JP2015149803A - 非接触給電システム、非接触給電方法及び二次電池充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触給電の出力を定電圧出力または定電流出力に簡単に切換えることができる非接触給電システムを提供する。【解決手段】交流電源の周波数がｆ0であるとき、二次コイル４７に並列に接続する並列コンデンサ４８の値を、二次コイルと共振するように設定し、一次コイル４６に直列に接続する直列コンデンサ４５の値を、一次側電源力率が１となるように設定したＳＰ方式の非接触給電トランスにおいて、交流電源の周波数を、ｆ0と異なる周波数であって、トランスの出力が定電流出力となる周波数ｆXに設定する。このＳＰ方式の非接触給電トランスでは、交流電源の周波数をｆ0に設定すれば、二次側出力が定電圧出力になり、周波数をｆXに設定すれば、二次側の出力が定電流出力になる。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源で駆動される一次コイルから、空隙を隔てて置かれた二次コイルに電磁誘導作用により電力を給電する非接触給電システム、及び、その非接触給電方法、並びに、その方法を利用して二次電池を充電する二次電池充電方法に関し、定電圧及び定電流での給電を簡単に変換できるようにしたものである。

非接触給電は、電動歯ブラシや電気シェーバー等の電化製品、或いはコードレス電話機や携帯電話機等の電子機器で実用化されており、また、電気自動車や産業用機器への給電手段として注目を集めている。
図７（ａ）は、この非接触給電システムの回路構成の一例を示している。
給電側は、商用電源４１の交流を直流に変換する直流供給部４２と、直流供給部４２の出力を平滑化する平滑コンデンサ４３と、直流を高周波交流に変換するインバータ４４と、この高周波交流が入力する一次コイル（送電コイル）４６と、インバータ４４と一次コイル４５との間に直列接続された一次側直列コンデンサ４５とを備えている。
一方、受電側は、電磁誘導作用により送電コイル４６から電力が給電される二次コイル（受電コイル）４７と、二次コイル４７と並列に接続された二次側並列コンデンサ４８と、二次コイル４７で受電された交流を整流する整流回路４９と、整流回路４９の出力を平滑化する平滑コンデンサ５０と、整流された電流で充電される二次電池５１とを備えており、非接触給電トランスを構成する一次コイル４６及び二次コイル４７を介して、給電側から受電側に給電が行われる。

一次側直列コンデンサ４５及び二次側並列コンデンサ４８は、一次コイルと二次コイルとの間に空隙を有する非接触給電トランスの漏れリアクタンスを補償して給電効率を高めるために接続されている。一次側に直列コンデンサを接続し、二次側に並列コンデンサを接続する方式は“ＳＰ方式”と呼ばれる。
図７（ｂ）に示す非接触給電システムでは、一次側に直列コンデンサ５５を接続し、二次側に直列コンデンサ５８を接続している。この方式は“ＳＳ方式”と呼ばれる。

ＳＰ方式の非接触給電トランスは、図８（ａ）に示す簡略等価回路で表される。
図８（ａ）では、一次コイルの巻数をＮ₁、二次コイルの巻数をＮ₂として、一次側諸量は、巻数比ａ＝Ｎ₁／Ｎ₂で二次側に換算しダッシュをつけて表している。インバータ出力電圧（一次入力電圧）をＶ_IN、インバータ出力電流（一次入力電流）をＩ_IN、負荷電圧（二次出力電圧）をＶ_L、負荷電流（二次出力電流）をＩ_Lで表すと、
Ｖ'_IN＝Ｖ_IN／ａ Ｉ’_IN＝ａ×Ｉ_IN
となる。また、一次自己インダクタンスをＬ₁、二次自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとしている。
ＳＰ方式では、二次側のＣ_pの値は、非接触給電トランスへの入力周波数ｆ₀（＝ω₀／２π）においてＬ₂と共振するように、
（数１） １／Ｃ_p＝ω₀ ²Ｌ₂
と設定され、一次側のＣ_sの値は、一次側電源の出力力率が１となるように、
（数２） １／Ｃ_s＝ａ²／Ｃ’_s＝ω₀ ²（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
と設定される。

