JP7069836B2 - コイルユニット - Google Patents

Description

本開示は、コイルユニットに関する。

従来から送電側のコイルユニットから受電側のコイルユニットに非接触で電力を送電するシステムについて各種提案されている（特許文献１～５）。

たとえば、特開２０１７－１２６５９６号公報に記載されたシステムは、送電側のコイルユニットと、受電側のコイルユニットとを備える。

送電側のコイルユニットは、送電コイルと、ケースとを備える。送電コイルは、上下方向に延びる巻回軸線の周囲を取り囲むように形成されており、送電コイルには、巻回軸線が通る位置に中空部が形成されている。

ケースは、ベース板および樹脂蓋を含み、ベース板はアルミニウムなどによって形成されている。

特開２０１３－１５４８１５号公報 特開２０１３－１４６１５４号公報 特開２０１３－１４６１４８号公報 特開２０１３－１１０８２２号公報 特開２０１３－１２６３２７号公報 特開２０１７－１２６５９６号公報

上記のシステムにおいて、送電時には、送電コイルに高電圧の交流電流が流れ、受電側コイルユニットにおいても、受電コイルに高電圧の交流電流が流れる。

送電側コイルユニットにおいては、ベース板はアルミニウムなどによって形成されており、送電コイルとベース板との間の絶縁性を確保する必要がある。そのため、送電コイルおよびベース板の間の沿面距離を確保したり、送電コイルおよびベース板と間に厚さの厚い絶縁部材を配置したりする必要が生じる。その結果、ケースが大型化しやすいという課題が生じる。

特開２０１７－１２６５９６号公報には受電側コイルユニットの構成について記載されていない。そこで、受電コイルおよびケースの絶縁性確保のためにケースが大型化することを抑制するために、ケースを樹脂ケースとすることが考えられる。そして、この樹脂ケースが車両底面などにボルトなどによって固定される。具体的には、樹脂ケースの外周縁部に複数のボルトを配置して、車両底面に固定することが考えられる。受電コイルユニットを固定するボルトは、外力や振動によって損傷することを抑制するために鉄などの金属材料を採用する必要がある。

その一方で、受電時には、受電コイルにも高電圧の交流電流が流れるため、ボルトおよび受電コイルの間の絶縁性を確保する必要が生じる。そのために、ボルトおよび受電コイル間の沿面距離を長く確保したり、ボルトおよび受電コイルの間に厚さの厚い絶縁部材を配置したりすることが考えられる。その結果、樹脂ケースを採用したとしても受電コイルユニットの体格が大きくなるという弊害生じる。さらに、ケース内には金属ケースなどの金属部材などが収容されている場合があり、このような場合には、当該金属部材および受電コイル間の絶縁距離を確保する必要が生じる。その結果、コイルユニットの体格が大きくなる。

本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、コイルユニットの体格が大きくなることが抑制されたコイルユニットを提供することである。

コイルユニットは、巻回軸線の周囲を取り囲むようにコイル線を巻回して形成され、巻回軸線が通る位置に中空部が形成されたコイルと、コイルを収容する収容ケースと、金属部材とを備える。上記コイルは、コイルの外周縁部に位置する外周部分と、中空部の内周縁部に位置する内周部分とを含み、内周部分の電圧は、外周部分の電圧よりも高い。

上記のコイルユニットによれば、外周部分の電圧は内周部分の電圧よりも低いため、コイルの外周部分と、コイルユニットに設けられた金属部材との間の絶縁距離を短くすることができる。

上記コイルユニットは、蓄電装置と、蓄電装置に接続された第１電力線と、蓄電装置に接続された第２電力線と、第１電力線および第２電力線の間に直列に接続された第１キャパシタおよび第２キャパシタと、第１電力線および第２電力線に接続された整流器とを備える。上記整流器は、第１電力線および第２電力線の間に直列に接続された第１素子および第２素子と、第１電力線および第２電力線の間に直列に接続された第３素子および第４素子とを含む。上記外周部分は第１キャパシタおよび第２キャパシタの間に接続されており、内周部分は第１素子および第２素子の間に接続された。

上記のコイルユニットによれば、コイルに電流が流れるときに、コイルの外周部分の電圧がコイルの内周部分の電圧よりも低くなる。その結果、コイルの外周部分と、コイルユニットに設けられた金属部材との間の絶縁距離を短くすることができる。

