線部１８の端部に第三シールド部材１５ｃが固定されている。第二コア１４における直線部１８の一部は、予め第三シールド部材１５ｃの第二開口部２３から挿入されている。この状態で、第三シールド部材１５ｃは、第二コア１４の直線部１８に固定されている。

受電コイル１３及び第二コア１４を給電位置まで移動させる際、第二コア１４は第一コア１２へと接近し、第三シールド部材１５ｃの第二開口部２３には、第一コア１２における直線部１６の端部が挿入される。その後、第二コア１４は、その直線部１８の端面１８ａが第一コア１２における直線部１６の端面１６ａに接触する給電位置まで、第三シールド部材１５ｃに案内されつつ移動する。

図９に示す例では、磁界結合部４における第三シールド部材１５ｃの導電体２０は、第一コア１２の直線部１６の一部及び第二コア１４の直線部１８の一部が挿入される第一の部分２４と、第一の部分２４と一体に構成される第二の部分２５とを備える。

第一の部分２４は、図６及び図７に例示した第三シールド部材１５ｃと同様に、第一開口部２２及び第二開口部２３を有する。第三シールド部材１５ｃは、予め第一コア１２における直線部１６の一部を第一の部分２４の第一開口部２２から挿入した状態で、この直線部１６に固定されている。

第二の部分２５は、第二コア１４の直線部１８を第一の部分２４の第二開口部２３に案内するガイド部として機能する。第二の部分２５の内面２５ａは、第一の部分２４に対して所定の角度で傾斜している。

受電コイル１３及び第二コア１４を給電位置まで移動させる際、第二コア１４の位置が所期の位置からずれていると、第二コア１４における直線部１８の一部は、第三シールド部材１５ｃの第一の部分２４に挿入される前に、まず第二の部分２５の内面２５ａに接触する。

その後、第二コア１４の直線部１８は、第二コア１４の移動に伴って第二の部分２５の内面２５ａと接触した状態で摺動し、第一の部分２４の第二開口部２３まで案内される。これにより、第二コア１４の位置ずれを修正しながら、この第二コア１４を給電位置まで正確に移動させることが可能となる。

図１０に示す例では、磁界結合部４における第三シールド部材１５ｃの導電体２０は、第一の部分２４と、第二の部分２５と、第三の部分２６とを有する。第一の部分２４の構成は、図６及び図７に示す第三シールド部材１５ｃと同じである。

第二の部分２５は、第一の部分２４の第一開口部２２側に形成されている。第二の部分２５は、第一コア１２における直線部１６の一部を被覆する第一シールド部材１５ａの外側に重ねられている。すなわち、第二の部分２５は、第一シールド部材１５ａの一部を被覆する被覆部として機能する。第二の部分２５は、第一シールド部材１５ａの一部に固定されている。

第三の部分２６は、第一の部分２４の第二開口部２３側に形成されている。第三の部分２６は、第二コア１４が給電位置に配された場合に、第二コア１４における直線部１８の一部を被覆する第二シールド部材１５ｂの外側に重ねられる。すなわち、第三の部分２６は、第二シールド部材１５ｂの一部を被覆する被覆部として機能する。

受電コイル１３及び第二コア１４を給電位置まで移動させる際、第二コア１４における直線部１８の端部は、第三シールド部材１５ｃの内部に第三の部分２６から挿入される。直線部１８の端部は、第三の部分２６の内面に接触することなく、この第三の部分２６の内部を通過する。その後、この直線部１８の端部は、第一の部分２４の第二開口部２３に挿入される。さらに、第二コア１４の直線部１８を被覆している第二シールド部材１５ｂの一部が第三シールド部材１５ｃに係る第三の部分２６の内側に挿入される。

第二コア１４における直線部１８の端面１８ａが、第一コア１２における直線部１６の端面１６ａと接触する給電位置まで移動すると、第二シールド部材１５ｂの一部は、第三シールド部材１５ｃの第三の部分２６によって被覆された状態となる。

図１１に示す例では、磁界結合部４における二つの第三シールド部材１５ｃのうち、一方の第三シールド部材１５ｃが第一コア１２に係る一対の直線部１６の一方に予め固定され、他方の第三シールド部材１５ｃが第二コア１４に係る一対の直線部１８の一方に予め固定されている。

受電コイル１３及び第二コア１４を給電位置まで移動させる際、第二コア１４を第一コア１２に接近させると、第二コア１４に設けられている第三シールド部材１５ｃの第一開口部２２に、対向する第一コア１２における直線部１６の端部が挿入される。また、第一コア１２に設けられている第三シールド部材１５ｃの第二開口部２３に、対向する第二コア１４における直線部１８の端部が挿入される。第二コア１４は、各第三シールド部材１５ｃに案内されつつ、給電位置まで移動する。

図１２に示す例において、シールド部材１５ａ～１５ｄは、既述した第一シールド部材１５ａ乃至第三シールド部材１５ｃの他、第三シールド部材１５ｃに係合する第四シールド部材１５ｄを含む。第三シールド部材１５ｃは、第一コア１２の直線部１６に予め固定されており、第四シールド部材１５ｄは、第二コア１４の直線部１８に予め固定されている。

