JP2012152041A

JP2012152041A - 非接触給電システム

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Publication number: JP2012152041A
Application number: JP2011009299A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Abe; 茂阿部; Tomio Yasuda; 富夫保田; Ryoichi Yamanouchi; 良一山之内
Original assignee: Aisin AW Co Ltd; Technova Inc; Saitama University NUC
Current assignee: Aisin AW Co Ltd; Technova Inc; Saitama University NUC
Priority date: 2011-01-19
Filing date: 2011-01-19
Publication date: 2012-08-09
Anticipated expiration: 2031-01-19
Also published as: JP5780765B2

Abstract

【課題】給電の総合効率が高く、低コスト化が可能であり、二次直流出力電圧の制御が容易な非接触給電システムを提供する。
【解決手段】非接触給電トランス３０の一次側に接続する高周波交流電源にハーフブリッジインバータ２０を用い、非接触給電トランス３０の二次側交流出力の直流変換に倍電圧整流器４０を用いる。ハーフブリッジインバータの交流出力電圧が、フルブリッジインバータの半分に下がるが、倍電圧整流器の出力電圧が全波整流器の２倍になるので、全体としてはインバータ入力電圧と二次側直流電圧との電圧比がほぼ同じとなる。非接触給電トランスの電圧が従来の約半分に下がるので、絶縁とフェライトの損失低減の面で有利である。
【選択図】図２

Description

本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電システムに関し、電力供給における総合効率の向上を図るものである。

非接触給電装置は、一次コイル（送電コイル）と二次コイル（受電コイル）との間の電磁誘導を利用して送電コイルから受電コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池の充電に利用することができ、車両充電用の非接触給電装置に対する需要は、今後、拡大するものと見られている。
車両充電用の非接触給電装置の場合、受電コイルを床の下面に搭載した自動車が、地面に設置された送電コイルの真上に受電コイルが来るように停車して非接触給電が行われるが、送電コイルと受電コイルとの水平方向の位置ずれや上下方向のギャップ長変動により、送電コイルと受電コイルとの間の結合係数が変化する。

下記特許文献１には、結合係数が変化した場合でも、非接触給電トランス（送電コイル＋受電コイル）の給電効率の変化を小さくした非接触給電システムが提案されている。
このシステムは、図１１に示すように、商用交流６４（ＡＣ）を直流に変換する全波整流器６１と、直流から高周波交流を発生するフルブリッジインバータ６３と、非接触給電を行う非接触給電トランス１０と、二次側交流出力を直流に変換する全波整流器７１と、二次電池である負荷７２とを備えている。
このシステムでは、商用交流６４を全波整流器６１で直流に変換し、この直流からフルブリッジインバータ６３で高周波交流を発生させて非接触給電トランス１０に給電し、二次側交流出力を全波整流器７１で直流に変換して、負荷７２（二次電池）に電力を供給している。

特開２０１０−２８８４４１号公報

非接触給電システムは、電力を供給するシステムであるため、給電における総合効率の高さが特に要求される。
従来の非接触給電システムでは、一次側の高周波電源としてフルブリッジインバータを使用し、二次側の整流器として全波整流器を用いているため、電流が流れる経路に存在する半導体素子数が多く、効率改善を図る上で望ましくない。
また、車両充電用の非接触給電システムの普及を図るには、低コスト化が欠かせない。
また、自動車用非接触給電では、ギャップ長変動や位置ずれに起因する非接触給電トランスの結合係数の変化で、一次電圧と二次電圧との比が変化し、そのため二次側整流器の直流出力電圧を制御することが必要になるが、従来の非接触給電システムでは、二次側整流器の直流出力電圧を制御することが難しい。

二次側整流器の直流出力電圧を制御するには、
（１）一次側のインバータの入力の直流電圧を可変にする、
（２）インバータで出力電圧を可変制御する、
（３）二次側に電圧を可変にする装置（例えばＤＣ−ＤＣコンバータ）を入れる、
の３つの方法がある。

