CN105229890A

CN105229890A - 双向非接触供电装置

Info

Publication number: CN105229890A
Application number: CN201480028668.5A
Authority: CN
Inventors: 保田富夫; 乘越勇美; 砂金富保
Original assignee: Technova Inc
Current assignee: Technova Inc
Priority date: 2013-05-21
Filing date: 2014-05-21
Publication date: 2016-01-06
Also published as: JP6111139B2; JP2014230364A; WO2014189095A1; EP3002849A1; EP3002849B1; EP3002849A4; US20160126750A1

Abstract

本发明提供双向非接触供电装置，其是共振电容器(53、54)与初级侧线圈(51)、次级侧线圈(52)串联连接的SS方式的双向非接触供电装置，在初级侧连接第一电力转换器(61)、第二电力转换器(62)，在次级侧连接第三电力转换器(63)。在G2V时，第二电力转换器(62)将商用交流转换成直流，第一电力转换器(61)转换成高频交流，第三电力转换器(63)将高频交流转换成直流并对蓄电设备充电。此时，若恒压驱动第一电力转换器(61)，则进行对蓄电设备的恒流充电。在V2G时，第三电力转换器(63)将直流转换成高频交流，第一电力转换器(61)将高频交流转换成直流，第二电力转换器(62)将直流转换成工业交流。此时，若恒流驱动第三电力转换器(63)，则第一电力转换器(61)的输出成为恒压。

Description

双向非接触供电装置

技术领域

本发明涉及以非接触的方式对电动汽车等移动体的二次电池进行供电的非接触供电装置，实现根据需要在电力系统、家庭中都能够利用二次电池所存储的电力的双向的供电。

背景技术

作为被搭载于电动汽车、插电式混合动力车的二次电池的充电方式，如图16所示，已知有利用被设置于地上侧的初级线圈(供电线圈)31和被搭载于车辆侧的次级线圈(受电线圈)32之间的电磁感应，以非接触的方式供给电力的非接触供电方式。对供电线圈31供给的高频交流由逆变器20根据商用电源1的交流生成。被受电线圈32接收的高频交流在充电电路22中被转换成直流并被被积蓄到二次电池21中。被积蓄的直流为了驱动马达24被逆变器23转换成交流。

近年来，对于将电动汽车(EV)的二次电池存储的多余电力利用到家庭、配电网中的“V2H”(VehicletoHome：从车辆到家)、“V2G”(VehicletoGrid：从车辆到配电网)的兴趣越来越高。

在下述非专利文献1中公开了能够将“G2V”(GridtoVehicle：从配电网到车辆)用的非接触供电装置的变更限制在最小限，来进行G2V时以及V2G时的双向非接触供电的装置。

如图17所示，在该装置中，非接触供电变压器的一方的初级线圈31连接有串联电容器Cs33，另一方的次级线圈32连接有并联电容器Cp34和串联电抗器L35(将该非接触供电变压器称为“SPL方式的非接触供电变压器”。)。

在SPL方式的非接触供电变压器30的系统侧以及车辆侧分别连接有逆变器20、40，在系统侧还经由平滑电容器2连接有在G2V时将商用电源1的交流转换成直流的桥型逆变器10。另外，在车辆侧经由平滑电容器3连接有电池4。

在G2V时，逆变器20将通过桥型逆变器10转换成的直流转换成高频交流。另一方面，受电侧的逆变器40将IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)全部设为截止，作为仅由二极管构成的全波整流器发挥作用，对由次级线圈32接收的高频交流进行整流。

在V2G时，逆变器40将从电池4输出的直流转换成高频交流。另一方面，系统侧的逆变器20将IGBT全部设为截止，作为对由初级线圈31接收的高频交流进行整流的全波整流器发挥作用。桥型逆变器10将从逆变器20输出的直流转换成商用电源1的频率的交流。

在该装置中，仅通过对SP方式的非接触供电变压器追加串联电抗器L，就能够进行供电效率较高的双向非接触供电。

非专利文献1：保田富夫·井田和彦·阿部茂·金子裕良·仲达崇一郎“双向非接触供电系统”汽车技术会秋季学术报告会85-20125755(2012年10月3日)

