JP2012239308A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】結合係数が小さい場合でも効率の良い電力伝送が可能な非接触給電を行い得る非接触給電システムを提供する。
【解決手段】４個のコイル３Ａ〜３Ｄを隣接するコイル（３Ａ，３Ｃ）（３Ｃ，３Ｄ）（３Ｄ，３Ｂ）間に所定の間隔を介して順次並設するとともに、コイル３Ｃ，３ＤとコンデンサＣ５，Ｃ６とでそれぞれ形成する閉回路が共振回路となっている３段の非接触トランスを有する非接触電力伝送部３と、直流電源ＤＣ１が接続され、該直流電源ＤＣ１の直流出力電圧を交流電圧に変換するとともに、変換した交流電圧が非接触電力伝送部３のコイル３Ａに印加されるようにコイル３Ａが接続されてインバータとして駆動される一方の電力変換装置１と、非接触電力伝送部３のコイル３Ｂに接続され、コイル３Ｂを介して印加される交流電圧を直流出力電圧に変換し、該直流出力電圧を直流負荷Ｒ２に印加するコンバータとして駆動される他方の電力変換装置２を有する。
【選択図】図３

Description

本発明は非接触給電システムに関し、特に電力を伝送するために相対向するコイルの間隔が大きい場合に適用して有用なものである。

電気自動車に対する次世代の充電方式として、利便性等の観点から非接触充電技術が注目されている。この種の非接触充電技術としては、電磁誘導による非接触充電技術が最も汎用性があるものとして提案されている。電磁誘導による非接触充電技術においては地上側に配設された固定コイルに車両側に搭載した車載コイルを相対向させて両コイルを介した電磁結合を利用して地上側から車両側へ充電用の電力を供給している。

非接触給電および非接触充電の一例として図６に示すような双方向非接触給電システムが提案されている（非特許文献１参照）。同図に示すように、当該双方向非接触給電システムは、インバータまたはコンバータとして機能する電力変換装置１，２、スイッチＳＷ１，ＳＷ２で交互に選択される直流電源ＤＣ１，ＤＣ２、スイッチＳＷ４，ＳＷ３で交互に選択される負荷Ｒ１，Ｒ２ならびにノイズカット用のリアクトルＬ１，Ｌ２および平滑用のコンデンサＣ３，Ｃ４を有している。

一方側の電力変換装置１と他方側の電力変換装置２とは非接触トランス３を介して電磁結合され、双方向の電力授受を行うようになっている。すなわち、電力変換装置１をインバータとして機能させる場合にはスイッチＳＷ１を投入するとともに、スイッチＳＷ４を投入して電力変換装置２をコンバータとして機能させる。逆の場合には、スイッチＳＷ２を投入するとともに、スイッチＳＷ３を投入して電力変換装置２をインバータとして機能させるとともに、電力変換装置１をコンバータとして機能させる。ここで、非接触トランス３とは、一方側のコイル３Ａと他方側のコイル３Ｂとを分割し、故意にギャップを介して相対向させたトランスをいう。

このように非接触トランス３を介して電力の授受を行わせる場合、漏れ磁束の増大に伴い一方側のコイル３Ａと他方側のコイル３Ｂとの双方と鎖交する磁束が減少し、相互インダクタンスＭが小さくなる。このため、非接触トランス３を用いる非接触給電方式では、１０ｋＨｚ以上の高い周波数ωでコイル電流をスイッチングしたり、コンデンサＣ１，Ｃ２をコイル３Ａ，３Ｂの近傍へ挿入して良好な電力伝送を担保している。加えて、双方向性を保証するため、図５では最もシンプルな構成である直列−直列型のコンデンサ配置として一方側と他方側の回路を同様に構成している。

