JP2012244635A

JP2012244635A - 双方向非接触給電システム

Info

Publication number: JP2012244635A
Application number: JP2011108680A
Authority: JP
Inventors: Takuya Nayuki; 琢弥名雪; Kentaro Fukushima; 健太郎福島; Koshichi Nemoto; 孝七根本
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2011-05-13
Filing date: 2011-05-13
Publication date: 2012-12-10
Anticipated expiration: 2031-05-13
Also published as: JP5641540B2

Abstract

【課題】高電圧駆動であっても良好な伝送効率を維持しつつ対称性も保持して非接触の双方向給電を実現し得る双方向非接触給電システムを提供する。
【解決手段】非接触トランス３のコイル３Ａ，３Ｂに直列および並列に接続されるコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５，Ｃ６を有してコイル３Ａ，３Ｂとの間で共振回路を形成する双方向共振回路５，６と、これらにそれぞれ接続される電力変換装置１，２と、これらに並列に接続された直流電源ＤＣ１，ＤＣ２および負荷Ｒ１，Ｒ２と、電力変換装置１をインバータとして動作させるとともに電力変換装置２をコンバータとして動作させることにより一方向に電力を供給する際には、コンデンサＣ１がコイル３Ａに直列に接続され、コンデンサＣ６がコイル３Ｂに並列に接続されるとともに、反対方向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した。
【選択図】図１

Description

本発明は双方向非接触給電システムに関し、特に高電圧バッテリーを電源とする場合に適用して有用なものである。

近年環境負荷の観点からハイブリッド電気自動車等を含む電気自動車が注目されている。この種の電気自動車は、基本構成として巨大なバッテリーとインバータとを搭載し、加えて家庭用コンセントからの普通充電機能を備えている。

一方、電気自動車への充電技術の一つである非接触給電は屋外でも安全、簡便にエネルギーを伝達できることから、近年特に注目されている。

そこで、非接触給電および非接触充電の一例として図４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、スイッチ手段ＳＷ１，ＳＷ２で交互に選択される直流電源ＤＣ１，ＤＣ２、スイッチ手段ＳＷ４，ＳＷ３で交互に選択される負荷Ｒ２，Ｒ１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手段ＳＷ１を投入するとともに、スイッチ手段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、スイッチ手段ＳＷ２を投入するとともに、スイッチ手段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には一方側と他方側の回路を同様に構成する必要があり、図４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いる。

かかる双方向非接触給電システムにおいて、高い電力伝送効率を維持するため、原則負荷Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は相互リアクタンスωＭよりも小さくする必要がある。負荷Ｒ１，Ｒ２の抵抗値が小さい場合、必然的に直流電源ＤＣ１，ＤＣ２の電圧が１２Ｖ程度の低電圧となる。

電力中央研究所報告（Ｈ０９０１５）

ところで、実際の電気自動車に搭載されるバッテリーは３００Ｖ程度と高電圧である。すなわち、駆動電圧が３００Ｖ程度の電気自動車のバッテリーを利用した双方向非接触給電システムでは、ジュール熱の低減の観点から負荷電流Ｉを小さくする必要がある。このためには、負荷Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を大きくする必要がある。

ところが、図４に示すシステム構成において負荷Ｒ１，Ｒ２の抵抗値を大きくすれば、
高い電力伝送効率を維持させることが困難になる。

本発明は、上記従来技術に鑑み、電源が高電圧であっても良好な伝送効率を維持しつつ対称性も保持して非接触の双方向給電を実現し得る双方向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４に示す非接触トランス３における電力の伝送側のコイル３Ａに直列にコンデンサを接続するとともに受電側のコイル３Ｂに並列に他のコンデンサを接続した場合、すなわち非接触トランス３のコイル３Ａ，３Ｂの両端にコンデンサの直列−並列接続を行った場合を考える。この場合の等価回路において、式（１）が成立するように容量Ｃ（並列に接続した他のコンデンサの容量）と高周波電源の周波数ωを決める。

（１／ｊωＣ）＋ｊωＬ＝０・・・・（１）
なお、上式（１）中、Ｌは非接触トランス３の自己インダクタンスである。

上式（１）が成立している場合には、高周波電源から見たインピーダンスＺは式（２）で表される。
Ｚ＝（１／ｊωＣ_ｐ）＋ｊω（１−ｋ^２）Ｌ＋ｋ^２Ｒ・・・・（２）
なお、上式（２）中、容量Ｃ_ｐは直列に接続したコンデンサの容量、Ｒは受電側の抵抗、ｋは非接触トランス３における結合係数である。

一方、伝送側の電圧をＶ_１、電流をＩ_１、受電側の電圧をＶ_２、電流をＩ_２とするとき式（３）および式（４）の関係が成立している。
Ｖ_２／Ｖ_１＝１／ｋ・・・・（３）
Ｉ_２／Ｉ_１＝ｋ・・・・（４）

したがって、この場合の電力伝送効率は式（５）となる。
Ｐ_２／Ｐ_１＝１・・・・（５）

これらの解析結果を参酌すると、式（５）の通り高い伝送効率を維持しつつ、式（２）の通り負荷Ｒ１，Ｒ２の抵抗値Ｒが大きくても電力伝送が成立するため、直列−並列のコンデンサ配置は高電圧系に適した回路構成であることが分かる。

