JP6149209B2 - Non-contact power feeding device - Google Patents
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Description
本発明は非接触給電装置に関するものである。 The present invention relates to a non-contact power feeding device.
給電共振コイルと受電共振コイルとを共振させることによって、給電共振コイルから受電共振コイルに電力を磁界エネルギーとして送電する無線電力供給システムに関して、給電共振コイルは線径1mmの銅線材を給電共振コイル径に合わせて複数回巻いており、給電共振コイルのコイル径Dに対して受電共振コイルのコイル径Eを小さくし、給電共振コイルのコイル径と受電共振コイルのコイル径との比が、100:7から100:15までの範囲内である無線電力供給システムが開示されている(特許文献1)。 Regarding a wireless power supply system that transmits power from a power supply resonance coil to a power reception resonance coil as magnetic field energy by resonating the power supply resonance coil and the power reception resonance coil, the power supply resonance coil uses a copper wire having a wire diameter of 1 mm as a power supply resonance coil diameter. The coil diameter E of the power reception resonance coil is made smaller than the coil diameter D of the power supply resonance coil, and the ratio of the coil diameter of the power supply resonance coil to the coil diameter of the power reception resonance coil is 100: A wireless power supply system in the range of 7 to 100: 15 is disclosed (Patent Document 1).
しかしながら、上記の無線電力供給システムでは、受電共振コイルのコイル面の形状又は受電共振コイルと送電共振コイルとの間の距離が、電力を受電する側の装置等によって異なる場合には、送電コイルが低下するという問題があった。 However, in the above wireless power supply system, when the shape of the coil surface of the power reception resonance coil or the distance between the power reception resonance coil and the power transmission resonance coil differs depending on the device that receives power, the power transmission coil There was a problem of lowering.
本発明が解決しようとする課題は、電力を受電する側の装置等により、受電コイルのコイル面の面積、又は、受電コイルと送電コイルとの間の距離が異なる場合でも、送電効率の低下を抑制できる非接触給電装置を提供する。 The problem to be solved by the present invention is to reduce the power transmission efficiency even when the area of the coil surface of the power receiving coil or the distance between the power receiving coil and the power transmitting coil is different depending on the device that receives power. Provided is a non-contact power feeding device that can be suppressed.
本発明は、コイル面の面積が異なる複数の送電コイルを、コイル面が互いに平行な位置になるよう配置しつつ、受電コイルのコイル面の面積、及び、受電コイルと送電コイルとの間の距離に応じて、複数の送電コイルのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源から励磁コイルに出力される電力を制御することによって上記課題を解決する。 In the present invention, a plurality of power transmission coils having different coil surface areas are arranged so that the coil surfaces are parallel to each other, and the area of the coil surface of the power reception coil and the distance between the power reception coil and the power transmission coil Accordingly, the above-mentioned problem is solved by selecting a coil to be excited among a plurality of power transmission coils as an excitation coil and controlling the power output from the power source to the excitation coil.
本発明は、送電側のコイルのコイル面が受電コイルのコイル面に対して最適なコイル面となるように、複数の送電コイルからコイルを選択した上で励磁させているため、送電コイルと受電コイルとの間の結合が高まり、送電効率の低下を抑制することができる。 In the present invention, since a coil is selected from a plurality of power transmission coils so that the coil surface of the coil on the power transmission side becomes an optimum coil surface with respect to the coil surface of the power reception coil, the power transmission coil and the power reception are selected. Coupling with the coil is increased, and a decrease in power transmission efficiency can be suppressed.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
《第1実施形態》
図1は、本発明の実施形態に非接触給電システムのブロック図である。本例の非接触給電システムは、地上に設けられた非接触給電装置と、移動体である車両との間で、非接触で電力を供給するシステムである。非接触給電システムは、地上に設けられる送電側のユニットと、車両に設けられる受電側のユニットにより構成されている。<< First Embodiment >>
FIG. 1 is a block diagram of a contactless power feeding system according to an embodiment of the present invention. The non-contact power feeding system of this example is a system that supplies power in a non-contact manner between a non-contact power feeding device provided on the ground and a vehicle that is a moving body. The non-contact power supply system includes a power transmission side unit provided on the ground and a power reception side unit provided on the vehicle.