发明内容

本发明是鉴于上述而完成的，目的在于提供一种与非专利文献1的装置相比较，能够使系统结构进一步简化，且G2V时的充电控制、V2G时的电力供给控制变得容易的双向非接触供电装置。

本发明是隔着空隙来配置初级侧的共振电容器所串联连接的初级侧线圈和次级侧的共振电容器所串联连接的次级侧线圈，利用电磁感应作用从初级侧线圈向次级侧线圈、以及从次级侧线圈向初级侧线圈供给电力的双向非接触供电装置，该双向非接触供电装置具有：第一电力转换器，其经由初级侧的共振电容器与初级侧线圈连接；第二电力转换器，其与第一电力转换器连接；第三电力转换器，其经由次级侧的共振电容器与次级侧线圈连接；以及控制部，其分别控制第一电力转换器、第二电力转换器以及第三电力转换器，第一电力转换器、第二电力转换器以及第三电力转换器在控制部的控制下，进行将直流转换成交流的动作和将交流转换成直流的动作，在从初级侧线圈向次级侧线圈供给电力时，第二电力转换器将由商用电源供给的交流转换成直流，第一电力转换器将从第二电力转换器输入的直流转换成高频交流并输出至初级侧线圈，第三电力转换器将从次级侧线圈输入的高频交流转换成直流并供给至蓄电设备，在从次级侧线圈向初级侧线圈供给电力时，第三电力转换器将由蓄电设备供给的直流转换成高频交流并输出至次级侧线圈，第一电力转换器将从初级侧线圈输入的高频交流转换成直流，第二电力转换器将从第一电力转换器输入的直流转换成商用电源的频率的交流并输出，在从初级侧线圈向次级侧线圈供给电力的情况下，第一电力转换器被控制部恒压驱动，在从次级侧线圈向初级侧线圈供给电力的情况下，第三电力转换器被控制部恒流驱动。

串联共振电容器分别与初级侧线圈以及次级侧线圈连接的SS方式的非接触供电变压器具有若以恒压驱动初级侧，则次级侧成为恒流，若以恒流驱动初级侧，则次级侧成为恒压这样的“导抗转换特性”。在本发明的双向非接触供电装置中，在对次级侧的蓄电设备进行充电的G2V时，恒压驱动初级侧，以恒流对蓄电设备进行充电。另外，在外部利用次级侧的蓄电设备所积蓄的电力的V2G时，恒流驱动次级侧，对外部供给恒压的电力。

另外，在本发明的双向非接触供电装置中，优选上述蓄电设备是锂二次电池或者双电层电容器。

在SS方式的非接触供电变压器中，若不降低电阻负荷的值(若不降低受电电压)则供电效率不会增加，但由于锂二次电池、双电层电容器的内部电阻较小，所以能够以更高的供电效率来对SS方式的非接触供电变压器进行那些恒流充电。

另外，在本发明的双向非接触供电装置中，优选在具备并行的一对磁极部以及在该磁极部的中间位置连结一对磁极部的连结部的H字形的铁芯的连结部卷绕电线来构成初级侧线圈以及次级侧线圈。

通过提高非接触供电变压器的匝数能够改善作为SS方式的弱点的供电效率、电阻负荷，若使用H字形铁芯，则很容易提高线圈的匝数。

本发明的双向非接触供电装置能够使系统结构的简化。另外，在G2V时，通过恒压驱动高频电源，能够进行对蓄电设备的恒流充电，在V2G时，通过恒流驱动高频电源，能够进行对系统侧的恒压供电。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的双向非接触供电装置的框图。