ただ、この場合には、伝送側と受電側とを逆転させると双方向性を担保することはできない。そこで、高電圧駆動であっても良好な伝送効率を維持しつつ対称性も保持して非接触の双方向給電を実現するためには、さらなる工夫が必要になる。

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、
一方側と他方側とで非接触で双方向の電気エネルギーの授受を行うよう相互に離隔して配設されている前記一方側および他方側のコイルを有する非接触トランスと、
第１および第２のスイッチ手段を介して前記コイルに直列および並列に接続されるコンデンサを有して前記コイルとの間で共振回路を形成する一方側および他方側の双方向共振回路と、
前記双方向共振回路にそれぞれ接続されるとともにインバータおよびコンバータとして動作される一方側および他方側の電力変換装置と、
一方側および他方側で前記各電力変換装置にそれぞれ第３および第４のスイッチ手段を介して並列に接続された直流電源および負荷と、
一方側から他方側に電力を供給する際には、一方側において前記第３のスイッチ手段を制御することにより前記電力変換装置を前記直流電源を電源とするインバータとして動作させるとともに前記双方向共振回路においては前記コンデンサが前記コイルに直列に接続されるように前記第１のスイッチ手段を制御する一方、他方側において前記双方向共振回路の前記コンデンサが前記コイルに並列に接続されるように前記第２のスイッチ手段を制御するとともに前記第４のスイッチ手段を制御して前記電力変換装置を前記負荷に電力を供給するコンバータとして動作させるように制御し、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制御手段とを有することを特徴とする双方向非接触給電システムにある。

本態様によれば、非接触トランスを介して双方向の電力伝送を行う双方向非接触給電システムにおいて、一方側から他方側に電力を供給する場合には、一方側のコンデンサが非接触トランスの一方側のコイルに直列に接続され、他方側のコンデンサが他方側のコイルに並列に接続されるようにしているので、電源が高電圧であっても高い電力伝送効率を維持しつつ所定の電力伝送が可能になる。同時に、他方側から一方側に電力を供給する場合には、他方側のコンデンサが非接触トランスの他方側のコイルに直列に接続され、一方側のコンデンサが一方側のコイルに並列に接続されるようにしているので、双方向性が犠牲にされることはない。このように、電源が高電圧である場合の電力伝送効率を高く維持しつつ非接触トランスを介した双方向電力伝送を良好に行うことができる。

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する双方向非接触給電システムにおいて、
一方側と他方側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、前記制御手段が一方側の昇降圧コンバータを必要に応じて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ものであることを特徴とする双方向非接触給電システムにある。

本態様によれば、電力変換装置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、式（３）より０＜ｋ＜１であることから、受電側の電圧Ｖ_２は伝送側の電圧Ｖ_１よりも高い電圧となるが、受電側の昇降圧コンバータを降圧コンバータとして動作させることにより、定格通りの性能を発揮させることが可能になる。

さらに、特に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には、その冗長性を確保し得る。

本発明の第３の態様は、
第１の態様または第２の態様に記載する双方向非接触給電システムにおいて、
前記非接触トランスの一方側の前記コイルは家側に、他方側の前記コイルは移動により前記一方側のコイルに相対向し得るように車両側にそれぞれ配設されるとともに、前記一方側の前記双方向共振回路、電力変換装置、直流電源および負荷は前記家側に配設され、前記他方側の前記双方向共振回路、電力変換装置、直流電源および負荷は前記車両に搭載されていることを特徴とする双方向非接触給電システムにある。

車両には、補機類に１２Ｖ等を供給する鉛蓄電池と、モーターを駆動させるため３００Ｖ相当の電圧を供給するバッテリーが搭載されている。本態様における直流電源および負荷は後者を対象とする。

本態様によれば、上述の如き理由により、特に高電圧系統となる家と車両間の双方向非接触給電システムとして有用なものとなる。また、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、この場合の冗長性も確保し得る。

本発明によれば、非接触トランスを用いた双方向非接触給電システムにおいて使用する電源が高電圧であっても双方向性を犠牲にすることなく、高い電力伝送効率を維持しつつ双方向の非接触給電が可能になる。