一次入力電圧Ｖ'_IN、一次入力電流Ｉ'_IN、二次出力電圧Ｖ_L、二次出力電流Ｉ_Lの関係は、Ｆ行列を用いて（数３）のように表すことができる。
図８（ａ）に示すように、簡略等価回路をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅに５分割すると、Ｆ行列は、（数４）に示すように、Ａ・Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅの積で表される。
また、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅの各行列は、ｆ₀＝ω₀／２πのとき（数５）で表される。

ＳＰ方式のＦ行列は、（数６）のようになる。
このＦ行列では、
Ｆ₁₂＝Ｆ₂₁＝０
Ｆ₁₁＝１／Ｆ₂₂＝Ｍ／（ａＬ₂）
であるため、
（数７） Ｖ'_IN＝Ｖ_IN／ａ＝（Ｍ／（ａＬ₂））Ｖ_L
Ｖ_IN＝（Ｍ／Ｌ₂）Ｖ_L
となる。
（数７）は、ＳＰ方式の非接触給電トランスを定電圧電源で駆動した場合、二次側の出力が定電圧出力になることを示している。
なお、非接触給電トランスの結合係数ｋは、
ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
で表されるが、Ｍ／ａＬ₂は、一般に結合係数ｋに近い値となる（Ｍ／ａＬ₂≒ｋ）。

図８（ｂ）は、ＳＳ方式の非接触給電トランスの簡略等価回路を示している。
ＳＳ方式では、一次側のＣ_S1の値は、入力周波数ｆ₀においてＬ₁と共振するように、
（数８） １／Ｃ_S1＝ω₀ ²Ｌ₁
と設定され、二次側のＣ_S2の値は、入力周波数ｆ₀においてＬ₂と共振するように、
（数９） １／Ｃ_S2＝ω₀ ²Ｌ₂
と設定される。
簡略等価回路をＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ’に５分割すると、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ’の各行列は、ｆ₀＝ω₀／２πのとき（数１０）のようになり、
Ａ・Ｂ・Ｃ・Ｄ・Ｅ’の積で表されるＦ行列を求めると、（数１１）のようになる。

このＦ行列では、
Ｆ₁₁＝Ｆ₂₂＝０
Ｆ₁₂＝１／Ｆ₂₁＝−ｊω₀Ｍ／ａ
であるため、
（数１２） Ｖ'_IN＝Ｖ_IN／ａ＝Ｆ₁₂・Ｉ_L
Ｖ_IN＝ａ・Ｆ₁₂・Ｉ_L
となる。
（数１２）は、ＳＳ方式の非接触給電トランスを定電圧電源で駆動した場合、二次側の出力が定電流出力になることを示している。

ところで、二次電池、特に、リチウム系二次電池では、充電効率を高め、且つ、過充電を防止するため、定電流で所定電圧まで充電した後、充電終了まで定電圧を保持する“定電流定電圧充電”が行われる。
例えば、下記特許文献１には、非接触給電の受電側の整流器と二次電池との間に充電器を配置して、この充電器が、二次電池に対する定電流定電圧充電を制御するシステムが記載されている。

特開２０１２−１８２８８７号公報

しかし、非接触給電において二次電池を充電する際の充電制御は複雑である。
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、非接触給電の出力を定電圧出力または定電流出力に簡単に切換えることができる非接触給電システム、及び、非接触給電方法を提供し、また、それを利用した二次電池充電方法を提供することを目的としている。