图2是表示本发明的实施方式所涉及的双向非接触供电装置的G2V时的方式的图。

图3是表示本发明的实施方式所涉及的双向非接触供电装置的V2G时的方式的图。

图4是表示SS方式的非接触供电变压器的T型等效电路的图。

图5是表示实验所使用的线圈的规格的图。

图6是图5所示的线圈的俯视图。

图7是表示图5所示的线圈的电线的卷绕状态的图。

图8是是表示收纳线圈的盒子对置的状态的图。

图9是表示线圈的变压器常量的图。

图10是表示测定结果的图。

图11是表示电阻负荷变动时的供电效率的图。

图12是表示G2V时的输入输出电压电流波形的图。

图13是表示V2G时的输入输出电压电流波形的图。

图14是表示使间隙长度发生了变化时的供电效率的图。

图15是表示改变间隙长度以及前后左右的位置偏移来测定负荷电阻与充电电流的关系的结果的图。

图16是表示对车辆的二次电池进行非接触供电的系统的图。

图17是表示以往的双向非接触供电装置的图。

具体实施方式

图1用框图示有本发明的实施方式所涉及的双向非接触供电装置的结构。

该装置的非接触供电变压器的初级侧线圈51与共振电容器53串联连接，次级侧线圈52与共振电容器54串联连接。将由该共振电容器53、54所串联连接的初级侧线圈51以及次级侧线圈52构成的非接触供电变压器称为“SS方式的非接触供电变压器”。

在SS方式的非接触供电变压器的初级侧连接有第一电力转换器61，在第一电力转换器61连接有第二电力转换器62。另外，在次级侧连接有第三电力转换器63。第一电力转换器61以及第二电力转换器62被控制部71控制，第三电力转换器63被控制部72控制。第一电力转换器61、第二电力转换器62以及第三电力转换器63在各控制部71、72的控制下，进行将直流转换成交流的动作、以及将交流转换成直流的动作。

在该双向非接触供电装置中，在G2V时，第二电力转换器62将由商用电源供给的交流转换成直流，第一电力转换器61将从第二电力转换器62输入的直流转换成高频交流。转换后的高频交流输入至SS方式的非接触供电变压器的初级侧线圈51，并通过电磁感应作用在隔着空隙与初级侧线圈51对置的次级侧线圈52中感应高频交流。第三电力转换器63将从次级侧线圈52输入的高频交流转换成直流。转换后的直流被供给至车辆的蓄电设备，并存储。

另一方面，在V2G时，第三电力转换器63将由蓄电设备供给的直流转换成高频交流。转换后的高频交流输入至SS方式的非接触供电变压器的次级侧线圈52，并在初级侧线圈51感应高频交流。第一电力转换器62将从初级侧线圈51输入的高频交流转换成直流，第二电力转换器62将从第一电力转换器61输入的直流转换成商用电源的频率的交流。由第二电力转换器62转换后的工业频率的交流被供给至配电网，或者，被供给至家电产品等。

图2、图3表示本发明的实施方式所涉及的双向非接触供电装置。图2表示G2V时的结构，图3表示V2G时的结构。

该装置的第二电力转换器62是在G2V时作为PWM整流器动作，在V2G时作为全桥逆变器动作的转换器，具有四个开关单元，该开关单元通过由IGBT构成的开关元件、以及以反并联的方式与开关元件连接的反馈二极管构成。

第一电力转换器61是在G2V时作为全桥逆变器动作，在V2G时作为全桥整流器动作的转换器，具有四个由IGBT和反馈二极管构成的开关单元。

第三电力转换器63是在G2V时作为全桥整流器动作，在V2G时作为全桥逆变器动作的转换器，具有四个由IGBT和反馈二极管构成的开关单元。

第二电力转换器62经由平滑电容器64与第一电力转换器61连接，另外，为了抑制对噪声对系统侧的侵入，经由电抗器65以及滤波器66与商用电源67、交流负荷73连接。

另外，第三电力转换器63经由平滑电容器68与蓄电设备69、或者负荷70连接。

此外，在图2、图3中，省略了控制部的显示。

在G2V时，第二电力转换器62在控制部71的PWM控制下，根据商用电源67的交流生成直流。所生成的直流被平滑电容器64平滑化并输入至第一电力转换器61。第一电力转换器61在控制部71的PWM控制下，根据输入的直流生成频率f₀的高频交流。