最初に地上側のユニットについて説明する。地上側のユニットは給電装置10と交流電源30とを備えている。給電装置10は、例えば、車両を駐車するための駐車スペースに設けられている。交流電源30は100V又は200Vの家庭用の電源である。
First, the ground unit will be described. The unit on the ground side includes a
給電装置10は、送電コイル11a〜11cと、共振コンデンサ12a〜12cと、振幅調整回路13a〜13cと、インバータ14と、制御器15と、メモリ16と、受電コイル検出部17と、通信器18とを備えている。
The
送電コイル11a〜11cは、受電コイル21に対して少なくとも磁気的な作用により非接触で電力を送電するコイルである。本例は、磁気的な共振を利用して、電力を送電している。送電コイル11a〜11cは、コイル面を互いに平行に配置しつつ、コイル面の面積が互いに異なるように構成された複数のコイルである。送電コイル11a〜11cは、それぞれ円形状をコイル面とするコイルである。コイル面は、コイルとして作用する面を示しており、図1の例では円形状の面である。送電コイル11a〜11cのコイル面の直径(D1a、D1b、D1c)は、互いに異なっており、送電コイル11aの直径(D1a)の直径が最も短く、送電コイル11cの直径(D1c)の直径が最も長い。コイル面の法線方向からみたときに、送電コイル11a〜11cの各コイル面は重なっている。本例では、送電コイル11a〜11cのコイル面は同一平面状に並べられている。そして、送電コイル11a〜11cは、導線を1回又は複数回巻いて構成されている。The power transmission coils 11 a to 11 c are coils that transmit power to the
受電コイル21を備えた車両が所定の駐車スペースに駐車されると、送電コイル11a〜11cは受電コイル21と所定の距離を保って、受電コイル21の下側(地面に近い側)に位置付けられる。送電コイル11a〜11cは互いに独立したコイルである。送電コイル11a〜11cは、駐車スペースの地表に沿うように設置されている。
When a vehicle including the
共振コンデンサ12a〜12cは、送電コイル11a〜11cにそれぞれ接続されている。共振コイル12a〜12cは、送電コイル11a〜11cと共に共振回路を形成するためのコンデンサである。
The
振幅調整回路13a〜13cは、インバータ14からコイル11a〜11cに出力される交流電流の振幅を調整する回路であって、共振コンデンサ12a〜12cとインバータ14との間に接続されている。振幅調整回路13a〜13cは制御器15により制御される。また、振幅調整回路13a〜13cは、制御器15の制御により、インバータ14の出力電力を、送電コイル11a〜11cに選択して供給する回路でもある。例えば、振幅調整回路13a、13bが動作し、振幅調整回路13cが停止している場合には、インバータ14の電力は送電コイル11a、11bに供給され、電流は送電コイル11a、11bに流れ、電流は送電コイル11cに流れない。これにより、複数の送電コイル11a〜11cのうち、電流を流すコイルと、電流を流さないコイルとが選択的に切り変えられるように構成されている。
The
インバータ14は交流電源30から入力される交流電力を変換して、振幅調整回路13a〜13c及び共振コンデンサ12a〜12cを介して、送電コイル11a〜11cに交流電力を出力するための変換回路である。
The
制御器15は受電コイル検出部17の検出結果に応じて、振幅調整回路13a〜13c及びインバータ14を制御するコントローラである。メモリ16は、送電コイル11a〜11cと受電コイル21との間の距離、受電コイル21の大きさ、及び送電コイル11a〜11cに流れる電流振幅との関係を示すマップを記録している。なお、メモリ16のマップについては後述する。
The
受電コイル検出部17は、通信器18を用いて、受電コイル21の位置、受電コイル21の大きさ、及び送電コイル11a〜11cと受電コイル21との間の距離(以下、コイル間距離とも称す)を検出し、検出結果を制御器15に出力する。受電コイル検出部17は、受電コイル21の位置を検出する際には、例えば通信器18により赤外線信号又は超音波信号等を発信して、その信号の反射波から受電コイル21の位置を検出する。また、受電コイル検出部17は、受電コイル21の位置から、コイル間距離を検出してもよい。
The power
受電コイル検出部17は、通信器18を用いて、受電コイル21の大きさを示す情報を車両側から受信することで、受電コイル21の大きさを検出する。受電コイル21の大きさの情報は、車両側のメモリ26に記録されている。また、車両の車高の情報がメモリ26に記録されている場合には、受電コイル検出部17は、通信器18を用いて車両の車高情報を受信し、当該車高情報からコイル間の距離を検出してもよい。通信器18はアンテナを有しており、車両側の通信器28と無線で通信する。
The power receiving
次に車両側のユニットを説明する。車両側のユニットは、受電コイル21と、共振コンデンサ22と、負荷23と、メモリ26と、通信器28とを備えている。これらの構成は車両に設けられている。
Next, the vehicle side unit will be described. The vehicle-side unit includes a
受電コイル21は、送電コイル11a〜11から供給される電力を受電するコイルである。受電コイル21は、送電コイル11a〜11cのコイル面と平行なコイル面を有した円形状のコイルである。受電コイル21は単一のループ状コイルである。受電コイル21のコイル面の直径(D2)は、送電コイル11cのコイル面の直径よりも小さい。受電コイル21は、車両のシャシに沿うように設けられている。The
共振コンデンサ22は、受電コイル21に接続され、受電コイル21と供に共振回路を形成するためのコンデンサである。負荷23は、バッテリ又はモータ等である。なお、負荷23に含まれるバッテリが、受電コイル21で受電した電力で充電される場合には、バッテリと受電コイル21との間に、交流を直流に変換するためのインバータ等が接続される。
The
メモリ26は、受電コイル21の大きさの情報、受電コイル21の位置情報、車高情報、及び負荷23のバッテリ情報等を記録している。通信器28はアンテナを有しており、車両側の通信器28と無線で通信する。通信器28は、メモリ26に記録されている情報を地上側ユニットに送信する。
The
次に、送電コイル11a〜11c及び受電コイル21の大きさ、コイル間距離、及び結合係数(κ)の関係について説明する。なお、本例の送電コイル11a〜11cは複数のコイルであるが、ここでは説明のために、1つの送電コイル11のみとする。図2は、送電コイル11と受電コイル21の斜視図である。D1は送電コイル11の直径を示し、D2は受電コイル21の直径を示し、Gはコイル間距離(ギャップ)を示す。Next, the relationship among the sizes of the power transmission coils 11a to 11c and the
受電コイル21の大きさ(直径)を500mmで固定しつつ、各ギャップ(50mm、100mm、150mm、200mm、250mm、300mm)について送電コイル11の大きさ(直径)を変化させた場合の結合係数の特性をとると、図3のような特性になる。図3は、送電コイル11の大きさ(サイズ)に対する結合係数の特性を示すグラフである。図3に示すように、結合係数は、送電コイル11の直径の1点でピークをとる。例えば、ギャップが50mmの場合には、送電コイル11の直径が50mmのときに、結合係数はピーク値(0.36)をとる。
The coupling coefficient when the size (diameter) of the
また、ギャップが大きくなるほど、結合係数は低下するが、結合係数のピーク値をとる送電コイル11の直径は、ギャップが大きくなるほど、大きくなっている(図3の丸印を参照)。
In addition, the coupling coefficient decreases as the gap increases, but the diameter of the
結合係数(κ)は発生する磁束と相手コイルを鎖交する磁束との比率を表している。送電コイル11の大きさと受電コイル21の大きさが同じであって(図3で、D1=D2=500mmに相当)、かつ、ギャップが小さい場合には、送電コイル11で発生する磁束の多くが受電コイル21に鎖交するため、結合係数が大きくなる。一方、送電コイル11及び受電コイル21の大きさが同じであり、かつ、ギャップが大きい場合には、送電コイル11で発生する磁束が受電コイル21に鎖交せずに短絡するため、結合係数が小さくなってしまう。The coupling coefficient (κ) represents the ratio between the generated magnetic flux and the magnetic flux interlinking the counterpart coil. When the size of the