上記金属部材は、収容ケースを設置面に締結する締結部材であって、締結部材は、コイルの外周部分よりも外側に配置される。

上記のコイルユニットによれば、金属部材である締結部材と、コイルの外周部分との間の距離を短くすることができ、コイルユニットの体格を小さく抑えることができる。

上記収容ケースは、第１カバー部材と、第２カバー部材とを含み、金属部材は、第１カバー部材および第２カバー部材を締結するカバー締結部材である。

上記のコイルユニットによれば、カバー締結部材と、コイルの外周部分との間の距離を短くすることができ、コイルユニットの体格が大きくなることを抑制することができる。

上記コイルユニットは、コイルに接続された機器をさらに備え、金属部材は、機器を収容すると共に収容ケース内に収容された金属ケースである。

上記のコイルユニットによれば、金属ケースと、コイルの外周部分との間の距離を短くすることができ、コイルユニットの体格が大きくなることを抑制することができる。

本開示に係るコイルユニットによれば、コイルユニットの体格が大きくなることを抑制することができる。

本実施の形態に係る非接触充電システム１を模式的に示す模式図である。 コイルユニット４の回路構成およびコイルユニット３の一部の回路構成を模式的に示す回路図である。 コイルユニット４を模式的に示す分解斜視図である。 コイルユニット４を示す平面断面図である。 外周端７０および内周端７１の電圧変化を示すグラフである。

図１から図５を用いて、本実施の形態に係るコイルユニットについて説明する。図１から図５に示す構成のうち、同一または実質的に同一の構成については、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本実施の形態に係る非接触充電システム１を模式的に示す模式図である。非接触充電システム１は、車両２と、送電側のコイルユニット３とを備える。コイルユニット３は、電源７に接続されており、この図１に示す例においては、コイルユニット３は地面に配置されている。

車両２は、受電側のコイルユニット４と、蓄電装置５とを備える。蓄電装置５は、フロアパネル６の下面に設けられており、コイルユニット４は蓄電装置５の下面に設けられている。すなわち、蓄電装置５の下面は、コイルユニット４の設置面である。

図２は、コイルユニット４の回路構成およびコイルユニット３の一部の回路構成を模式的に示す回路図である。コイルユニット３は、送電コイル８およびキャパシタ９を含む。コイルユニット４は、電力線１０，１１，１２，１３と、平滑用キャパシタ１４と、変動吸収部１５と、整流器１６と、フィルタ１７と、共振回路１８とを含む。なお、蓄電装置５から共振回路１８に向けて、平滑用キャパシタ１４と、変動吸収部１５と、整流器１６と、フィルタ１７とが順次配列するように設けられている。

電力線１０，１１は、蓄電装置５に接続されている。平滑用キャパシタ１４は、電力線１０および電力線１１に接続されている。

変動吸収部１５は、キャパシタ２０およびキャパシタ２１を含む。キャパシタ２０およびキャパシタ２１は、互いに直列に接続されるように、電力線１０および電力線１１に接続されている。

整流器１６は、スイッチング素子２５と、ダイオード２６と、スイッチング素子２７と、ダイオード２８とを含む。

スイッチング素子２５は、電力線１１と、ダイオード２６のアノードに接続されている。ダイオード２６のカソードは電力線１０に接続されている。スイッチング素子２７は、電力線１１と、ダイオード２８のアノードに接続されている。ダイオード２８のカソードは、電力線１０に接続されている。

電力線１２は、ノードＮ３および共振回路１８に接続されている。ノードＮ３は、ダイオード２８およびスイッチング素子２７を接続する配線に設けられている。

電力線１３は、ノードＮ１と、ノードＮ２と、共振回路１８とに接続されている。ノードＮ１は、キャパシタ２０およびキャパシタ２１を接続する配線に設けられている。ノードＮ２は、スイッチング素子２５およびダイオード２６を接続する配線に設けられている。

フィルタ１７は、キャパシタ３０と、インダクタ３１，３２と、キャパシタ３３とを含む。キャパシタ３０は、電力線１２のノードＮ４と、電力線１３のノードＮ５とに接続されている。キャパシタ３３は、電力線１２のノードＮ６と、電力線１３のノードＮ７とに接続されている。インダクタ３１は、電力線１２のノードＮ４およびノードＮ６の間に接続されている。インダクタ３２は、電力線１３のノードＮ５およびノードＮ７の間に接続されている。