此时，控制部71监视输入至第一电力转换器61的直流的电压，以初级侧线圈51恒压驱动的方式，控制第一电力转换器61以及第二电力转换器62。

由第一电力转换器61生成的频率f₀的交流输入至初级侧线圈51，并在次级侧线圈52感应频率f₀的交流。

次级侧的第三电力转换器63在控制部72的控制下，将从次级侧线圈52输入的高频交流转换成直流。此时，控制部72将第三电力转换器63的IGBT全部设为截止，使第三电力转换器63作为仅由二极管构成的全波整流器动作。

由第三电力转换器63生成的直流被平滑电容器68平滑化并积蓄到蓄电设备69。

另一方面，在V2G时，第三电力转换器63在控制部72的PWM控制下，将从蓄电设备69输入的直流转换成频率f₀的高频交流。此时，控制部72以次级侧线圈52恒流驱动的方式，控制第三电力转换器63。

由次级侧的第三电力转换器63生成的频率f₀的交流输入至次级侧线圈52，在初级侧线圈51感应频率f₀的交流。

另外，初级侧的第一电力转换器61在控制部71的控制下，将从初级侧线圈51输入的高频交流转换成直流。此时，控制部71将第一电力转换器61的IGBT全部设为截止，使第一电力转换器61作为仅由二极管构成的全波整流器动作。

由第一电力转换器61生成的直流被平滑电容器64平滑化并输入至第二电力转换器62。

第二电力转换器62将输入的直流转换成商用电源的频率的交流。由第二电力转换器62转换后的商用频率的交流被供给至配电网、家电产品等。

图4示有SS方式的非接触供电变压器的次级侧换算后的T型等效电路。

初级侧常量的换算后的记号以标有“’”的方式来显示。

在图4中，V₁₁、I₁表示初级侧(G侧)的电压、电流，V₂₂、I₂表示次级侧(V侧)的电压、电流。另外，V₀₀、I₀表示成为二个线圈的基准的电位、电流。

在这里，若

C₁：G侧共振电容器

C₂：V侧共振电容器

L₁：G侧变压器的自感

l₁：G侧变压器的漏感

l₀₁：G侧变压器的励磁电感

r₀：G侧变压器励磁线圈的等效串联电阻

r₁：G侧变压器的等效串联电阻

L₂：V侧变压器的自感

l₂：V侧变压器的漏感

l₀₂：V侧变压器的励磁电感

r₂：V侧变压器的等效串联电阻

R_L：负荷的等效串联电阻

L₁＝l₁+l₀₁

L₂＝l₂+l₀₂

a＝n₁/n₂：变压器线圈的匝数比

则图4所示的各值可用以下的式子来表示。

[公式1]

{xc}_{1}^{'} = \frac{a^{2}}{ω_{0} C_{1}}

…(式1)

[公式2]

{r_{1}}^{'} = \frac{r_{1}}{a^{2}}

…(式2)

[公式3]

{x_{1}}^{'} = \frac{ω_{0} l_{1}}{a^{2}}

…(式3)

[公式4]

{r_{0}}^{'} = \frac{r_{0}}{a^{2}}

…(式4)

[公式5]

{x_{0}}^{'} = \frac{ω_{0} l_{01}}{a^{2}}

…(式5)

[公式6]

x₂＝ω0l₂…(式6)

[公式7]

{xc}_{2} = \frac{1}{ω_{0} C_{2}}

…(式7)

C'₁和C₂的值通过以电源频率f₀分别与G侧变压器线圈以及V侧变压器线圈的自感共振的方式通过(式8)(式9)来决定。

[公式8]

{xc}_{1}^{'} = \frac{a^{2}}{ω_{0} C_{1}} = {x_{1}}^{'} + {x_{0}}^{'}

…(式8)

[公式9]

{xc}_{2} = \frac{1}{ω_{0} C_{2}} = {x_{0}}^{'} + x_{2}

…(式9)

此时，由于r₀、r₁、r₂的值与各电感值相比较很小，所以若忽略，则在输入输出的电压电流间(式10)(式11)的关系成立。

[公式10]

V11′＝-jx′₀I₂…(式10)

[公式11]

I 1^{'} = - j \frac{1}{{x^{'}}_{0}} V 22

…(式11)