すなわち、図3に示すように、送電コイル11の大きさと受電コイル21の大きさ(直径)とを500mmで同じ大きさにして、ギャップ(G)を50mmから100mmに大きくすると、結合係数が下がる(G:100mmのグラフで、D1=500mmのときに相当する)。この状態から、送電コイル11の大きさを適正な大きさ(D1=約550mm)に大きくすると、結合係数が上がり最大値をとる(G:100mmのグラフのピーク値に相当)。That is, as shown in FIG. 3, when the size of the
また、受電コイル21の大きさ(D2)が500mmで、送電コイル11の大きさ(D1)が550mmで、ギャップ(G)が100mmから小さくなると、結合係数はピーク値より小さくなる。この状態では、図2のZ方向でみたときに、送電コイル11と受電コイル21との重なる部分において、受電コイル21は鎖交磁束を受け取ることができるが、重ならない部分の磁束は受電コイル21を鎖交しないため、結合係数が低下する。Further, when the size (D 2 ) of the
上記のように、結合係数(κ)を大きくするためには、受電コイル21の大きさとコイル間距離(ギャップ)に対して、適切な送電コイル11の大きさが存在する。
As described above, in order to increase the coupling coefficient (κ), there is an appropriate size of the
さらに、図4及び図5を用いて、結合係数(κ)、送電コイル11a〜11c及び受電コイル21の大きさとコイル間距離の関係を一般化する。図4は、コイル間距離(G)を横軸にし、結合係数(κ)を最大にする送電コイルの大きさ(D1)を縦軸にして、受電コイル21の大きさ毎(D2=400、500、600(mm))の特性を示すグラフである。図5は、受電コイル21の大きさとコイル間距離(G)との比(G/D2)を横軸にし、結合係数(κ)を最大にする、受電コイルの大きさと送電コイルの大きさの比(D1/D2)を縦軸にして、受電コイル21の大きさ毎(D2=400、500、600(mm))の特性を示すグラフである。Furthermore, using FIG. 4 and FIG. 5, the relationship between the coupling coefficient (κ), the sizes of the power transmission coils 11 a to 11 c and the
図4に示されるように、受電コイル21の大きさが同じであれば、ギャップが大きくなるほど、結合係数を最大化させるための送電コイルの大きさ(D1)は大きくなる。また、ギャップの大きさが同じであれば、受電コイル21の大きさが大きくなるほど、結合係数を最大化させるための送電コイルの大きさ(D1)は小さくなる。As shown in FIG. 4, if the size of the
また、図4に示すように、受電コイル21の大きさを変えたとしても、コイル間距離と結合係数を最大化させるための送電コイル11の大きさとの関係は相似していることが分かる、そのため、図5に示すように、受電コイル21の大きさ(D2)で、図4に示す特性を規格化すると、受電コイル21の大きさによらず、コイル間距離と結合係数を最大化させるための送電コイル11の大きさとの関係が一致することが分かる。In addition, as shown in FIG. 4, even if the size of the
さらに、図5に示す特性を、式で表すと以下のように表される。
ただし、結合係数がピーク値をとる場合には、θ=23°となり、結合係数がピーク値から10%低下までの範囲とすると、21°≦θ≦25°となる。 However, when the coupling coefficient takes a peak value, θ = 23 °, and when the coupling coefficient is within a range from the peak value by 10%, 21 ° ≦ θ ≦ 25 °.
また、送電コイル11のコイル面積をS1とし、受電コイル21のコイル面の面積S2とすると、コイル面積(S1、S2)はコイル径(D1、D2)を用いて、それぞれ以下の式(2)で表される。
そして、式(1)に式(2)を代入しつつ、コイル面積(S1)で上記の関係式を表すと、式(3)のようになる。
すなわち、受電コイル21のコイル面の大きさ(D2又はS2)とコイル間距離(G)が定まれば、結合係数を大きくする送電コイル11の大きさ(D1又はS1)が定まることになる。そのため、受電コイル21のコイル面の面積、及び、コイル間距離に応じて、送電コイル11のコイル面の大きさが適切な大きさに変われば、結合係数は高い状態となる。That is, if the size (D 2 or S 2 ) of the coil surface of the
本例とは異なり、送電コイル11が単一のループコイルで形成されている場合には、受電コイル21の大きさ等に応じて、ループの大きさを変えることができればよいが、コイルの構成が複雑になってしまう。
Unlike this example, when the
そのため、本発明のシステムは、送電コイル11を複数のコイルで構成し、複数のコイルの中から電流を流すコイルを選択しつつ、コイルに流す電流振幅を調整することで、複数のコイルを合成しコイル面の面積を自在に変えられる擬似的なコイルを形成している。
Therefore, the system of the present invention is configured by composing a plurality of coils by configuring the
以下、送電コイル11a〜11cの選択と、送電コイル11a〜11cの電流振幅について説明する。図6は、送電コイル11a、11bの斜視図を示す。送電コイル11aのコイル面の直径(φ1)は400mmとし、送電コイル11bのコイル面の直径(φ2)は800mmとする。そして、送電コイル11a及び送電コイル11bにそれぞれ1A(アンペア)の電流を通電したときの磁束密度のZ方向の成分を図7(a)に示す。磁束密度のZ方向の成分は送電コイル11a、11bの中心点OからZ方向(正方向)で高さ(200mm)の成分である。そして、高さ(200mm)からX方向に沿って径(RO)をとりつつ、横軸を径(RO)、縦軸を磁束密度のZ方向成分としたときの特性が図7(a)に示されている。ただし、図7(a)に示す2つのグラフは、送電コイル11aのみに1Aの電流を流したときの特性と、送電コイル11bのみに1Aの電流を流したときの特性をそれぞれ示している。Hereinafter, selection of the power transmission coils 11a to 11c and current amplitude of the power transmission coils 11a to 11c will be described. FIG. 6 is a perspective view of the power transmission coils 11a and 11b. The diameter (φ 1 ) of the coil surface of the
送電コイル11a、11bはループ状のコイルであるため、磁束はコイル線をループするように通る。そのため、径(R0)をゼロから徐々に大きくした場合に、Z方向の磁界は、ある径を境に上向きから下向きに反転する。図7(a)に示すように、送電コイル11aのみに1Aの電流を流したときには、径(R0)が340mmのときに、Z方向の磁界密度が上向きから下向きに反転する。また、送電コイル11bのみに1Aの電流を流したときには、径(R0)が480mmのときに、Z方向の磁界密度が上向きから下向きに反転する。Since the power transmission coils 11a and 11b are loop coils, the magnetic flux passes through the coil wire so as to loop. Therefore, when the diameter (R 0 ) is gradually increased from zero, the magnetic field in the Z direction is reversed from upward to downward with a certain diameter as a boundary. As shown in FIG. 7A, when a current of 1 A is supplied only to the