共振回路１８は、電力線１２のノードＮ１０と、電力線１３のノードＮ１１とに接続されている。共振回路１８は、キャパシタ３５と、キャパシタ３６と、受電コイル３７とを含む。

キャパシタ３５は、電力線１２のノードＮ１０と、受電コイル３７の一端とに接続されている。キャパシタ３６は、電力線１３のノードＮ１１と、受電コイル３７の他端とに接続されている。

図３は、コイルユニット４を模式的に示す分解斜視図である。コイルユニット４は、ケース４０と、フェライト板４１と、シールド板４２と、基板４３とを含む。

ケース４０は、アンダーカバー４４およびアッパーカバー４５を含む。アンダーカバー４４およびアッパーカバー４５は樹脂などによって形成されている。

アンダーカバー４４は、底板５０と、周壁部５１と、区画壁５２と、支持部５３と、鍔部５４とを含む。底板５０は、板状に形成されている。周壁部５１は、底板５０の外周縁部から上方に立ち上がるように形成されている。区画壁５２は、底板５０の上面から上方に立ち上がるように形成されており、区画壁５２は、底板５０の上面を領域４８および領域４９に区画している。領域４９は領域４８よりも面積が広い。

支持部５３は、底板５０の領域４９に形成されている。支持部５３は、底板５０の上面から上方に突出するように形成されており、後述するフェライト板４１を支持する。

鍔部５４は周壁部５１の上端から横方向に張り出すように形成されており、鍔部５４は周壁部５１の上端に沿って環状に形成されている。なお、鍔部５４の外周縁部は長方形形状に形成されており、鍔部５４は一対の長辺部分を含む。鍔部５４の一方の長辺部分には切欠部５５が形成されており、鍔部５４の他方の長辺部分には切欠部５６が形成されている。

受電コイル３７は、底板５０内に埋め込まれている。具体的には、底板５０のうち領域４９が位置する部分に埋め込まれている。

受電コイル３７は、上下方向に延びる巻回軸線Ｏ１の周囲を取り囲むように形成されている。なお、受電コイル３７の構成については後述する。

フェライト板４１は、アンダーカバー４４の上面側に配置されている。フェライト板４１は、複数の分割フェライト板６０を含む。各分割フェライト板６０は、支持部５３に嵌め込まれ、支持部５３によって支持されている。

シールド板４２は、フェライト板４１の上面に配置されている。シールド板４２は、たとえば、アルミニウムなどの金属材料によって形成されている。シールド板４２は、板部６１と、板部６２とを含む。板部６１は、フェライト板４１の上面に配置されており、板部６２は底板５０の上面の領域４８の上方に配置されている。

基板４３は、板部６１の上面に設けられている。この基板４３には、キャパシタ３５およびキャパシタ３６が設けられている。なお、キャパシタ３５，３６は、複数のセラミックスキャパシタによって形成されている。

平滑用キャパシタ１４、変動吸収部１５、整流器１６およびフィルタ１７は、板部６２の上面側に配置されている。なお、シールド板４２は、受電時に、受電コイル３７の周囲に形成される電磁界がキャパシタ３５，３６、平滑用キャパシタ１４、変動吸収部１５、整流器１６およびフィルタ１７などに達することを抑制する。

アッパーカバー４５は、樹脂などによって形成されている。アッパーカバー４５およびアンダーカバー４４は、複数のボルト６５によって互いに固定されている。アッパーカバー４５は、複数のボルト６６によって、蓄電装置５の底面などに固定されている。ボルト６６によって、コイルユニット４が蓄電装置５の底面に固定される。なお、ボルト６５，６６は、鉄合金などの金属材料によって形成されている。

図４は、コイルユニット４を示す平面断面図である。この図４においては、アンダーカバー４４の周壁部５１を通る断面における断面図であり、下方から上方に向かう方向に見上げたときの平面図である。なお、この図４においては、シールド板４２は図示されていない。

アッパーカバー４５は、天板８０と、金属ケース８３とを含む。天板８０は樹脂によって形成されている。金属ケース８３は、金属板８２と、環状壁８１とを含む。

金属板８２は、天板８０の下面に配置されている。環状壁８１は、金属板８２の外周縁部から下方に向けて突出するように形成されており、金属板８２の外周縁部に沿って環状に形成されている。なお、金属ケース８３は、下方に向けて開口するように形成されている。金属板８２の下面には、平滑用キャパシタ１４と、変動吸収部１５と、整流器１６と、フィルタ１７とが配置されている。環状壁８１は、平滑用キャパシタ１４などの上記の機器の周囲を取り囲むように形成されている。環状壁８１および金属板８２は、たとえば、アルミニウムなどから形成されている。