かかる非接触充電を効率よく行うためには、例えば家側に設置される固定コイルである一方側のコイル３Ａと車載コイルである他方側のコイル３Ｂとの間の間隔をあまり拡大させないことが肝要である。コイル３Ａ，３Ｂ間の間隔が増大すれば両者の結合係数ｋが小さくなり、コイル３Ａ，３Ｂを大型化する等、結合係数ｋを維持させる設計をしない限り、実用的な電力伝送をすることができないからである。すなわち、例えば電磁結合方式の場合には高周波電源側から見た負荷側の合成インピーダンスＺにおいて結合係数ｋが負荷抵抗Ｒの係数となっているので、結合係数ｋが小さくなると、これに伴い無効電力に較べ、伝送される電力の実部が小さくなってしまう。この結果、効率の良い電力伝送を行うことができない。

したがって、非接触給電方式において一次側インバータ出力側から見た負荷側の合成インピーダンスにおいて結合係数ｋが負荷抵抗Ｒの係数とならなければ、結合係数ｋが小さくなっても、すなわち非接触部を構成するため相対向させるコイルの間隔が大きくても実用的な非接触給電が可能になる。

電力中央研究所報告（Ｈ０９０１５）

本発明は、上記従来技術に鑑み、結合係数が小さい場合でも効率の良い電力伝送が可能な非接触給電を行い得る非接触給電システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の構成は次の知見を基礎とするものである。いま、図１に示すような回路を考える。当該回路は自己インダクタンスＬが同じ４個のコイルを間隔を置いて並べることにより、全体として３段の非接触トランスを構成したもので、周波数ωの高周波電源から負荷抵抗Ｒに非接触で電力伝送を行うものである。ここで、各非接触トランス間の結合係数をｋａ、ｋｂとする。また、２番目と３番目のコイルには自己インダクタンスＬと共振するように、式（１）が成立するようなコンデンサＣを接続して閉回路を構成する。

（１／ｊωＣ）＋ｊωＬ＝０ ・・・・（１）
ここで、１番目と２番目のコイル間および３番目と４番目のコイル間の結合係数をともにｋａとし、２番目と３番目のコイル間の結合係数をｋｂとすると各結合係数ｋａ，ｋｂに対応する相互インダクタンスＭａ，Ｍｂは次式（２）、（３）で表わされる。

Ｍａ＝ｋａ・Ｌ ・・・・（２）
Ｍｂ＝ｋｂ・Ｌ ・・・・（３）
ここで、図２に示すような図１の等価回路を考えると、漏れインダクタンスＬａ＋Ｌｂは次式（４）のように示される。

Ｌ＝Ｍａ＋Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｍｂ ・・・・（４）
また、次式（５）
Ｍｂ＜＜Ｌ ・・・・（５）
が成立するとすると、式（１）は次式（６）で表わされる。

（１／ｊωＣ）＋ｊω（Ｍａ＋Ｌａ＋Ｌｂ）≒０ ・・・・（６）
この結果、高周波電源側から見た合成インピーダンスＺは次式（７）で表わされる。

Ｚ≒２ｊω（Ｌａ＋Ｌｂ）＋Ｒ＋（ｋａ／ｋｂ）ｊω（２ｋｂ−ｋａ）Ｌ ・・・・（７）
ここで、例えば、ｋａ／ｋｂ＝２となるように結合係数ｋａ，ｋｂを決めると式（７）は結合係数ｋｂによらず次式（８）で表わされる。
Ｚ＝２ｊω（Ｌａ＋Ｌｂ）＋Ｒ ・・・・（８）

すなわち、合成インピーダンスＺの実部Ｒｅ（Ｚ）＝Ｒとなるので、多段の非接触トランスにおける結合係数の比率を適切に設定してやることにより結合係数が小さくても非接触の電力伝送を良好に成立させることができる。例えば３段の非接触トランスを用いた場合において比率が２：１：２であれば実用的な電力伝送が実現される。