従来の非接触給電システムでも、フルブリッジインバータのパルス幅制御を行うことでフルブリッジインバータの出力交流電圧を可変にできるが、この方法を採ると、インバータのソフトスイッチングが不可能になり、インバータのスイッチング損失が増大して効率が低下するという問題がある。
また、従来の非接触給電システムでは、商用交流を全波整流器で整流しているため、誘導障害をもたらす高調波電流が発生し、電力会社が求めている高調波抑制に沿うことができないという問題がある。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、給電の総合効率が高く、低コスト化が可能であり、また、二次直流出力電圧の制御が容易である非接触給電システムを提供することを目的としている。

本発明の非接触給電システムは、非接触給電トランスの一次側に接続する高周波交流電源にハーフブリッジインバータを用い、非接触給電トランスの二次側交流出力の直流変換に倍電圧整流器を用いることを特徴とする。
この非接触給電システムでは、ハーフブリッジインバータの交流出力電圧が、従来のフルブリッジインバータの交流出力電圧の半分に下がるが、二次側の倍電圧整流器の出力電圧が従来の全波整流器の出力電圧に比べて２倍になるので、全体としてはインバータ入力電圧と二次側直流電圧との電圧比がほぼ同じとなる。ハーフブリッジインバータや倍電圧整流器で使用されている半導体素子の数は、フルブリッジインバータや全波整流器での半導体素子数より少ないので、低コスト化が可能である。また、この非接触給電システムでは、非接触給電トランスの電圧が従来の約半分に下がるので、絶縁とフェライトの損失低減の面で有利である。また、この非接触給電システムでは、ハーフブリッジインバータにおいて電流が流れる経路に存在する（常時電流が流れる）半導体素子は１個であり、また、倍電圧整流器においても電流が流れる経路に存在する（常時電流が流れる）半導体素子が１個であるため、フルブリッジインバータ及び全波整流器の組合せで電力を供給する従来のシステムに比べて給電効率が向上する。

また、本発明の非接触給電システムは、ハーフブリッジインバータの直流電源として、高力率昇圧型整流器を用いることを特徴とする。
高力率昇圧型整流器は、交流入力電圧を直流出力電圧に変換するとともに、交流入力電流を正弦波形に整形できるため、高調波の問題が回避できる。

なお、本発明の非接触給電システムでは、高力率昇圧型整流器として、ブリッジを持たないブリッジレス高力率昇圧型整流器を用いても良い。

また、本発明の非接触給電システムでは、倍電圧整流器の出力電圧の調整を高力率昇圧型整流器の出力電圧調整で行うことができる。
高周波交流電源として用いるハーフブリッジインバータの入力直流電圧を変えて倍電圧整流器の出力電圧を調整する。

また、本発明の非接触給電システムでは、高力率昇圧型整流器の出力電圧を調整する場合、ハーフブリッジインバータまたは倍電圧整流器の出力電圧をフィードバック入力として高力率昇圧型整流器の定電圧制御を行う定電圧制御回路を設け、この定電圧制御回路の出力電圧に基づいて高力率昇圧型整流器の通流率（デューティ）を制御する。

また、本発明の非接触給電システムでは、高力率昇圧型整流器の出力電圧を調整する場合、ハーフブリッジインバータまたは倍電圧整流器の出力電流をフィードバック入力として高力率昇圧型整流器の定電流制御を行う定電流制御回路を設け、この定電流制御回路の出力電圧に基づいて高力率昇圧型整流器の通流率を制御する。
こうした方法で高力率昇圧型整流器の出力電圧を制御し、倍電圧整流器の出力電圧を調整することができる。

また、本発明の非接触給電システムでは、非接触給電トランスの一次側には直列コンデンサを、二次側には倍電圧整流器との間に並列コンデンサを接続する。
このようにコンデンサを接続することで非接触給電トランスを理想トランスと等価にすることができ、非接触給電トランスの設計が容易になる。

また、本発明の非接触給電システムでは、非接触給電トランスの一次側が地上に設置され、二次側が自動車や搬送車や移動ロボットなどの移動体に設置される。
移動体に電線を接続しなくても、移動体への給電が可能になる。

また、本発明の非接触給電システムでは、倍電圧整流器の出力が二次電池に接続され、二次電池の充電に必要な一連の制御が高力率昇圧型整流器の通流率を制御することで行われる。
移動体に搭載された二次電池を充電する際の電圧制御が、地上側の高力率昇圧型整流器を制御して行われる。