第四シールド部材１５ｄは、第二コア１４の直線部１８が挿入される第一開口部２７と、第三シールド部材１５ｃが挿入される第二開口部２８とを有する。第四シールド部材１５ｄは、第一開口部２７に第二コア１４の直線部１８が挿入された状態で、この直線部１８に固定されている。第二コア１４の直線部１８は、その一部が第四シールド部材１５ｄの内側に収容されている。この状態において、第四シールド部材１５ｄの内面は、第二コア１４の第一面１４ａ乃至第四面１４ｄに接触せず、これらの面１４ａ～１４ｄから離間されている。すなわち、第四シールド部材１５ｄの内面と、第二コア１４の各面１４ａ～１４ｄとの間には、第三シールド部材１５ｃの一部が挿入される隙間が形成されている。

受電コイル１３及び第二コア１４を給電位置まで移動させる際、第二コア１４を第一コア１２に接近させると、第一コア１２の直線部１６に固定されている第三シールド部材１５ｃが第四シールド部材１５ｄの第二開口部２８に挿入される。

第二コア１４が第一コア１２に向かってさらに移動すると、第四シールド部材１５ｄは、第三シールド部材１５ｃの外面によって案内されつつ、第一コア１２に接近する。これにより、第四シールド部材１５ｄの内部に位置する第二コア１４の直線部１８は、第三シールド部材１５ｃの第二開口部２３に挿入される。その後、第二コア１４は、その直線部１８の端面１８ａが第一コア１２の直線部１６の端面１６ａと接触する給電位置まで移動する。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されるものではなく、また、上記した作用効果に限定されるものでもない。本発明は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

上記の実施形態では、第一シールド部材１５ａ乃至第四シールド部材１５ｄが別々の部材により構成された例を示したが、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、第三シールド部材１５ｃ又は第四シールド部材１５ｄは、第一シールド部材１５ａ又は第二シールド部材１５ｂと一体に構成されてもよい。

上記の実施形態では、導電体２０の各端部２０ａ，２０ｂのみを被覆する絶縁体２１を例示したが、これに限らず、絶縁体２１は、導電体２０の全面（各端部２０ａ，２０ｂ及び表面、裏面の全て）を被覆してもよい。

上記実施形態では、第二コア１４が第一コア１２に向かって移動する構成を備えた給電装置１を例示したが、本発明はこの構成に限定されない。給電装置１は、第一コア１２が第二コア１４に向かって移動するように構成されてもよく、第一コア１２及び第二コア１４の双方が移動可能に構成されてもよい。

以下、本発明の実施例について説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

本発明者らは、本発明の効果を確認するために、給電装置の電磁結合部における励磁インダクタンス及び漏れインダクタンスの測定を行った。好適な電力伝送を実現するには、電磁結合部における漏れインダクタンスを低減させ、かつ励磁インダクタンスが低減しないことが望ましい。

図２で例示した給電装置における給電コイル、第一コア、受電コイル及び第二コアを、シールド部材としてのアルミニウム箔によって被覆したものを実施例とした。実施例では、アルミニウム箔の端部同士を重ね合わせ、この端部間に絶縁性の樹脂を配置した。また、各コイル及び各コアをシールド部材によって被覆していない給電装置を比較例１として用意した。さらに、各コイル及び各コアを被覆するアルミニウム箔の端部同士を重ね合わせ、絶縁体を介することなく、この端部同士を接触（導通）させた給電装置を比較例２とした。各例における給電コイルと受電コイルとの巻数比は、５０：９である。

測定結果を図１３及び図１４に示す。図１３は、漏れインダクタンスと周波数の関係を示し、図１４は、励磁インダクタンスと周波数の関係を示す。

図１３に示すように、例えば周波数１００００～１０００００Ｈｚの範囲における漏れインダクタンスを比較すると、実施例は、比較例１よりも漏れインダクタンスが小さいことが判る。一方、実施例は、比較例２と比較して漏れインダクタンスが大きい。

また、図１４に示すように、励磁インダクタンスを比較すると、実施例の励磁インダクタンスは、比較例１の励磁インダクタンスと同程度であり、かつ比較例２の励磁インダクタンスよりも大きい。比較例２は、実施例よりも漏れインダクタンスが大きいものの、励磁インダクタンスか大幅に低下してしまうため、高効率の電力伝送に適していないことが判明した。

以上によれば、実施例は、励磁インダクタンスを高く維持した状態で、漏れインダクタンスを低下させることが可能となった。

１給電装置
１１給電コイル
１２第一コア
１３受電コイル
１４第二コア
１５ａ第一シールド部材
１５ｂ第二シールド部材
１５ｃ第三シールド部材（ガイド部）
１５ｄ第四シールド部材（ガイド部）
２０導電体
２０ａ導電体の第一端部
２０ｂ導電体の第二端部
２１絶縁体

Claims

給電コイルと、
受電コイルと、
前記給電コイルが巻回される第一コアと、
前記受電コイルが巻回される第二コアと、
前記給電コイルの全周及び前記受電コイルの全周を被覆するシールド部材と、を備える給電装置であって、
前記シールド部材は、導電体と、絶縁体とを備え、
前記導電体は、互いに対向するように配置される、第一端部及び第二端部を有し、
前記絶縁体は、前記第一端部と前記第二端部との間に配されることを特徴とする給電装置。
前記第一コア又は前記第二コアを給電可能な位置に案内するためのガイド部を備える請求項１に記載の給電装置。