これらの解析結果は、共振周波数が一致した２個以上のＬＣ回路を並設した場合には、結合係数が小さくても有意な非接触電力伝送が実現可能であることを意味している。

本発明は上記知見に基づき、上述の如き目的を達成するもので、その第１の態様は、少なくとも４個のコイルを隣接するコイル間に所定の間隔を介して順次並設するとともに、両端部以外の各コイルと各コイルの両端に接続された各コンデンサでそれぞれ形成する閉回路が共振回路となっている少なくとも３段の非接触トランスを有する非接触電力伝送部と、直流電源が接続され、該直流電源の直流出力電圧を交流電圧に変換するとともに、変換した交流電圧が前記非接触電力伝送部の一端側のコイルに印加されるように前記一端側のコイルが接続されてインバータとして駆動される一方の電力変換装置と、前記非接触電力伝送部の他端側のコイルに接続され、該他端側のコイルを介して印加される交流電圧を直流出力電圧に変換し、該直流出力電圧を直流負荷に印加するコンバータとして駆動される他方の電力変換装置を有することを特徴とする非接触給電システムにある。

本態様によれば、各コイルの間隔を適切にすることにより、非接触電力伝送部における各コイルの結合係数ｋが負荷抵抗Ｒの係数にならないようにすることができる。この結果、多段の非接触トランスの共振回路を構成する隣接するコイル同士の間隔（ギャップ）を大きくすることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する非接触給電システムにおいて、前記一方および他方の電力変換装置は、インバータまたはコンバータの何れか一方として駆動されるとともに、スイッチ手段を介して直流電源および直流負荷がそれぞれ接続されており、インバータ駆動される一方または他方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して前記直流電源が接続され、コンバータ駆動される他方または一方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して直流負荷が接続されるように構成されていることを特徴とする非接触給電システムにある。

本態様によれば、非接触トランスを構成する第２のコイルと第３のコイルとの間隔（ギャップ）を大きくした状態で双方向給電が可能になる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する非接触給電システムにおいて、それぞれの自己インダクタンスが等しい４個のコイルで３段の非接触トランスを形成したことを特徴とする非接触給電システムにある。

本態様によれば最も簡易な構成で双方向給電を行う場合の対称性を良好に担保することができる。

本発明の第４の態様は、第３の態様に記載する非接触給電システムにおいて、前記一端側のコイルとこれに隣接するコイル、該コイルとこれに隣接するコイル、該コイルと前記他端側のコイルの結合係数をＡ，Ｂ，Ｃとするとき、Ａ＝Ｃで且つＡまたはＣとＢとの比が一定になるようにしたことを特徴とする非接触給電システムにある。

本態様によれば、結合係数の絶対値に依存しない双方向給電が可能になる。

本発明の第５の態様は、第１〜第４の態様の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、一方および他方の前記電力変換装置と、前記負荷および直流電源との間に昇降圧コンバータを配設するとともに、一方側から他方側に電力を供給する際には、一方側の昇降圧コンバータを昇圧コンバータとして動作させるとともに他方側の昇降圧コンバータを必要に応じて降圧コンバータとして動作させるように制御する一方、他方側から一方側に電力を供給する際には逆の動作になるように制御するように構成したことを特徴とする非接触給電システムにある。

本態様によれば、インバータとして機能する電力変換装置に入力される直流電圧およびコンバータとして機能する電力変換装置から出力される直流電圧を所望の電圧値に任意に調節することができる。この結果、非接触電力伝送部におけるコイルの結合係数に基づき変化しても一方側と他方側とでの電源電圧および負荷電圧を容易に対称とすることができる。

本発明の第６の態様は、第１〜第５の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、前記一端側のコイルおよび前記一方の電力変換装置は家側に設置され、前記他方側のコイルおよび前記他方の電力変換装置は車両側に搭載されていることを特徴とする非接触給電システムにある。

本態様によれば、一方の電力変換装置が車両に搭載されて移動するものであっても、第２のコイルと第３のコイルとの間隔を大きくとることができるので、両者間の非接触給電を容易に行うことができる。