本発明の非接触給電システムは、従来のシステムに比べて、給電の総合効率を高めることができる。また、コストの低減が可能である。また、高力率昇圧型整流器を用いているため、高調波が発生せず、商用電源との接続性に優れている。また、二次側の二次電池を充電する際の電圧制御が容易である。

本発明の実施形態に係る車両充電用の非接触給電システムを示す図図１の非接触給電システムの回路図図１の非接触給電システムの第１の変形回路図図１の非接触給電システムの第２の変形回路図図１の非接触給電システムの第１の制御回路構成を示す図図１の非接触給電システムの第２の制御回路構成を示す図図１の非接触給電システムの第３の制御回路構成を示す図図１の非接触給電システムの第４の制御回路構成を示す図ブリッジレス高力率昇圧型整流器の入力電圧及び入力電流のシミュレーション波形を示す図ブリッジレス高力率昇圧型整流器のデューティ比を変えたときの出力電圧可変範囲を示す図従来の非接触給電システムを示す図

図１は、本発明の非接触給電システムをプラグインハイブリッド車の充電に用いたときの形態を模式的に示している。
充電を受けるプラグインハイブリッド車は、エンジン５４とともにモータ５３を駆動源として搭載し、モータ用の電源である二次電池５１と、二次電池の直流を交流に変換してモータに供給するインバータ５２とを備えている。
二次電池５１への給電を行う非接触給電システムは、地上側に、商用電源の交流を直流に変換するとともに、その電圧を可変する可変電圧整流器１０と、直流から高周波交流を生成するインバータ２０と、非接触給電トランス３０の一方である送電コイル３１と、送電コイルに直列接続された直列コンデンサ３２とを備えており、車両側に、非接触給電トランス３０の他方である受電コイル３３と、二次電池のために交流を直流に変換する整流器４０と、受電コイルと整流器との間に並列接続された並列コンデンサ３４とを備えている。

図２は、この非接触給電システムの回路図を示している。
可変電圧整流器１０は、ブリッジを持たないブリッジレス高力率昇圧型整流器１０で構成されている。このブリッジレス高力率昇圧型整流器 (Bridgeless pfc boost rectifiers)は、家庭用エアコンの整流器として用いられており、ＩＧＢＴ素子及びフライホイールダイオードから成るＩＧＢＴモジュールを電力用半導体スイッチとして有し、リアクトルとＩＧＢＴモジュールとダイオードとコンデンサとで構成される二組の昇圧型チョッパで商用交流電圧を任意の直流出力電圧に変換するとともに、交流入力電流を正弦波形に整形する。

ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０が出力する直流から高周波交流を生成するインバータ２０には、二つのＩＧＢＴモジュールを電力用半導体スイッチとして有するハーフブリッジインバータ２０を採用している。ハーフブリッジインバータの交流出力電圧は、４個の電力用半導体スイッチを備えるフルブリッジインバータの半分である。

非接触給電トランス３０は、一次側の送電コイルと二次側の受電コイルとから成り、送電コイルには直列コンデンサが接続し、受電コイルには並列コンデンサが接続している。このように送電コイルに直列コンデンサ、受電コイルに並列コンデンサを接続した場合は、各コンデンサの容量を選択して非接触給電トランスを理想トランスと等価にすることができるので、非接触給電トランスの設計が容易になる。

受電した交流を直流に変換する整流器４０には、倍電圧整流器４０を用いている。倍電圧整流器４０は、二つのダイオードと二つのコンデンサとを用いて入力する交流電圧の尖頭値の２倍近くの直流電圧を出力する。

この非接触給電システムでは、ハーフブリッジインバータ２０の交流出力電圧がフルブリッジインバータの出力の半分に下がるが、倍電圧整流器４０が、出力電圧を全波整流器の出力の２倍に上げるため、二次電池に供給される電圧は、フルブリッジインバータ及び全波整流器を有する従来の非接触給電システムと同じになる。
ハーフブリッジインバータ２０で使用されている電力用半導体スイッチの数は、フルブリッジインバータの使用数の半分であり、倍電圧整流器４０で使用されているダイオードの数は、全波整流器の使用数の半分である。そのため、この非接触給電システムは、低コストで実現できる。