本発明は、空隙を隔てて置かれた一次コイル及び二次コイルで構成されるトランスを備え、交流電源で駆動される一次コイルから、二次コイルに電磁誘導作用により電力が給電される非接触給電システムであって、一次コイルに直列に接続された直列コンデンサＣｓと、二次コイルに並列に接続された並列コンデンサＣｐと、交流電源の周波数を制御する周波数制御手段と、を備え、交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、並列コンデンサの値Ｃｐが、
１／Ｃｐ≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定され、直列コンデンサの値Ｃｓが、
１／Ｃｓ≒（２π×ｆ₀）²×（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
に設定され、給電中の少なくとも一部期間に亘り、交流電源の周波数が、周波数制御手段により、ｆ₀と異なる周波数であって、トランスの出力が定電流出力となる周波数ｆ_Xに設定されることを特徴とする。
このＳＰ方式の非接触給電システムでは、定電圧で駆動される非接触給電トランスの交流電源の周波数をｆ₀に設定すれば、（数３）のＦ行列のＦ₁₂が０になって、二次側の出力が定電圧出力になり、交流電源の周波数を、（数３）のＦ行列のＦ₁₁＝０、Ｆ₁₂≠０を満たす周波数ｆ_Xに設定すれば、二次側の出力が定電流出力になる。

また、本発明の非接触給電システムでは、周波数制御手段が、給電の途中で、交流電源の周波数を、ｆ_Xからｆ₀、または、その逆に切換える。
この切換えにより、二次側の出力を定電流出力から定電圧出力に変えたり、その逆に変えたりすることができる。

また、本発明のＳＰ方式の非接触給電システムでは、トランスの結合係数を、
ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
として、
（１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求めることにより、ｆ_Xを、
ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
または、
ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
として設定することができる。

また、本発明のＳＰ方式の非接触給電システムでは、一次コイルの巻数をＮ₁、二次コイルの巻数をＮ₂とし、交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次入力電圧をＶ_IN、二次出力電圧をＶ_Lとするとき、トランスの結合係数を、
ｋ≒ｃ×（Ｎ₂／Ｎ₁）×（Ｖ_IN／Ｖ_L） （但し、ｃは一定の定数）
として、
（１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求めることにより、ｆ_Xを、
ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
または、
ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
として設定することもできる。

また、本発明の非接触給電システムは、一次コイルに直列に接続された直列コンデンサＣ_S1と、二次コイルに直列に接続された直列コンデンサＣ_S2と、交流電源の周波数を制御する周波数制御手段と、を備え、交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、一次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S1が、
１／Ｃ_S1≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₁
に設定され、二次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S2が、
１／Ｃ_S2≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定され、給電中の少なくとも一部期間に亘り、交流電源の周波数が、周波数制御手段により、ｆ₀と異なる周波数であって、トランスの出力が定電圧出力となる周波数ｆ_Yに設定されることを特徴とする。
このＳＳ方式の非接触給電システムでは、定電圧で駆動される非接触給電トランスの交流電源の周波数をｆ₀に設定すれば、（数３）のＦ行列のＦ₁₁が０になって、二次側の出力が定電流出力になり、交流電源の周波数を、（数３）のＦ行列のＦ₁₁≠０、Ｆ₁₂＝０を満たす周波数ｆ_Yに設定すれば、二次側の出力が定電圧出力になる。

また、本発明のＳＳ方式の非接触給電システムでは、トランスの結合係数を、
ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
として、ｆ_Yを、
ｆ_Y≒ｆ₀／（１＋ｋ）^1/2
または、
ｆ_Y≒ｆ₀／（１−ｋ）^1/2
として設定することができる。

また、本発明の非接触給電方法は、一次コイルに直列に直列コンデンサＣｓを接続し、二次コイルに並列に並列コンデンサＣｐを接続し、交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、並列コンデンサの値Ｃｐを、
１／Ｃｐ≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定し、直列コンデンサの値Ｃｓを、
１／Ｃｓ≒（２π×ｆ₀）²×（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
に設定し、給電中の少なくとも一部期間に亘り、交流電源の周波数を、ｆ₀と異なる周波数であって、トランスの出力が定電流出力となる周波数ｆ_Xに設定することを特徴とする。
このＳＰ方式の非接触給電では、トランスの交流電源の周波数を、（数３）のＦ行列のＦ₁₁＝０、Ｆ₁₂≠０を満たす周波数ｆ_Xに設定することで、二次側の出力を定電流出力とすることができる。