本発明によれば、高周波電源から見た合成インピーダンスＺの実部Ｒｅ（Ｚ）＝Ｒとなり負荷抵抗Ｒの項を独立に含ませることができるので、結合係数ｋが負荷抵抗Ｒの係数とならない。この結果、非接触部分のコイルの間隔を大きくすることができ、コイルの大型化を招来することなく所定の非接触給電システムの構築を容易にすることができる。

本発明の基礎となる知見を説明するための回路図である。 図１の回路の等価回路図である。 本発明の実施の形態に係る双方向非接触給電システムを示すブロック線図である。 図１に示す双方向非接触給電システムにより一方側から他方側へ電力伝送を行う場合の態様を示すブロック線図である。 図１に示す双方向非接触給電システムにより他方側から一方側へ電力伝送を行う場合の態様を示すブロック線図である。 従来技術に係る双方向非接触給電システムを示すブロック線図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。

図３は本発明の実施の形態に係る双方向非接触給電システムを示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係る双方向非接触給電システムは、図６に示す双方向非接触給電システムと同様に、一方側（図中の左側；以下同じ）と他方側（図中の右側；以下同じ）とが分離されて対称に構成されており、図６に示すシステムの非接触トランス３の代わりに非接触電力伝送部３を構成するとともに昇降圧コンバータ７，８を追加したものである。その他の構成は図６に示す双方向非接触給電システムと同様であるので、図６と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

図３に示すように、非接触電力伝送部３は、４個のコイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを隣接するコイル（３Ａ，３Ｃ）、（３Ｃ，３Ｄ）、（３Ｄ，３Ｂ）間に所定の間隔を介して順次並設するとともに、コイル３Ｃ，３ＤとコンデンサＣ５，Ｃ６とでそれぞれ形成する閉回路が共振回路となっている３段の非接触トランス４，５，６を有している。

ここで、本形態におけるコイル３Ａ〜３Ｄはそれぞれの自己インダクタンスが同一で、かつコイル３Ａ，３Ｃ間、コイル３Ｃ，３Ｄ間、およびコイル３Ｄ，３Ｂ間の結合係数をｋａ，ｋｂ，ｋｃとするとき、比率が２：１：２となるように構成してある。

昇降圧コンバータ７は、一方側で直流電源ＤＣ１および負荷Ｒ１と電力変換装置１との間に接続され、昇降圧コンバータ８は、他方側で直流電源ＤＣ２および負荷Ｒ２と電力変換装置２との間に接続されている。かくして、一方側から他方側に電力を伝送する場合には、スイッチ手段ＳＷ１がＯＮ状態となって直流電源ＤＣ１を昇降圧コンバータ７の入力側に接続するとともにスイッチ手段ＳＷ４がＯＮ状態となって負荷Ｒ２を昇降圧コンバータ８の出力側に接続する。反対に、他方側から一方側に電力を伝送する場合には、スイッチ手段ＳＷ２がＯＮ状態となって直流電源ＤＣ２を昇降圧コンバータ８の入力側に接続するとともにスイッチ手段ＳＷ３がＯＮ状態となって負荷Ｒ１を昇降圧コンバータ７の出力側に接続するように制御される。

かかる昇降圧コンバータ７，８はそのスイッチング制御により、電力変換装置１，２に印加する入力電圧を所定の値に調整するとともに、負荷Ｒ２，Ｒ１に印加する入力電圧を所定の値に調整する。

上述の電力変換装置１，２の所定周波数（例えば１０ｋＨｚ）でのスイッチング、昇降圧コンバータ７，８の電圧調整のためのスイッチングおよびスイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ８の開閉制御は図示しない制御手段により行われる。