また、この非接触給電システムでは、ハーフブリッジインバータ２０の二つの電力用半導体スイッチに交互に電流が流れるため、電流が流れている電力用半導体スイッチは常に１個である。これに対し、フルブリッジインバータでは、常に二つの電力用半導体スイッチに電流が流れる。そのため、ハーフブリッジインバータの電力用半導体スイッチで消費される電力は、フルブリッジインバータに比べて少なく、その分、給電効率を高めることができる。
また、倍電圧整流器４０でも同様であり、倍電圧整流器の場合、電流が流れているダイオードは常に１個であり、常に二つのダイオードに電流が流れる全波整流器に比べて、消費電力が少なく、給電効率を高めることができる。

また、ハーフブリッジインバータ２０から出力された交流電圧が非接触給電トランス３０に入力するので、非接触給電トランス３０の電圧は、従来の非接触給電トランスの約半分に下がる。非接触給電トランスのコアにはフェライトが使用されており、このフェライト中の磁束密度は電圧に比例するため、電圧の低下でフェライトの鉄損が減少する。また、絶縁破壊の恐れも減る。

このように、この非接触給電システムは、従来の非接触給電システムに比べて、
（１）給電効率が数％高くなる。
（２）コストの低減が可能である。
（３）商用交流電圧の直流への変換を、高調波を発生しない高力率昇圧型整流器で行っているため、商用電源との接続性に優れている。
という特長を備えている。

なお、ここでは、高力率昇圧型整流器としてブリッジレス高力率昇圧型整流器を用いたが、図３に示すように、ブリッジと一組の昇圧型チョッパとを備える高力率昇圧型整流器６０を用いても良い。
また、図４に示すように、ハーフブリッジインバータ２０と非接触給電トランス３０との間にトランス５０を介在させても良い。このトランス５０は、ハーフブリッジインバータ２０と非接触給電トランス３０との間を絶縁して、この間での電圧比または電流比の変更を可能にしている。

また、この非接触給電システムでは、ハーフブリッジインバータ２０の出力電圧を制御して、二次電池に印加される倍電圧整流器４０の出力電圧を調整することができる。
その制御回路の構成を図５に示している。
この制御回路は、ハーフブリッジインバータ２０の電力用半導体スイッチのオン／オフを駆動する半導体スイッチ駆動手段７４と、周波数ｆ₀に基づいて半導体スイッチ駆動手段の動作を制御する方形波インバータ制御手段７５と、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０の電力用半導体スイッチのオン／オフを駆動する半導体スイッチ駆動手段７１と、半導体スイッチ駆動手段の動作を制御するパルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段７２と、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０を定電圧制御する定電圧制御手段７３とを備えており、定電圧制御手段７３は、ハーフブリッジインバータ２０の出力電圧Ｖ_INをフィードバック入力し、基準電圧Ｖ_IN0とＶ_INとを比較してパルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段７２を制御し、パルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段７２は、ハーフブリッジインバータ２０の入力電圧Ｖ_AC、入力電流Ｉ_AC及び出力電圧Ｖ_DCを参照し、定電圧制御手段７３の指示に従って、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０の通流率（デューティ）を変えるように半導体スイッチ駆動手段７１の動作を制御する。
このように、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０を制御して、ハーフブリッジインバータ２０に入力する直流電圧を可変することにより、倍電圧整流器４０の直流出力電圧を調整することができる。

また、図６に示す制御回路は、図５の定電圧制御手段７３に代えて、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０を定電流制御する定電流制御手段７６を備えており、この定電流制御手段７６が、ハーフブリッジインバータ２０の出力電流Ｉ_INをフィードバック入力して基準電流Ｉ_IN0とＩ_INとを比較し、パルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段７２を制御する。その他の構成は、図５と変わりがない。

また、図７に示す制御回路は、定電圧制御手段７３が、倍電圧整流器４０の出力電圧Ｖ_Lをフィードバック入力して基準電圧Ｖ_L0とＶ_Lとを比較し、パルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段７２を制御する。その他の構成は、図５と変わりがない。
なお、図６の定電流制御手段７６が、図７の制御回路のように、倍電圧整流器４０の出力電流をフィードバック入力してパルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段７２を制御するようにしても良い。
また、図８に示す制御回路は、図５の定電圧制御手段７３に代えて、倍電圧整流器４０出力電圧Ｖ_L及び出力電流Ｉ_Lをフィードバック入力してパルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段７２を制御する二次電池充電制御手段７７を備えている。その他の構成は、図５と変わりがない。
このように、この非接触給電システムでは、ハーフブリッジインバータ２０の出力電圧を制御して、倍電圧整流器４０の出力電圧を調整することができる。