また、本発明の非接触給電方法は、一次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S1を接続し、二次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S2を接続し、交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、一次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S1を、
１／Ｃ_S1≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₁
に設定し、二次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S2を、
１／Ｃ_S2≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定し、給電中の少なくとも一部期間に亘り、交流電源の周波数を、ｆ₀と異なる周波数であって、トランスの出力が定電圧出力となる周波数ｆ_Yに設定することを特徴とする。
このＳＳ方式の非接触給電では、トランスの交流電源の周波数を、（数３）のＦ行列のＦ₁₁≠０、Ｆ₁₂＝０を満たす周波数ｆ_Yに設定することで、二次側の出力を定電圧出力とすることができる。

また、本発明は、非接触給電システムにより二次電池を充電する二次電池の充電方法であって、一次コイルに直列に直列コンデンサＣｓを接続し、二次コイルに並列に並列コンデンサＣｐを接続し、交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、並列コンデンサの値Ｃｐを、
１／Ｃｐ≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定し、直列コンデンサの値Ｃｓを、
１／Ｃｓ≒（２π×ｆ₀）²×（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
に設定し、二次電池の電圧が所定電圧に達するまでは、交流電源の周波数を、ｆ₀と異なる周波数であって、トランスの出力が定電流出力となる周波数ｆ_Xに設定し、二次電池の電圧が所定電圧に達した後は、交流電源の周波数をｆ₀に設定することを特徴とする。
このように、ＳＰ方式を採る非接触給電トランスの交流電源の周波数を給電途中で変えるだけで、二次電池に対する定電流定電圧充電が可能になる。

また、本発明は、非接触給電システムにより二次電池を充電する二次電池の充電方法であって、一次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S1を接続し、二次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S2を接続し、交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、一次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S1を、
１／Ｃ_S1≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₁
に設定し、二次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S2を、
１／Ｃ_S2≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定し、二次電池の電圧が所定電圧に達するまでは、交流電源の周波数をｆ₀に設定し、二次電池の電圧が所定電圧に達した後は、ｆ₀と異なる周波数であって、トランスの出力が定電圧出力となる周波数ｆ_Yに設定することを特徴とする。
このように、ＳＳ方式を採る非接触給電トランスの交流電源の周波数を給電途中で変えるだけで、二次電池に対する定電流定電圧充電が可能になる。

本発明により、非接触給電の出力を定電圧出力または定電流出力に簡単に切換えることができる。
また、この特性を利用して、二次電池の定電流定電圧充電を簡単に実施することができる。

本発明の実施形態に係る非接触給電システムの回路構成を示す図 給電実験に用いたＳＰ方式の非接触給電回路を示す図 給電実験に用いた非接触給電トランスの定数を示す図 給電実験の結果を示す図 トランス入力インピーダンスの周波数特性を示す図 ＳＳ方式の非接触給電トランスでのシミュレーションの結果を示す図 従来の非接触給電システムの回路構成を示す図 図７の回路の簡易等価回路を示す図

図１は、本発明の実施形態に係るＳＰ方式の非接触給電システム（ａ）、及び、ＳＳ方式の非接触給電システム（ｂ）の回路構成を示している。
これらのシステムでは、インバータ４４を構成するＩＧＢＴのスイッチングのタイミングを切換えてインバータ４４から出力される交流の周波数を制御する周波数制御手段６０を備えている。
これらの回路構成の簡易等価回路は、図８（ａ）（ｂ）に示した回路になる。

ＳＰ方式の非接触給電システムでは、インバータ４４の出力周波数がｆ₀（＝ω₀／２π）であるときの一次コイル４６の自己インダクタンスをＬ₁、二次コイル４７の自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、並列コンデンサ４８の値Ｃｐは、
（数１） １／Ｃｐ＝（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定され、直列コンデンサ４５の値Ｃｓは、
（数２） １／Ｃｓ＝（２π×ｆ₀）²×（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
に設定される。
この場合、インバータ４４の出力周波数がｆ₀であれば、先に説明したように、（数３）のＦ行列のＦ₁₂が０になり、二次側の出力が定電圧出力になる。