次に、送電コイル11aに2Aの電流を流しつつ、送電コイル11bに1Aの電流を流したときの特性を図7(b)を用いて説明する。磁束密度の計測条件は上記と同様である。図7(b)に示すように、径(R0)が450mmのときに、Z方向の磁界密度が上向きから下向きに反転する。図7(a)と比較した場合に、複数の送電コイル11a、11bに電流を流すことで、送電コイル11aの磁束特性と、送電コイル11bの磁束特性との間の中間的な磁束特性が得られる。すなわち、所定の比率の振幅をもつ電流を2つの送電コイル11a、11bに流すことで、1つの送電コイルが擬似的にあるような磁束特性を得ることができ、さらに、1つの擬似的な送電コイルは、2つの送電コイル11a、11bとは異なるサイズ(コイル面の面積)にすることができる。Next, characteristics when a current of 1 A is passed through the
本例の非接触給電システムでは、電流を流すために選択する送電コイル11a〜11c及び選択したコイルに流す電流振幅の大きさが、マップにより決まっている。マップは、受電コイル21のコイル面の面積及びコイル間距離に対する、選択コイル及び電流振幅との対応関係を示しており、メモリ16に記録されている。
In the non-contact power feeding system of this example, the magnitudes of the power transmission coils 11a to 11c selected to flow current and the current amplitude flowing through the selected coil are determined by the map. The map shows the correspondence between the selection coil and current amplitude with respect to the area of the coil surface of the
メモリ16のマップは、以下の方法で作成される。図8は送電コイル11a、11b及び受電コイル21の断面図を示し、図9は受電コイル21のサイズに対する送電コイル11a、11bの電流振幅比の特性を示したグラフである。
The map of the
図8に示すように、送電コイル11a、11bのコイル面の中心点を原点として、座標をとり、受電コイル21の中心点と送電コイル11a、11bの中始点が、Z軸上にあるとする。また、図8は、XZ平面(図2を参照)の断面において、受電コイル21を座標(x、z)及び座標(−x、z)で表す。またコイル間距離(G)は100mmとする。送電コイル11aの直径(D1a)は400mm、送電コイル11bの直径(D1b)は800mmとする。As shown in FIG. 8, it is assumed that the center point of the coil surface of the power transmission coils 11a and 11b is the origin, the coordinates are taken, and the center point of the
そして、座標(x、z)及び座標(−x、z)において、Z方向成分の磁束密度がゼロになるような送電コイル11a、11bの電流比を、受電コイル21のコイル面の直径(受電コイルサイズ)に応じて求めると、図9に示すような特性となる。ただし、Iaは送電コイル11aの電流振幅を示し、Ibは送電コイル11bの電流振幅を示す。
Then, at the coordinates (x, z) and the coordinates (−x, z), the current ratio of the power transmission coils 11 a and 11 b so that the magnetic flux density of the Z direction component becomes zero is set to the diameter of the coil surface of the power reception coil 21 (power reception). When it is determined according to the coil size, the characteristics shown in FIG. 9 are obtained. However, Ia shows the current amplitude of the
座標(x、z)及び座標(−x、z)において、Z方向成分の磁束密度がゼロになる場合には、座標(−x、z)から座標(−x、z)の範囲内ではZ方向の磁束密度は正方向になり、当該範囲外ではZ方向の磁束密度は負方向になる。例えば、受電コイル21の大きさが840mmのときには、送電コイル11a、11bの電流振幅の比(Ib/Ia)が1/1に設定されれば、受電コイル21のコイル面に対して、最も効率よく磁束を鎖交させることができる。これにより、コイル間距離をある値に固定しつつ、受電コイル21の大きさに応じて、選択すべき送電コイル11a〜11c及び電流振幅比の関係を得ることができる。また、受電コイル21の大きさを固定しつつコイル間距離を変化させれば、コイル間距離に応じて、選択すべき送電コイル11a〜11c及び電流振幅比の関係を得ることができる。
When the magnetic flux density of the Z direction component is zero at the coordinates (x, z) and the coordinates (−x, z), Z is within the range from the coordinates (−x, z) to the coordinates (−x, z). The magnetic flux density in the direction is positive, and outside this range, the magnetic flux density in the Z direction is negative. For example, when the size of the
上記のような作成方法で、受電コイル21の大きさ及びコイル間距離に応じた、選択すべき送電コイル11a〜11c及び電流振幅比の関係をマップで表すと、図10のように表される。
When the relationship between the power transmission coils 11a to 11c to be selected and the current amplitude ratio according to the size of the
図10はマップを説明するためのグラフである。横軸は受電コイル21の大きさを示し、縦軸はコイル間距離を示す。受電コイル21の大きさは、コイル面の径の大きさ又はコイル面の面積の大きさで示される。また「コイル1」は送電コイル11aを示し、「コイル2」は送電コイル11bを示し、「コイル3」は送電コイル11cを示す。I1は送電コイル11aに流す電流振幅を示し、I2は送電コイル11bに流す電流振幅を示し、I3は送電コイル11cに流す電流振幅を示す。FIG. 10 is a graph for explaining the map. The horizontal axis indicates the size of the
例えば受電コイル21の大きさ(面積)がSaであり、コイル間距離がGaである場合には、送電コイル11a及び送電コイル11bに電流を流し、電流振幅の比(I1:I2)は1対1となる。また、例えば受電コイル21の大きさ(面積)がSbであり、コイル間距離がGbである場合には、送電コイル11b及び送電コイル11cに電流を流し、電流振幅の比(I2:I3)は2対1となる。For example, when the size (area) of the
そして、マップに基づいて選択された複数の送電コイル11а〜11cに、設定された電流振幅で電流が流れると、選択された複数の送電コイル11а〜11cが励磁する。さらに、励磁されたコイルの合成コイルと受電コイル21との間には、式(3)が成立するため、励磁されたコイルの合成コイルのコイル面積がS1で表わされる。When a current flows with a set current amplitude in the plurality of power transmission coils 11a to 11c selected based on the map, the selected plurality of power transmission coils 11a to 11c are excited. Furthermore, between the synthetic coil and the receiving