另外，变压器效率通过图4的各部电流表示成(式12)那样。

[公式12]

η_{S P} = \frac{R_{L} I_{2}^{2}}{R_{L} I_{2}^{2} + {r^{'}}_{1} {I^{'}}_{2}^{2} + r_{2} I_{2}^{2}} = \frac{R_{L}}{R_{L} + r_{2} + {r^{'}}_{1} {(\frac{R_{L}}{x_{0}})}^{2}}

…(式12)

在这里，由(式13)(式14)定义卷线的Q，由(式15)定义耦合系数k。

[公式13]

Q_{1} = \frac{ω_{0} L_{1}}{r_{1}}

…(式13)

[公式14]

Q_{2} = \frac{ω_{0} L_{2}}{r_{2}}

…(式14)

[公式15]

k = \frac{M}{\sqrt{L_{1} L_{2}}}

…(式15)

此时，若(式16)成立，

[公式16]

\frac{1}{k^{2}} \frac{Q_{2}}{Q_{1}} > > 1

…(式16)

变压器最大供电效率η_maxG2V、η_maxV2G能够通过(式17)近似。

[公式17]

η_{\max S S} = \frac{1}{1 + \frac{2}{k \sqrt{Q_{1} Q_{1}}}}

…(式17)

另外，此时的负荷电阻R_LmaxG2V、R_LmaxV2G能够通过(式18)近似。[公式18]

R_{L \max S S} = {kr}_{2} \sqrt{Q_{1} Q_{2}}

…(式18)

(式10)(式11)表示SS方式的非接触供电变压器具有导抗转换特性，即，若以恒压驱动初级侧、则次级侧成为恒流，若以恒流驱动初级侧、则次级侧成为恒压这样的特性。

在本实施方式中，利用该特性，在G2V时，由于恒压驱动初级侧的第一电力转换器61，所以从第三电力转换器63输出恒流，即使不设置特别的充电电路，也能够进行蓄电设备69的恒流充电。该恒流充电适合内部电阻较小的锂二次电池、双电层电容器的充电。

另外，在V2G时，由于恒流驱动第三电力转换器63，所以能够从第二电力转换器62将恒压的电力提供给系统侧。

另外，SS方式的非接触供电变压器虽然可以说若不降低电阻负荷的值(即，若不降低受电电压)则供电效率不会提高(参照日本特开2012－244635号公报)，但(式17)(式18)示出能够通过提高初级侧线圈51以及次级侧线圈52的匝数并增大励磁电感l₀₁、l₀₂，来增大供电效率以及电阻负荷。

对为了确认这一点而进行的实验的结果进行说明。

图5示有实验所使用的非接触供电变压器的规格。如图6所示，该变压器的初级侧线圈以及次级侧线圈使用具备并行的一对磁极部、和在该磁极部的中间位置连结一对磁极部的连结部的H字形铁芯，并在该连结部卷绕直径0.1mm的电线(利兹线)而构成。H字形铁芯的外形是240mm×300mm×20mm，连结部的宽度以及长度是150mm。如图7所示，电线在连结部的二个位置上各卷绕20圈，并使那些卷线以并联的方式电连接。

这些线圈收容于图8所示的盒子，隔着70mm的间隙对置。另外，在实验中，测定使间隙长度±30mm变化的情况下、使前后方向(H字形铁芯的横向)的对置位置偏移了±40mm、使左右方向(H字形铁芯的纵向)的对置位置偏移了±150mm的情况下的特性。

频率f₀设定为50kHz，输出设定为3kW。另外，负荷电阻R_L在G2V、V2G时都使用了25Ω。

将初级侧线圈、次级侧线圈的变压器常量示于图9。

图10示有在将间隙设定为70mm，没有前后/左右方向的位置偏移的状态下测定出的实验结果。供电效率η的实验值/计算值都示有较高的值。

另外，图11示有电阻负荷变动时的供电效率(实验值)，图12示有G2V时的输入输出电压电流波形，图13示有V2G时的输入输出电压电流波形。

另外，图14示有使间隙长度±30mm变化时的供电效率，图15示有改变间隙长度以及前后左右的位置偏移测定负荷电阻与充电电流的关系的结果。

在G2V时，包含使间隙变化了40～100mm的情况下的逆变器的总合效率最大是94.7％，在x方向±40mm、y方向±150mm的范围内变化时的最大总合效率是94.3％。另外，在V2G时也得到等同的供电效率的结果。