金属ケース８３の開口部には、シールド板４２の板部６２が配置され、平滑用キャパシタ１４などの上記機器を収容する空間が形成されている。

アンダーカバー４４は、環状壁８１、フェライト板４１および受電コイル３７を覆うように設けられている。

そして、複数のボルト６５によってアンダーカバー４４が、アッパーカバー４５の天板８０に固定されている。具体的には、各ボルト６５は、アンダーカバー４４の鍔部５４と、アッパーカバー４５の天板８０とを固定している。

アンダーカバー４４の鍔部５４には、切欠部５５および切欠部５６が形成されており、天板８０の一部である露出部分７８，７９がアンダーカバー４４の鍔部５４から露出している。そして、天板８０の露出部分７８，７９に複数のボルト６６が設けられており、複数のボルト６６によって、アッパーカバー４５が蓄電装置５に固定されている。

受電コイル３７は、巻回軸線Ｏ１の周囲を取り囲むようにコイル線６７を巻回することで形成されており、受電コイル３７の中央部には、中空部６９が形成されている。なお、巻回軸線Ｏ１は中空部６９を通る。

受電コイル３７は、外周端７０および内周端７１を含み、内周端７１から外周端７０に向かうにつれて、巻回軸線Ｏ１から離れるように形成されている。受電コイル３７は、受電コイル３７の外周に位置する外周部分７２と、中空部６９の内周縁部に位置する内周部分７３とを含む。

ここで、外周部分７２とは、外周端７０から一巻き分のコイル線であり、内周部分７３は、内周端７１から一巻き部分のコイル線である。

外周端７０には配線７５が接続されており、配線７５はキャパシタ３６に接続されている。内周端７１には配線７６が接続されており、配線７６はキャパシタ３５に接続されている。そして、キャパシタ３６に電力線１３が接続されており、キャパシタ３５に電力線１２が接続されている。

そして、図２に示すように、フィルタ１７、整流器１６および変動吸収部１５などが接続されている。図２において、送電側のコイルユニット３から受電側のコイルユニット４に電力を送電する際には、送電コイル８に交流電流が流れる。たとえば、送電コイル８に流れる交流電流の周波数は、数十ｋＨｚ～百数十ｋＨｚ程度である。たとえば、８５ｋＨｚ程度である。

送電コイル８に交流電流が流れると、送電コイル８の周囲に電磁界が形成され、受電コイル３７は、電磁界を通して電力を受電する。

たとえば、送電コイル８は受電コイル３７が数ｋＷの電力を受電するように電力を送電する。たとえば、受電コイル３７が３ｋＷ程度の電力を受電する際には、受電コイル３７には、数ｋＶの電圧が印加される。

そして、外周端７０および内周端７１の間の電圧差は、最大で１００Ｖ程度の電圧差が生じ、内周端７１の方が外周端７０よりも高くなる。なお、当該電圧差は、受電時の定常状態における電圧差であり、過渡状態の電圧差であったり、ノイズが重畳された状態における電圧差ではない。

図４において、外周端７０の電圧は、内周端７１の電圧よりも低いため、ボルト６５と外周部分７２との間の絶縁距離Ｌ１を短くすることができる。仮に、外周端７０の電圧が内周端７１よりも高い場合には、ボルト６５と外周端７０との間の絶縁距離を絶縁距離Ｌ１よりも長くする必要が生じる。

同様に、ボルト６６および外周部分７２の間の絶縁距離も短くすることができ、アッパーカバー４５の大きさを小さくすることができ、コイルユニット４の体格を小型化することができる。

図４において、外周部分７２の電圧が低いため、外周部分７２および環状壁８１の間の絶縁距離Ｌ２も短くすることができる。金属ケース８３および外周部分７２の間の距離を短くすることができるので、コイルユニット４の体格を小さく抑えることができる。

このように、本実施の形態に係るコイルユニット４によれば、コイルユニット４に設けられた金属部材と、受電コイル３７との間の距離を短くすることができるので、コイルユニット４の体格を小さく抑えることができる。