制御器15は、受電コイル検出部17を用いて受電コイル21の大きさとコイル間距離を検出し、マップを参照して、検出結果(受電コイル21の大きさとコイル間距離)に対応する選択コイル及び電流振幅を演算する。制御器15は、選択したコイルに対応する振幅調整回路13a〜13cを動作させて、選択しないコイルに対応する振幅調整回路13a〜13cを停止させる。そして、制御器15は、演算した振幅比になるように、振幅調整回路13a〜13c及びインバータ14を制御して、選択した送電コイル11a〜11cに対して、演算した電流振幅比の電流を流す。これにより、制御器15は、受電コイル21のコイル面の面積、及び、送電コイル間の距離に応じて、複数の送電コイル11a〜11cのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源30から励磁コイルに出力される電力を制御している。
The
次に、制御器15及び受電コイル検出部17の制御フローを、図11を用いて説明する。図11は制御器15及び受電コイル検出部17の制御フローを示すフローチャートである。なお、図11の制御フローは、車両の進入を検出してから、給電を開始するまでの制御フローである。
Next, the control flow of the
ステップS1にて、受電コイル検出部17は、通信器18を用いて、受電コイル21の位置を検出することで、地上側ユニットを備えた駐車スペースに車両の進入があったか否かを判定する。車両の進入があった場合には、受電コイル検出部17は起動信号を制御器15に送信し、制御器15は当該起動信号を受信することでメインのシステムを起動させる。
In step S <b> 1, the power receiving
ステップS3にて、制御器15は受電コイル検出部17を用いて、受電コイル21の大きさを検出する。ステップS4にて、制御器15は受電コイル検出部17を用いて、コイル間距離を検出する。ステップS5にて、制御器15はメモリ16に記録されているマップを参照しつつ、検出した受電コイル21の大きさ及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルを選択する。励磁するコイルは実際に電流を流すコイルである。ステップS6にて、制御器15はメモリ16に記録されているマップを参照しつつ、検出した受電コイル21の大きさ及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルの電流振幅比を設定する。ステップS8にて、制御器15は、設定した電流振幅比の電流が励磁させるコイル(選択コイル)に流れるように、振幅調整回路13a〜13c及びインバータ14を制御して、給電を開始する。そして、図11に示す制御フローが終了する。
In step S <b> 3, the
上記のように、本例は、受電コイル21を検出しつつ、受電コイル21のコイル面の面積、及び、コイル間の距離に応じて、複数の送電コイル11a〜11cのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源30から励磁コイルに出力される電力を制御している。これにより、送電コイル11a〜11cから発生した磁束の広がりを考慮した上で、受電コイル21のコイル面の面積に対して最適な送電コイル面積を設定できるので、送受電コイル間の結合係数を高めることができる。
As described above, in this example, while detecting the
一般的に、非接触給電システムを電子機器等の用途に用いる場合には、給電電力が数W以下であり、コイル間のギャップの変動に対して、損失よりも安定した出力性能が求められる。そのためコイル間の効率が40〜50%程度であっても、十分に成立する。一方、電気自動車等の移動体に非接触給電システムを適用した場合には、数kW以上の給電電力が求められる。例えば、負荷23に含まれるバッテリの電池容量が24kWhである場合には、3kWの給電で8時間を必要とする。そのため、損失が大きい場合には、給電させる際の出力を上げることになり、コイルの温度が高くなり、長時間の連続給電に影響を及ぼす可能性がある。また、コイル温度を下げる冷却設備が必要となるため、システムのコスト増となり、また装置の大型化にもなる。
In general, when a non-contact power supply system is used for applications such as electronic devices, the power supply is several W or less, and output performance that is more stable than loss is required for fluctuations in the gap between coils. Therefore, even if the efficiency between the coils is about 40 to 50%, it is sufficiently established. On the other hand, when a non-contact power supply system is applied to a moving body such as an electric vehicle, a power supply of several kW or more is required. For example, when the battery capacity of the battery included in the
さらに、電気自動車等に対して電力を供給する場合には、地上側のユニットは、様々な車種に対応することが求められる。すなわち、受電コイル21の位置及びコイル間の距離は、車種によって異なるため、送電側ユニットが1つの充電器コイルの位置及び大きさのみを想定して設計されると、位置または大きさが変わった場合に、送電効率が低下する。
Furthermore, when supplying electric power to an electric vehicle or the like, the ground side unit is required to support various vehicle types. In other words, since the position of the
また、あらゆる受電コイル21に対応するためには、送電コイルの数を多くして、受電コイルのコイル面の大きさとコイル間距離に応じて、適切なサイズのコイルが1つだけ選択できるような構成も考えられる。しかしながら、多くの車種に対応させるためには、送電コイルの数が膨大になってしまう。
Further, in order to deal with any
本例は、複数の送電コイル11a〜11cを少ない個数で構成しつつ、受電コイルのコイル面の大きさとコイル間距離に応じて、適切なコイル面の大きさの送電コイルとなるように、合成コイルを形成している。そのため、受電コイル21の大きさ等が異なる場合でも、送電効率を高い状態で保つことができる。その結果として、コイル温度の上昇も抑制できる。さらに、送電コイルの数が少ない分、地上側ユニットの小型化及びコスト減を実現できる。
In this example, a plurality of power transmission coils 11a to 11c are configured with a small number, and in accordance with the size of the coil surface of the power receiving coil and the distance between the coils, the power transmission coil having an appropriate coil surface size is combined. A coil is formed. Therefore, even when the size of the
また本発明は、励磁する送電コイル11a〜11cと受電コイルとの間で、式(3)の関係式を満たすように、送電コイル11a〜11cに流す電流を制御している。これにより、送電コイル11a〜11cのコイル面の面積が、受電コイル21のコイル面に対して最適な面積になるため、コイル間の結合係数を高めることができる。
Moreover, this invention controls the electric current sent through the
また本例は、送電コイル11a〜11cにうち選択した複数のコイルに、同時に電力を供給する。これにより、複数の送電コイル11a〜11cによる磁束を合成して、磁束分布を、最適なコイル面積をもつコイルに近づけることができるので、コイル間の結合係数を高めることができる。
In this example, power is simultaneously supplied to a plurality of coils selected among the power transmission coils 11a to 11c. Thereby, since the magnetic flux by several
また本例は、受電コイル21のコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、複数の送電コイル11a〜11cに流す電流の振幅を設定する。これにより、複数の送電コイル11a〜11cによる磁束を合成して、磁束分布を、最適なコイル面積をもつコイルに近づけることができるので、コイル間の結合係数を高めることができる。