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１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４に示す双方向非接触給電システムと同様に、非接触トランス３により分離されて対称に構成されている一方側（図中の左側；以下同じ）と他方側（図中の右側；以下同じ）とからなり、図４に示すシステムに双方向共振回路５，６および昇降圧コンバータ７，８を追加したものである。その他の構成は図４に示す双方向非接触給電システムと同様であるので、図４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１に示すように、双方向共振回路５，６はコイル３Ａ，３Ｂに直列に接続されたコンデンサＣ１，Ｃ２と、コイル３Ａ，３Ｂに並列に接続されたコンデンサＣ５，Ｃ６とからなり、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端はスイッチ手段ＳＷ５、ＳＷ６で短絡可能に構成されるとともに、コンデンサＣ５，Ｃ６はスイッチ手段ＳＷ７，ＳＷ８によりコイル３Ａ，３Ｂの両端間に選択的に接続可能に構成されている。ここで、一方側から他方側へ電力伝送を行う場合には、スイッチ手段ＳＷ５およびスイッチ手段ＳＷ７がＯＦＦ状態、スイッチ手段ＳＷ６およびスイッチ手段ＳＷ８がＯＮ状態になるように制御される。また、他方側から一方側へ電力伝送を行う場合には、スイッチ手段ＳＷ６およびスイッチ手段ＳＷ８がＯＦＦ状態、スイッチ手段ＳＷ５およびスイッチ手段ＳＷ７がＯＮ状態になるように制御される。かくして、前者の場合には一方側から他方側に向けて非接触トランス３を挟んでコンデンサＣ１およびコンデンサＣ６が直列−並列接続され、後者の場合には他方側から一方側に向けて非接触トランス３を挟んでコンデンサＣ２およびコンデンサＣ５が直列−並列接続される。

かくして一方側と他方側との間での双方向性が担保されると同時に電源が高電圧であっても電力伝送効率を高く維持しつつ非接触トランスを介した非接触給電を行うことができる。

昇降圧コンバータ７は、リアクトルＬ３およびコンデンサＣ７とともに一方側で直流電源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、リアクトルＬ４およびコンデンサＣ８とともに他方側で直流電源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、本形態における非接触トランス３のコイル３Ａ，３Ｂには、電力伝送の方向に沿いコンデンサＣ１，Ｃ６またはコンデンサＣ２，Ｃ５が直列−並列接続されるので、高い電力伝送効率を保持して高い電圧での電力伝送を実現することが可能になる。

さらに、上述の如きコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ５，Ｃ６の直列−並列に関する接続関係はスイッチ手段ＳＷ５〜ＳＷ８の切換えにより一方側と他方側とで対称な構成とすることができるので、双方向性が犠牲にされることもない。

また、本形態では昇降圧コンバータ７，８を具備するので、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対処し得る。特に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には、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、非接触トランス３のコイル３Ａを家側に、コイル３Ｂを車両の移動によりコイル３Ａに相対向し得るように車両側に配設すれば良い。そして、電力変換装置１、双方向共振回路５、昇降圧コンバータ７、直流電源ＤＣ１および負荷Ｒ１を家側の固定機器として配設する。一方、電力変換装置２、双方向共振回路６、昇降圧コンバータ８、直流電源ＤＣ２および負荷Ｒ２は車両側の機器として車両に搭載されている。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。

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２は、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）電力変換装置１に印加するとともにコンデンサＣ１，Ｃ６が直列−並列に接続された非接触トランス３を介して他方側に伝送された電力を昇降圧コンバータ８で適切な負荷電圧に降圧して負荷Ｒ２に供給している。

一方、図３は、図１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）電力変換装置２に印加するとともにコンデンサＣ２，Ｃ５が直列−並列に接続された非接触トランス３を介して一方側に伝送された電力を昇降圧コンバータ７で適切な負荷電圧に降圧して負荷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。

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非接触トランス
３Ａ，３Ｂコイル
５，６双方向共振回路
７，８昇降圧コンバータ

Claims

一方側と他方側とで非接触で双方向の電気エネルギーの授受を行うよう相互に離隔して配設されている前記一方側および他方側のコイルを有する非接触トランスと、
第１および第２のスイッチ手段を介して前記コイルに直列および並列に接続されるコンデンサを有して前記コイルとの間で共振回路を形成する一方側および他方側の双方向共振回路と、
前記双方向共振回路にそれぞれ接続されるとともにインバータおよびコンバータとして動作される一方側および他方側の電力変換装置と、
一方側および他方側で前記各電力変換装置にそれぞれ第３および第４のスイッチ手段を介して並列に接続された直流電源および負荷と、
一方側から他方側に電力を供給する際には、一方側において前記第３のスイッチ手段を制御することにより前記電力変換装置を前記直流電源を電源とするインバータとして動作させるとともに前記双方向共振回路においては前記コンデンサが前記コイルに直列に接続されるように前記第１のスイッチ手段を制御する一方、他方側において前記双方向共振回路の前記コンデンサが前記コイルに並列に接続されるように前記第２のスイッチ手段を制御するとともに前記第４のスイッチ手段を制御して前記電力変換装置を前記負荷に電力を供給するコンバータとして動作させるように制御し、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制御手段とを有することを特徴とする双方向非接触給電システム。
請求項１に記載する双方向非接触給電システムにおいて、
一方側と他方側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、前記制御手段が一方側の昇降圧コンバータを必要に応じて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ものであることを特徴とする双方向非接触給電システム。
請求項１または請求項２に記載する双方向非接触給電システムにおいて、
前記非接触トランスの一方側の前記コイルは家側に、他方側の前記コイルは移動により前記一方側のコイルに相対向し得るように車両側にそれぞれ配設されるとともに、前記一方側の前記双方向共振回路、電力変換装置、直流電源および負荷は前記家側に配設され、前記他方側の前記双方向共振回路、電力変換装置、直流電源および負荷は前記車両に搭載されていることを特徴とする双方向非接触給電システム。