この回路では、周波数ｆ₀以外の周波数で駆動した場合に、（数３）のＦ行列のＦ₁₁が０になる周波数ｆ_Xが存在する。
ｆ_Xは（数４）に（数５）を代入し、一般的な周波数ｆにおけるＦ行列を求めた後、周波数ｆ₀で（数１）（数２）を用いて決めたＣ_S、Ｃ_Pの値を代入し、Ｆ₁₁の値を０とする周波数ｆを求めることで導出できる。
ここでは、ｆ_X＝ｆ₁（＝ω₁／２π）と置く。ｆ₁とｆ₀の周波数比を、
ｆ₁／ｆ₀＝α_SP
とするとき、周波数ｆ₁でのＦ行列は、（数１３）のようになる。

この周波数ｆ₁は、結合係数ｋを、
ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
として、ｋのみを係数として含み、（α_SP)²を変数ｙとする二次元方程式（数１４）から求められる。
（数１４） （１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
（数１４）の解は、
ｙ₁＝｛２−ｋ²＋ｋ（４−３ｋ²）^1/2｝／２（１−ｋ²）
ｙ₂＝｛２−ｋ²−ｋ（４−３ｋ²）^1/2｝／２（１−ｋ²）
の二つであり、求める周波数ｆ₁は、
ｆ₁＝ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
ｆ₁＝ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
となる。
交流電源の周波数がｆ₁の場合、（数１３）のＦ行列のＦ₁₁が０であるため、二次側の出力は定電流出力になる。

このように、このＳＰ方式の非接触給電システムでは、周波数制御手段６０が、定電圧駆動するインバータ４４の出力周波数をｆ₀に設定すると、非接触給電トランスの出力が定電圧出力になり、また、インバータ４４の出力周波数をｆ₁に設定すると、非接触給電トランスの出力が定電流出力になる。
そのため、ＳＰ方式の非接触給電システムにより二次電池を充電する場合、二次電池の電圧が所定電圧に達するまで、交流電源の周波数をｆ₁に設定し、二次電池の電圧が所定電圧に達した後、交流電源の周波数をｆ₀に維持することで定電流定電圧充電が可能になる。

なお、ＳＰ方式の非接触給電システムでは、一次コイルの巻数がＮ₁、二次コイルの巻数がＮ₂、交流電源の周波数がｆ₀のときの一次入力電圧がＶ_IN、二次出力電圧がＶ_Lであるとき、トランスの結合係数ｋを、
ｋ＝ｃ×（Ｎ₂／Ｎ₁）×（Ｖ_IN／Ｖ_L） （但し、ｃは一定の定数）
として求め、このｋを用いて（数１４)からｙ₁及びｙ₂を求めても良い。

一方、ＳＳ方式の非接触給電システムでは、インバータ４４の出力周波数がｆ₀（＝ω₀／２π）であるときの一次コイル４６の自己インダクタンスをＬ₁、二次コイル４７の自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、一次コイル４６に接続される直列コンデンサ５５の値Ｃ_S1は、
（数８） １／Ｃ_S1＝（２π×ｆ₀）²×Ｌ₁
に設定され、二次コイル４７に接続された直列コンデンサ５８の値Ｃ_S2は、
（数９） １／Ｃ_S2＝（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
に設定される。
この場合、インバータ４４の出力周波数がｆ₀であれば、先に説明したように、（数３）のＦ行列のＦ₁₁が０になり、二次側の出力が定電流出力になる。

この回路では、周波数ｆ₀以外の周波数で駆動した場合に、（数３）のＦ行列のＦ₁₂が０になる周波数ｆ_Yが存在する。
ｆ_Yは（数４）に（数１０）を代入し、一般的な周波数ｆにおけるＦ行列を求めた後、周波数ｆ₀で（数８）（数９）を用いて決めたＣ_S1、Ｃ_S2の値を代入し、Ｆ₁₂の値を０とする周波数ｆを求めることで導出できる。
ここでは、ｆ_Y＝ｆ₁（＝ω₁／２π）と置く。ｆ₁とｆ₀の周波数比を、
ｆ₁／ｆ₀＝α_SS
とするとき、周波数ｆ₁でのＦ行列は、（数１５）のようになる。