Moreover, this example sets the amplitude of the electric current sent through the some
また本例の送電コイル11a〜11cは、コイル面の法線方向から見たときに互いのコイル面が重なる位置に配置されている。これにより、送電コイル11a〜11cと受電コイル21が正対した場合には、どの送電コイル11a〜11cに電流を流しても、受電コイル21に対して磁束を送ることができるので、コイル間の結合係数を高めることができる。
Further, the power transmission coils 11a to 11c of this example are arranged at positions where the coil surfaces overlap each other when viewed from the normal direction of the coil surfaces. Thereby, when the power transmission coils 11a to 11c and the
また本例では、バッテリ情報(SOC:State of Charge等)を送信するための通信器18、28を用いて、受電コイル21の情報を送信している。そのため、受電コイル21のコイル情報を送信するために専用の通信機を別途設けなくてもよい。
Moreover, in this example, the information of the receiving
なお、本例は、受電コイル21のコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、電流振幅比を設定したが、電流振幅の代わりに、電流位相を設定してもよい。
In this example, the current amplitude ratio is set according to the area of the coil surface of the
なお、送電コイル11a〜11c又は受電コイル21cのコイル面の面積について、図12(a)に示すように、送電コイル11a〜11c又は受電コイル21cがループ状のコイルである場合には、図12(a)の円Pで囲った部分がコイル面の面積となる。一方、送電コイル11a〜11c又は受電コイル21cがソレノイド型である場合には、図12(a)の矩形Qで囲った部分がコイル面の面積となる。 In addition, about the area of the coil surface of the power transmission coils 11a-11c or the receiving coil 21c, as shown to Fig.12 (a), when the power transmission coils 11a-11c or the receiving coil 21c are loop coils, FIG. The area surrounded by the circle P in (a) is the area of the coil surface. On the other hand, when the power transmission coils 11a to 11c or the power reception coil 21c are of a solenoid type, the area surrounded by the rectangle Q in FIG.
上記の受電コイル検出部17が本発明の「受電コイル検出手段」に相当し、制御器15が本発明の「制御手段」に相当する。
The power
《第2実施形態》
図13、14は、発明の他の実施形態に係る非接触給電システムのコイル形状を説明するための図である。本例では上述した第1実施形態に対して、送電コイル11a〜11cの形状が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであり、その記載を援用する。<< Second Embodiment >>
13 and 14 are diagrams for explaining the coil shape of the non-contact power feeding system according to another embodiment of the invention. In this example, the shapes of the power transmission coils 11a to 11c are different from those of the first embodiment described above. Other configurations are the same as those in the first embodiment described above, and the description thereof is incorporated.
図13は送電コイル11a〜11c及び受電コイル21の平面図を示し、図14は送電コイル11a〜11c及び受電コイル21の側面図を示す。なお図13の矢印は車両の進行方向を示している。
FIG. 13 shows a plan view of the power transmission coils 11 a to 11 c and the
送電コイル11a〜11cは矩形状のコイルである。送電コイル11a〜11cのY方向の長さは、受電コイル21の直径(500mm)より少し長い程度であって、送電コイル11aの長さ(D1a)が550mm、送電コイル11bの長さ(D1b)が600mm、送電コイル11cの長さ(D1c)が700mmである。一方、送電コイル11a〜11cのY方向の長さは、受電コイル21の直径(500mm)よりも随分長い。コイル間距離(G)は200mmである。送電コイル11a〜11cのコイル面は、矩形状で囲われる部分である。The power transmission coils 11a to 11c are rectangular coils. The lengths of the power transmission coils 11a to 11c in the Y direction are slightly longer than the diameter (500 mm) of the
制御器15は、第1実施形態と同様に、受電コイル21を検出しつつ、受電コイル21のコイル面の面積、及び、コイル間の距離に応じて、複数の送電コイル11a〜11cのうち励磁させるコイルを励磁コイルとして選択し、電源30から励磁コイルに出力される電力を制御している。
Similarly to the first embodiment, the
走行中の車両に対して非接触で電力を供給するためには、ループ状の複数の送電コイル1が、車両の進行方向に沿って並べるような構成も考えられる。このとき、受電コイルは、車両の速度より、時速数十km〜百kmで移動することになる。そのため、受電コイルが車両の進行方向に並べられたコイルを通過する時間は、数十ミリ秒〜百数十ミリ秒となり、この時間で通電コイルを切り替えなければ、受電コイルは連続した磁界を受け取ることができない。ゆえに、このようなシステム構成では、インフラコストが膨大になってしまう。 In order to supply electric power to a traveling vehicle in a non-contact manner, a configuration in which a plurality of loop-shaped power transmission coils 1 are arranged along the traveling direction of the vehicle is also conceivable. At this time, the power receiving coil moves at a speed of several tens to hundreds of kilometers per hour from the speed of the vehicle. Therefore, the time required for the power receiving coil to pass through the coils arranged in the traveling direction of the vehicle is several tens of milliseconds to one hundred and several tens of milliseconds. If the energizing coil is not switched at this time, the power receiving coil receives a continuous magnetic field. I can't. Therefore, in such a system configuration, the infrastructure cost becomes enormous.