上述の如き本形態によれば、一方側から他方側へ電力伝送を行う場合には、インバータとして機能させる一方側の電力変換装置１に、スイッチ手段ＳＷ１を介して一方側の直流電源ＤＣ１を接続し、コンバータとして機能させる他方側の電力変換装置２に、スイッチ手段ＳＷ４を介して他方側の負荷Ｒ２を接続するとともに、他方側から一方側に電力を供給する場合には、他方側の機器と一方側の機器の機能が逆転されるように接続することができるので、双方向の電力伝送を良好に行うことができる。

ここで、本形態の場合には上式（８）が成立している。すなわち、非接触電力伝送部３を介して結合された一方側と他方側とにおいて、一方側の高周波電源から見た他方側の合成インピーダンスＺの実部Ｒｅ（Ｚ）＝Ｒとなり負荷抵抗Ｒ２または負荷抵抗Ｒ１の項を独立に含ませることができる。この結果、結合係数ｋａ，ｋｂ，ｋｃは負荷抵抗Ｒ１，Ｒ２の係数とならない。したがって、非接触電力伝送部３において隣接するコイル３Ａ〜３Ｄ間の間隔を大きくしても充分な効率で電力伝送を行うことができる。

本形態では、電力変換装置１，２のスイッチング周波数をｋＨｚのオーダーとしたが、結合係数ｋａ〜ｋｃが小さくても充分な伝送効率が担保されているので、充分効率の良い電力伝送を行うことができる。

また、本形態では昇降圧コンバータ７，８を具備するので、結合係数ｋａ，ｋｂ，ｋｃの影響で電圧が変動しても電力変換装置１，２の入力電圧または出力電圧を任意に調整することができる。この結果、直流電源ＤＣ１，ＤＣ２や負荷Ｒ１，Ｒ２の性能にかかわらず電力変換装置１，２に対する所望の入出力電圧に調整し得る。この結果、副次的な効果として、複数のバッテリーをユニット化したモジュールで直流電源を形成した場合等、その冗長性を確保し得る。すなわち、例えばバッテリーの放電に伴い出力電圧が単調減少した場合でもその出力電圧の昇圧により定格通りの性能を発揮させることが可能になる。

また、一方側および他方側の具体的な構成は、上述の如き構成を備えていれば、それ以上特別な制限はないが、例えば一方側を家等の固定部とし、他方側を車両とした場合の双方向非接触給電システムとして有用なものとなる。この場合、非接触電力伝送部３のコイル３Ａを家側に、コイル３Ｂを車両側に搭載し、車両の移動によりコイル３Ｃとコイル３Ｄとを相対向させれば良い。ここで、車載側の機器はハイブリッド電気自動車や電気自動車に装備されている機器をそのまま流用できる。特に、車載用のバッテリーは車両走行用のモーターが主な負荷となる。

したがって、一方側を家側とし、他方側を車両として通常は家側から車載バッテリーに充電を行い、非常時に車載バッテリーを電源として家側の負荷の電力を賄う等の使用態様に適用して有用なシステムを構築することができる。また、この場合、車載バッテリーは、通常多数のバッテリーをユニット化したモジュールで形成されているので、その冗長性も確保し得る。

図４は、図３に示す双方向非接触給電システムにより一方側から他方側へ電力伝送を行う場合の態様の一例を示すブロック線図である。同図に示す例では直流電源ＤＣ１の出力電圧を昇降圧コンバータ７で昇圧して電力変換装置１に印加するとともに非接触電力伝送部３を介して他方側に伝送された電力をそのまま（必要に応じ昇降圧コンバータ８により電圧調整を行っても良い）負荷Ｒ２に供給している。

一方、図５は、図３に示す双方向非接触給電システムにより逆に（他方側から一方側へ）電力伝送を行う場合の態様の一例を示すブロック線図である。同図に示す例では直流電源ＤＣ２の出力電圧を昇降圧コンバータ８で昇圧して電力変換装置２に印加するとともに非接触電力伝送部３を介して一方側に伝送された電力をそのまま（必要に応じ昇降圧コンバータ７により電圧調整を行っても良い）負荷Ｒ１に供給している。