この周波数ｆ₁は、結合係数ｋを、
ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
として、
ｆ₁＝ｆ₀／（１＋ｋ）^1/2
または、
ｆ₁＝ｆ₀／（１−ｋ）^1/2
となる。
交流電源の周波数がｆ₁の場合、（数１５）のＦ行列のＦ₁₂が０であるため、二次側の出力は定電圧出力になる。

このように、ＳＳ方式の非接触給電システムでは、周波数制御手段６０が、定電圧駆動するインバータ４４の出力周波数をｆ₀に設定すると、非接触給電トランスの出力が定電流出力になり、また、インバータ４４の出力周波数をｆ₁に設定すると、非接触給電トランスの出力が定電圧出力になる。
そのため、ＳＳ方式の非接触給電システムで二次電池を充電する場合、二次電池の電圧が所定電圧に達するまで、交流電源の周波数をｆ₀に設定し、二次電池の電圧が所定電圧に達した後、交流電源の周波数をｆ₁に維持することで定電流定電圧充電が可能になる。

次に、本発明を検証した実験結果について説明する。
図２は、給電実験を行ったＳＰ方式の回路を示し、その定数を図３に示している。ｒ₁、ｒ₂は一次コイル、二次コイルの各抵抗を示している。
駆動周波数は、ｆ₀＝１００ｋＨｚ、ｆ₁＝６８．５ｋＨｚ、１４５ｋＨｚとしている。
図４は、トランス入力電圧を一定に保ち、負荷抵抗Ｒ_Bを１４Ω、２８Ω、５６Ωに変えたときの各部の電圧、電流、電力Ｐ_B及び給電効率ηと駆動周波数との関係を示している。
駆動周波数がｆ₀＝１００ｋＨｚの場合、負荷抵抗Ｒ_Bが変化しても負荷電圧Ｖ_Lが略一定であり、定電圧出力特性が確認できる。また、駆動周波数がｆ₁＝６８．５ｋＨｚ及び１４５ｋＨｚの場合、負荷抵抗Ｒ_Bが変化しても負荷電流Ｉ_Lが略一定であり、定電流出力特性が確認できる。

図５は、トランス入力インピーダンスＺ_INの周波数特性を示している。｜Ｚ_IN｜は、定電圧出力となるｆ₀＝１００ｋＨｚにおいて極大となり、定電流出力となるｆ₁＝６８．５ｋＨｚ及び１４５ｋＨｚにおいて極小となる。
図５から、ＳＰ方式の非接触給電では、駆動周波数をトランス入力インピーダンスの山部に設定すれば、トランス出力が定電圧出力となり、谷部に設定すれば、トランス出力が定電流出力になることが分かる。

また、図６は、別の非接触給電トランスでＳＳ方式の給電シミュレーションを行った結果を示している。
駆動周波数は、ｆ₀＝８５ｋＨｚ、ｆ₁＝７７．８ｋＨｚ、９５ｋＨｚとしている。
駆動周波数ｆ₀＝８５ｋＨｚの場合は、インバータ出力電圧を一定（Ｖ_IN＝１６６Ｖ）に保ち、負荷抵抗Ｒ_Bを４．６Ω、９．２Ω及び１８．４Ωに変えても、負荷電流Ｉ_Lはほぼ２０Ａで一定しており、定電流出力特性が確認できる。
また、駆動周波数を、定電圧出力特性を示す駆動周波数のｆ₁＝７７．８ｋＨｚ、９５ｋＨｚに設定して、負荷抵抗Ｒ_Bを４．６Ω、９．２Ω及び１８．４Ωに変えた場合は、負荷電圧Ｖ_Lが約１６０Ｖで一定しており、定電圧出力特性が確認できる。いずれの場合も給電効率ηは高く実用上問題はない。