実施形態2に係るシステムでは、車両の進行方向のコイル長が、車両の幅方向のコイル長さに対して、十分長くすることで、コストと給電性能のバランスを図ることができる。そして、送電コイル11a〜11cの幅(D1a、D1b、D1c)は、第1実施形態に係る送電コイル11a〜11cのコイル面の直径(D1a、D1b、D1c)と同様に決めつつ、受電コイルのコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルが選択に切り替えられ、電流振幅が設定される。これにより、走行する移動体に対して給電するシステムにおいても、送受電コイル間の結合係数を高めることができる。In the system according to the second embodiment, the coil length in the traveling direction of the vehicle is sufficiently longer than the coil length in the width direction of the vehicle, so that the balance between cost and power feeding performance can be achieved. Then, the width of the power transmission coil 11a~11c (D 1a, D 1b, D 1c) , the diameter of the coil plane of the power transmission coils 11 a to 11 c according to the first embodiment (D 1a, D 1b, D 1c) as well as While deciding, the coil to be excited is switched to selection according to the area of the coil surface of the power receiving coil and the distance between the coils, and the current amplitude is set. Thereby, also in the system which supplies electric power to the moving mobile body, the coupling coefficient between the power transmitting and receiving coils can be increased.
《第3実施形態》
図15、16は、発明の他の実施形態に係る非接触給電システムのコイル形状を説明するための図である。本例では上述した第1実施形態に対して、送電コイル11a〜11cの形状が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであり、その記載を援用する。<< Third Embodiment >>
15 and 16 are diagrams for explaining the coil shape of the non-contact power feeding system according to another embodiment of the invention. In this example, the shapes of the power transmission coils 11a to 11c are different from those of the first embodiment described above. Other configurations are the same as those in the first embodiment described above, and the description thereof is incorporated.
送電コイル11a〜11cは、コイル面をXY平面と平行になるように、走行路面に設けられている。送電コイル11a〜11cは、Z方向に重ねて配置されている。送電コイル11a〜11cの大きさについて、車両の進行方向であるX方向への長さは受電コイル21のX方向の長さ(D2)と比較して十分に長く、Y方向への長さは、受電コイル21のY方向の長さ(D2)より少し長い。The power transmission coils 11a to 11c are provided on the traveling road surface so that the coil surfaces are parallel to the XY plane. The power transmission coils 11a to 11c are arranged so as to overlap in the Z direction. About the size of the power transmission coils 11 a to 11 c, the length in the X direction which is the traveling direction of the vehicle is sufficiently long compared the length of the X direction of the
送電コイル11a〜11cは、導線を曲げることでループ状のコイルを複数有している。そして、ループ状のコイルの面積は、送電コイル11a〜11c毎で異なるように形成されており、送電コイル11cのコイル面の面積が最も大きい。
The power transmission coils 11a to 11c have a plurality of loop coils by bending a conducting wire. And the area of a loop-shaped coil is formed so that it may differ for every
また、送電コイル11a〜11cは、XY平面において導線を交差させて、交差した部分を境に複数のループ状のコイルを形成している。送電コイル11a〜11cのピッチ長(D1a、D1c、D1c)はそれぞれ異なっており、送電コイル11aのピッチ長(D1a)が最も短い。また、送電コイル11a〜11cのピッチ長(D1a、D1c、D1c)は、導線交差した部分(交差した点)の間隔にも相当する。送電コイル11a〜11cのY方向の長さは、対応するピッチ長(D1a、D1c、D1c)とそれぞれ等しい。In addition, the power transmission coils 11a to 11c intersect the conductive wires in the XY plane, and form a plurality of loop-shaped coils with the intersected portions as boundaries. The pitch lengths (D 1a , D 1c , D 1c ) of the power transmission coils 11 a to 11 c are different, and the pitch length (D 1a ) of the
そして、隣り合うループ状のコイルについて、送電コイル11a〜11cのうち、制御器15により選択されたコイルに交流電流が流れると、隣接するループ状コイルのうち一方のコイルには交流電流が時計回りに流れ、他方のコイルには交流電流が反時計回りに流れる。すなわちx方向で隣り合うループ状のコイルにおいて、ループ状に流れる交流電流の導通方向は、交差した部分を境に、互いに逆方向になっている。
And when an alternating current flows into the coil selected by the
第2実施形態と同様に、本例のシステムでは、車両の進行方向のコイル長が、車両の幅方向のコイル長さに対して、十分長くすることで、コストと給電性能のバランスを図ることができる。 Similar to the second embodiment, in the system of this example, the coil length in the traveling direction of the vehicle is sufficiently longer than the coil length in the width direction of the vehicle, thereby achieving a balance between cost and power supply performance. Can do.
図15に示すような、コイル線を交差させるコイル(ラダーコイル)では、隣接する交叉ループ間で磁界が逆向きになるため、漏洩磁界も低減できる。そして、ピッチ長を短くすれば、隣同士でより磁界がキャンセルし易くなり、漏洩磁界は低減できる。しかしながら、ピッチ長は所定の長さ以下なると、結合係数も小さくなる点を考慮しなければならない。 In a coil (ladder coil) that crosses coil wires as shown in FIG. 15, the magnetic field is reversed between adjacent crossing loops, so that the leakage magnetic field can also be reduced. And if pitch length is shortened, it will become easier to cancel a magnetic field adjacent and a leakage magnetic field can be reduced. However, it must be considered that when the pitch length is less than or equal to the predetermined length, the coupling coefficient also decreases.
以下、図17、図18を用いて、ピッチ長と結合係数との関係について説明する。図17は送電コイル11c及び受電コイル21の斜視図を示し、図18はピッチ長に対する結合係数の特性を、コイル間距離(G)毎で示したグラフである。なお、送電コイル11cのX方向の長さは5m、Y方向の長さは0.7mとし、受電コイル21を0.5m四方の矩形状のコイルとする。
Hereinafter, the relationship between the pitch length and the coupling coefficient will be described with reference to FIGS. 17 and 18. FIG. 17 is a perspective view of the
図18に示すように、結合係数は、ピッチ長に対して、ある1点でピーク値をととり、ピッチ長が、ピークをとるピッチ長より小さくなると、結合係数は急激に減少する。すなわち、図18に示す特性から分かるように、図17に示すラダーコイルにおいて、コイル面の面積が一定以上あったとしても、ピッチ長はある程度の長さを必要とする。 As shown in FIG. 18, the coupling coefficient takes a peak value at a certain point with respect to the pitch length, and when the pitch length becomes smaller than the peak pitch length, the coupling coefficient rapidly decreases. That is, as can be seen from the characteristics shown in FIG. 18, the pitch length of the ladder coil shown in FIG. 17 requires a certain length even if the area of the coil surface exceeds a certain value.