次に、図２の回路構成において、外周端７０の電圧が内周端７１の電圧よりも低くなる現象について、発明者等が推察した理由について説明する。

外周端７０は、電力線１３を通して、ノードＮ１に接続されている。ノードＮ１は変動吸収部１５のキャパシタ２０およびキャパシタ２１の間に位置している。キャパシタ２０およびキャパシタ２１は、蓄電装置５の電圧変動を抑制する。同様に、キャパシタ２０およびキャパシタ２１によって、ノードＮ１の電圧変動も抑制されている。

これにより、ノードＮ１に接続されている外周端７０の電圧振幅は、内周端７１の電圧振幅よりも小さくなる。その結果、受電時の定常状態において、外周端７０の電圧は内周端７１の電圧よりも低くなる。

図５は、外周端７０および内周端７１の電圧変化を模式的に示すグラフである。横軸は、時間を示し、縦軸は、電圧を示す。そして、破線のグラフは、外周端７０の電圧であり、実線グラフは、内周端７１のグラフである。このグラフに示すように、外周端７０の電圧は内周端７１の電圧よりも低く、最大電圧差は、最大、１００Ｖ程度である。

その結果、外周部分７２の電圧は、内周部分７３の電圧よりも低く、コイルユニット４を小型化することができることが分かる。

なお、上記の実施の形態においては、受電コイル３７の外周端７０をノードＮ１およびノードＮ２に接続した例について説明したが、外周端７０の電圧変動を内周端７１の電圧変動よりも小さくする手法については各種採用することができる。

なお、上記の実施の形態においては、受電側のコイルユニットに適用した例について説明したが、送電側のコイルユニットに適用することもできる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。さらに、上記数値などは、例示であり、上記数値および範囲にかぎられない。

１ 非接触充電システム、２ 車両、３，４ コイルユニット、５ 蓄電装置、６ フロアパネル、７ 電源、８ 送電コイル、９，２０，２１，３０，３３，３５，３６ キャパシタ、１０，１１，１２，１３ 電力線、１４ 平滑用キャパシタ、１５ 変動吸収部、１６ 整流器、１７ フィルタ、１８ 共振回路、２５，２７ スイッチング素子、２６，２８ ダイオード、３１，３２ インダクタ、３７ 受電コイル、４０ ケース、４１ フェライト板、４２ シールド板、４３ 基板、４４ アンダーカバー、４５ アッパーカバー、４８，４９ 領域、５０ 底板、５１ 周壁部、５２ 区画壁、５３ 支持部、６０ 分割フェライト板、６１，６２ 板部、６５，６６ ボルト、６７ コイル線、６９ 中空部、７０ 外周端、７１ 内周端、７２ 外周部分、７３ 内周部分。

Claims (4)

1. 巻回軸線の周囲を取り囲むようにコイル線を巻回して形成され、前記巻回軸線が通る位置に中空部が形成されたコイルと、
   前記コイルを収容する収容ケースと、
   金属部材と、
   蓄電装置と、
   前記蓄電装置に接続された第１電力線と、
   前記蓄電装置に接続された第２電力線と、
   前記第１電力線および前記第２電力線の間に直列に接続された第１キャパシタおよび第２キャパシタと、
   前記第１電力線および前記第２電力線に接続された整流器と、
   を備え、
   前記コイルは、前記コイルの外周縁部に位置する外周部分と、前記中空部の内周縁部に位置する内周部分とを含み、
   前記整流器は、
   前記第１電力線および前記第２電力線の間に直列に接続された第１素子および第２素子と、
   前記第１電力線および前記第２電力線の間に直列に接続された第３素子および第４素子を含み、
   前記外周部分は前記第１キャパシタおよび前記第２キャパシタの間と、前記第３素子および前記第４素子の間とに接続されており、
   前記内周部分は前記第１素子および前記第２素子の間に接続され、
   前記内周部分の電圧は、前記外周部分の電圧よりも高い、コイルユニット。
2. 前記金属部材は、前記収容ケースを設置面に締結する締結部材であって、
   前記締結部材は、前記コイルの前記外周部分よりも外側に配置された、請求項１に記載のコイルユニット。
3. 前記収容ケースは、第１カバー部材と、第２カバー部材とを含み、
   前記金属部材は、前記第１カバー部材および前記第２カバー部材を締結するカバー締結部材である、請求項１または請求項２に記載のコイルユニット。
4. 前記コイルに接続された機器をさらに備え、
   前記金属部材は、前記機器を収容すると共に前記収容ケース内に収容された金属ケースである、請求項１から請求項３のいずれかに記載のコイルユニット。

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