このように昇降圧コンバータ７，８を有する場合には、各部の電圧を任意に調節することができ、種々の定格の直流電源ＤＣ１，ＤＣ２や負荷Ｒ１，Ｒ２に柔軟に対応することができるという固有の効果は発揮される。これら昇降圧コンバータ７，８は受電側の電圧値を問わなければ必ずしも必要ではない。

また、結合係数ｋａ，ｋｂ，ｋｃの比率は２：１：２である必要はない。ｋａまたはｋｃとｋｂとの比が一定であればよい。さらに、各コイル３Ａ〜３Ｄの自己インダクタンスが同じである必要もない。

また、上記実施の形態における非接触電力伝送部３は４個のコイル３Ａ〜３Ｄで３段の非接触トランス４〜６を構成するようにしたが、少なくとも４個のコイルで、少なくとも３段の非接触トランスが形成されていれば良い。

本発明は電気自動車と家等の固定設備との間で双方向に電力伝送を行うシステムを構築する産業分野において利用することができる。

１、２ 電力変換装置
３ 非接触電力伝送部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ コイル
４，５，６ 非接触トランス
７，８ 昇降圧コンバータ

Claims (6)

1. 少なくとも４個のコイルを隣接するコイル間に所定の間隔を介して順次並設するとともに、両端部以外の各コイルと各コイルの両端に接続された各コンデンサでそれぞれ形成する閉回路が共振回路となっている少なくとも３段の非接触トランスを有する非接触電力伝送部と、
   直流電源が接続され、該直流電源の直流出力電圧を交流電圧に変換するとともに、変換した交流電圧が前記非接触電力伝送部の一端側のコイルに印加されるように前記一端側のコイルが接続されてインバータとして駆動される一方の電力変換装置と、
   前記非接触電力伝送部の他端側のコイルに接続され、該他端側のコイルを介して印加される交流電圧を直流出力電圧に変換し、該直流出力電圧を直流負荷に印加するコンバータとして駆動される他方の電力変換装置を有することを特徴とする非接触給電システム。
2. 請求項１に記載する非接触給電システムにおいて、
   前記一方および他方の電力変換装置は、インバータまたはコンバータの何れか一方として駆動されるとともに、スイッチ手段を介して直流電源および直流負荷がそれぞれ接続されており、インバータ駆動される一方または他方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して前記直流電源が接続され、コンバータ駆動される他方または一方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して直流負荷が接続されるように構成されていることを特徴とする非接触給電システム。
3. 請求項２に記載する非接触給電システムにおいて、
   それぞれの自己インダクタンスが等しい４個のコイルで３段の非接触トランスを形成したことを特徴とする非接触給電システム。
4. 請求項３に記載する非接触給電システムにおいて、
   前記一端側のコイルとこれに隣接するコイル、該コイルとこれに隣接するコイル、該コイルと前記他端側のコイルの結合係数をＡ，Ｂ，Ｃとするとき、Ａ＝Ｃで且つＡまたはＣとＢとの比が一定になるようにしたことを特徴とする非接触給電システム。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、
   一方および他方の前記電力変換装置と、前記負荷および直流電源との間に昇降圧コンバータを配設するとともに、
   一方側から他方側に電力を供給する際には、一方側の昇降圧コンバータを昇圧コンバータとして動作させるとともに他方側の昇降圧コンバータを必要に応じて降圧コンバータとして動作させるように制御する一方、他方側から一方側に電力を供給する際には逆の動作になるように制御するように構成したことを特徴とする非接触給電システム。
6. 請求項１〜請求項５の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、
   前記一端側のコイルおよび前記一方の電力変換装置は家側に設置され、
   前記他方側のコイルおよび前記他方の電力変換装置は車両側に搭載されていることを特徴とする非接触給電システム。
   

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