そして、送電コイル11a〜11cのピッチ長(D1a、D1b、D1c)は、第1実施形態に係る送電コイル11a〜11cのコイル面の直径(D1a、D1b、D1c)と同様に決めつつ、受電コイルのコイル面の面積及びコイル間距離に応じて、励磁するコイルが選択に切り替えられ、電流振幅が設定される。これにより、走行する移動体に対して給電するシステムにおいても、送受電コイル間の結合係数を高めることができる。The power transmission pitch length of the coil 11a~11c (D 1a, D 1b, D 1c) , the diameter of the coil plane of the power transmission coils 11 a to 11 c according to the first embodiment (D 1a, D 1b, D 1c) similar to In accordance with the area of the coil surface of the power receiving coil and the distance between the coils, the coil to be excited is switched to selection and the current amplitude is set. Thereby, also in the system which supplies electric power to the moving mobile body, the coupling coefficient between the power transmitting and receiving coils can be increased.
なお、送電コイル11a〜11cのコイル面の面積について、図19に示すように、送電コイル11a〜11cがラダーコイルである場合には、図19の矩形Rで囲った部分がコイル面の面積となる。
In addition, about the area of the coil surface of
10…給電装置
11a〜11c…送電コイル
12a〜12c…共振コンデンサ
13a〜13c…振幅調整回路
14…インバータ
15…制御器
16…メモリ
17…受電コイル検出部
18…通信器
21…受電コイルDESCRIPTION OF
Claims (4)
コイル面を互いに平行な位置に配置しつつ、前記コイル面の面積が異なる複数の送電コイルと、
前記受電コイルを検出する受電コイル検出手段と、
前記受電コイル検出手段の検出結果に基づいて、電源から励磁コイルに出力される電力を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記受電コイルのコイル面の面積、及び、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の距離に応じて、前記複数の送電コイルのうち励磁させるコイルを前記励磁コイルとして選択し、
前記励磁コイルと前記受電コイルとの間は
の関係式を満たす
ことを特徴とする非接触給電装置。
ただし、
S1は前記励磁コイルを合成した合成コイルのコイル面の面積を示し、
S2は前記受電コイルのコイル面の面積を示し、
Gは前記送電コイルと前記受電コイルとの間の距離を示し、
θは21°以上から25°以下までの間とする。In the non-contact power feeding device that supplies power to the power receiving coil in a non-contact manner by at least magnetic action,
A plurality of power transmission coils having different areas of the coil surface while arranging the coil surfaces in parallel to each other;
A receiving coil detecting means for detecting the receiving coil;
Control means for controlling the power output from the power source to the exciting coil based on the detection result of the power receiving coil detecting means;
The control means includes
In accordance with the area of the coil surface of the power receiving coil and the distance between the power receiving coil and the power transmitting coil, a coil to be excited among the plurality of power transmitting coils is selected as the exciting coil,
Between the exciting coil and the receiving coil
The non-contact electric power feeder characterized by satisfy | filling the relational expression.
However,
S 1 indicates the area of the coil surface of the combined coil obtained by combining the exciting coils,
S 2 represents the area of the coil surface of the power receiving coil,
G indicates a distance between the power transmission coil and the power reception coil;
θ is between 21 ° and 25 °.
コイル面を互いに平行な位置に配置しつつ、前記コイル面の面積が異なる複数の送電コイルと、
前記受電コイルを検出する受電コイル検出手段と、
前記受電コイル検出手段の検出結果に基づいて、電源から励磁コイルに出力される電力を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記受電コイルのコイル面の面積、及び、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の距離に応じて、励磁コイルを合成した合成コイルが形成されるように、前記複数の送電コイルのうち励磁させるコイルを前記励磁コイルとして選択し、かつ、前記電源から複数の前記励磁コイルに流す電流の振幅又は位相を設定し、
前記励磁コイルの選択及び前記複数の励磁コイルに流す電流の設定により、前記合成コイルのコイル面の面積を変更可能とした
ことを特徴とする非接触給電装置。In the non-contact power feeding device that supplies power to the power receiving coil in a non-contact manner by at least magnetic action,
A plurality of power transmission coils having different areas of the coil surface while arranging the coil surfaces in parallel to each other;
A receiving coil detecting means for detecting the receiving coil;
Control means for controlling the power output from the power source to the exciting coil based on the detection result of the power receiving coil detecting means;
The control means includes
According to the area of the coil surface of the power receiving coil and the distance between the power receiving coil and the power transmitting coil, excitation is performed among the plurality of power transmitting coils so as to form a combined coil obtained by combining the exciting coils. Selecting a coil as the exciting coil, and setting the amplitude or phase of the current flowing from the power source to the plurality of exciting coils,
The contactless power feeding device according to claim 1, wherein the area of the coil surface of the composite coil can be changed by selecting the excitation coil and setting a current to be passed through the plurality of excitation coils.
前記制御手段は、
前記電源から複数の前記励磁コイルに同時に電力を出力する
ことを特徴とする非接触給電装置。In the non-contact electric power feeder of Claim 1 or 2,
The control means includes
A non-contact power feeding apparatus that outputs power from the power source to the plurality of exciting coils simultaneously.
前記制御手段は、
前記受電コイルのコイル面の面積、及び、前記受電コイルと前記送電コイルとの間の距離に応じて、前記電源から複数の前記励磁コイルに流す電流の振幅又は位相を設定する
ことを特徴とする非接触給電装置。The contactless power supply device according to claim 1,
The control means includes
The amplitude or phase of the current flowing from the power source to the plurality of exciting coils is set according to the area of the coil surface of the power receiving coil and the distance between the power receiving coil and the power transmitting coil. Non-contact power supply device.
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