根据该实验确认在SS方式的非接触供电变压器中，提高变压器的匝数，提高励磁电感从而得到较高的供电效率。

使用H字形铁芯的线圈由于在狭窄的宽度的连结部卷绕有电线，所以在增加电线的卷绕数上有利。

另外，通过该实验确认通过初级侧的电压转换器的恒压驱动来进行次级侧的恒流充电。

此外，在这里，第一电力转换器61、第二电力转换器62以及第三电力转换器63作为开关元件使用IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管)，但也能够使用GOT(GateTurnOffThyristor：可关断晶闸管)、MOSFET(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等其他的开关元件。产业上的可利用性

本发明的双向非接触供电装置能够广泛用于电动汽车、电动叉车、无人驾驶电动搬运车等搭载二次电池的移动体。

附图符号说明

1…商用电源；2…平滑电容器；3…平滑电容器；4…电池；10…桥型逆变器；20…逆变器；23…逆变器；24…马达；30…非接触供电变压器；31…初级线圈；32…次级线圈；33…串联电容器Cs；34…并列电容器Cp；35…串联电抗器L；40…逆变器；51…初级侧线圈；53…共振电容器；54…共振电容器；61…第一电力转换器；62…第二电力转换器；63…第三电力转换器；64…平滑电容器；65…电抗器；66…滤波器；67…商用电源；68…平滑电容器；69…蓄电设备；70…负荷；71…控制部；72…控制部；73…交流负荷。

Claims

1.一种双向非接触供电装置，其是隔着空隙配置初级侧的共振电容器所串联连接的初级侧线圈和次级侧的共振电容器所串联连接的次级侧线圈，通过电磁感应作用从所述初级侧线圈向所述次级侧线圈、以及从所述次级侧线圈向所述初级侧线圈供给电力的双向非接触供电装置，该双向非接触供电装置，

具有：第一电力转换器，其经由所述初级侧的共振电容器与所述初级侧线圈连接；第二电力转换器，其与该第一电力转换器连接；第三电力转换器，其经由所述次级侧的共振电容器与所述次级侧线圈连接；以及控制部，其分别控制所述第一电力转换器、第二电力转换器以及第三电力转换器，

所述第一电力转换器、第二电力转换器以及第三电力转换器在所述控制部的控制下，进行将直流转换成交流的动作和将交流转换成直流的动作，

在从所述初级侧线圈向所述次级侧线圈供给电力时，所述第二电力转换器将由商用电源供给的交流转换成直流，所述第一电力转换器将从所述第二电力转换器输入的直流转换成高频交流并输出至所述初级侧线圈，所述第三电力转换器将从所述次级侧线圈输入的高频交流转换成直流并供给至蓄电设备，

在从所述次级侧线圈向所述初级侧线圈供给电力时，所述第三电力转换器将由所述蓄电设备供给的直流转换成高频交流并输出至所述次级侧线圈，所述第一电力转换器将从所述初级侧线圈输入的高频交流转换成直流，所述第二电力转换器将从所述第一电力转换器输入的直流转换成商用电源的频率的交流并输出，

在从所述初级侧线圈向所述次级侧线圈供给电力的情况下，所述第一电力转换器被所述控制部恒压驱动，在从所述次级侧线圈向所述初级侧线圈供给电力的情况下，所述第三电力转换器被所述控制部恒流驱动。

2.根据权利要求1所述的双向非接触供电装置，其中，

所述蓄电设备是锂二次电池或者双电层电容器。

3.根据权利要求1所述的双向非接触供电装置，其中，

所述初级侧线圈以及次级侧线圈具有：

H字形的铁芯，该H字形的铁芯具备并行的一对磁极部、和在该磁极部的中间位置连接所述一对磁极部的连结部；以及

电线，其被卷绕于该H字形的铁芯的所述连结部。