図９は、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０の入力電圧Ｖ_AC（１）と入力電流Ｉ_AC（２）のシミュレーション波形を示している。力率は９９％以上であり、入力電流Ｉ_ACはほぼ正弦波で高調波が少ない。
また、図１０は、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０のデューティ比を変えることでブリッジレス高力率昇圧型整流器１０の出力電圧が可変できる範囲を示している。図において（１）はデューティ比を示し、（２）は力率、（３）は効率（％）を示している。
Ｖ_AC＝１００Ｖとして、パルス幅変調の通流率（デューティ）ｄをｄ＝０．９〜０．３４と変化させると、ブリッジレス高力率昇圧型整流器１０の出力電圧Ｖ_Dは、１４０Ｖ〜４００Ｖの範囲で変化する。

このように、この非接触給電システムでは、地上側に設置されるブリッジレス高力率昇圧型整流器１０の出力電圧を変えることで、二次電池に印加される倍電圧整流器４０の出力電圧を容易に調整できる。

本発明の非接触給電システムは、給電効率が高く、コストの低減が可能であり、商用電源との接続性に優れ、また、二次電池に印加される電圧の調整が容易であり、自動車や搬送車や移動ロボットなどの移動体に広く利用することができる。

１０可変電圧整流器（ブリッジレス高力率昇圧型整流器）
２０インバータ（ハーフブリッジインバータ）
３０非接触給電トランス
３１送電コイル
３２直列コンデンサ
３３受電コイル
３４並列コンデンサ
４０整流器（倍電圧整流器）
５０トランス
５１二次電池
５２インバータ
５３モータ
５４エンジン
６０高力率昇圧型整流器
７１半導体スイッチ駆動手段
７２パルス幅変調ブリッジレス整流器制御手段
７３定電圧制御手段
７４半導体スイッチ駆動手段
７５方形波インバータ制御手段
７６定電流制御手段
７７二次電池充電制御手段

Claims

非接触給電トランスの一次側に接続する高周波交流電源にハーフブリッジインバータを用い、非接触給電トランスの二次側交流出力の直流変換に倍電圧整流器を用いることを特徴とする非接触給電システム。
請求項１に記載の非接触給電システムであって、前記ハーフブリッジインバータの直流電源として、高力率昇圧型整流器を用いることを特徴とする非接触給電システム。
請求項２に記載の非接触給電システムであって、前記倍電圧整流器の出力電圧の調整を前記高力率昇圧型整流器の出力電圧調整で行うことを特徴とする非接触給電システム。
請求項３に記載の非接触給電システムであって、前記ハーフブリッジインバータまたは倍電圧整流器の出力電圧をフィードバック入力として前記高力率昇圧型整流器の定電圧制御を行う定電圧制御回路を設け、前記定電圧制御回路の出力電圧に基づいて前記高力率昇圧型整流器の通流率を制御することを特徴とする非接触給電システム。
請求項３に記載の非接触給電システムであって、前記ハーフブリッジインバータまたは倍電圧整流器の出力電流をフィードバック入力として前記高力率昇圧型整流器の定電流制御を行う定電流制御回路を設け、前記定電流制御回路の出力電圧に基づいて前記高力率昇圧型整流器の通流率を制御することを特徴とする非接触給電システム。
請求項１から５のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記非接触給電トランスの一次側には直列コンデンサが、二次側には前記倍電圧整流器との間に並列コンデンサが接続されていることを特徴とする非接触給電システム。
請求項１から６のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記非接触給電トランスの一次側が地上に設置され、二次側が自動車や搬送車や移動ロボットなどの移動体に設置されていることを特徴とする非接触給電システム。
請求項１から６のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記倍電圧整流器の出力が二次電池に接続され、前記二次電池の充電に必要な一連の制御が前記高力率昇圧型整流器の通流率を制御することで行われることを特徴とする非接触給電システム。
請求項２、３、４、５または８のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記高力率昇圧型整流器がブリッジを持たないブリッジレス高力率昇圧型整流器であることを特徴とする非接触給電システム。