このように、この非接触給電システムでは、電源周波数の変更だけで、出力側を定電圧駆動から定電流駆動に変更可能であり、充電制御を大幅に簡略化できる。
なお、ここでは、Ｃ_S、Ｃ_P、Ｃ_S1、Ｃ_S2、ｆ₁及びｋを求めるための等式を示しているが、本発明の実施に際しては、それらの値が、等式から得られる値から多少ずれていても実際上支障がない。
また、ここでは、ｋの値を用いてｆ₁を算出する例を示したが、厳密なトランス定数を用いてｆ₁を決定しても良い。
また、二次電池の充電に当たり、二次電池の電圧を検出して周波数制御手段に伝える検出手段を追加し、周波数制御手段が、検出手段の検出結果に基づいて駆動周波数の切換えを行うようにしても良い。

本発明の非接触給電システムは、トランス出力を定電流出力から定電圧出力に切換えたり、その逆に切換えたりすることが簡単に実行可能であり、各種の充電方式を採る二次電池や電気二重層キャパシタ等を充電するために広く用いることができる。

４１ 商用電源
４２ 直流供給部
４３ 平滑コンデンサ
４４ インバータ
４５ 一次側直列コンデンサ
４６ 一次コイル（送電コイル）
４７ 二次コイル（受電コイル）
４８ 二次側並列コンデンサ
４９ 整流回路
５０ 平滑コンデンサ
５１ 二次電池
５５ 一次側直列コンデンサ
５８ 二次側直列コンデンサ
６０ 周波数制御手段

Claims (19)

1. 空隙を隔てて置かれた一次コイル及び二次コイルで構成されるトランスを備え、交流電源で駆動される前記一次コイルから、前記二次コイルに電磁誘導作用により電力が給電される非接触給電システムであって、
   前記一次コイルに直列に接続された直列コンデンサＣｓと、
   前記二次コイルに並列に接続された並列コンデンサＣｐと、
   前記交流電源の周波数を制御する周波数制御手段と、
   を備え、
   前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、
   前記並列コンデンサの値Ｃｐが、
   １／Ｃｐ≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
   に設定され、前記直列コンデンサの値Ｃｓが、
   １／Ｃｓ≒（２π×ｆ₀）²×（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
   に設定され、
   給電中の少なくとも一部期間に亘り、前記交流電源の周波数が、前記周波数制御手段により、前記ｆ₀と異なる周波数であって、前記トランスの出力が定電流出力となる周波数ｆ_Xに設定されることを特徴とする非接触給電システム。
2. 請求項１に記載の非接触給電システムであって、前記周波数制御手段が、給電の途中で、前記交流電源の周波数を、前記ｆ_Xから前記ｆ₀、または、その逆に切換えることを特徴とする非接触給電システム。
3. 請求項１または２に記載の非接触給電システムであって、前記トランスの結合係数を、
   ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
   として、
   （１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
   を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求め、
   前記ｆ_Xを、
   ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
   または、
   ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
   に設定することを特徴とする非接触給電システム。
4. 請求項１または２に記載の非接触給電システムであって、前記一次コイルの巻数をＮ₁、前記二次コイルの巻数をＮ₂とし、前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次入力電圧をＶ_IN、二次出力電圧をＶ_Lとするとき、前記トランスの結合係数を、
   ｋ≒ｃ×（Ｎ₂／Ｎ₁）×（Ｖ_IN／Ｖ_L） （但し、ｃは一定の定数）
   として、
   （１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
   を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求め、
   前記ｆ_Xを、
   ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
   または、
   ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
   に設定することを特徴とする非接触給電システム。
5. 空隙を隔てて置かれた一次コイル及び二次コイルで構成されるトランスを備え、交流電源で駆動される前記一次コイルから、前記二次コイルに電磁誘導作用により電力が給電される非接触給電システムであって、
   前記一次コイルに直列に接続された直列コンデンサＣ_S1と、
   前記二次コイルに直列に接続された直列コンデンサＣ_S2と、
   前記交流電源の周波数を制御する周波数制御手段と、
   を備え、
   前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、
   前記一次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S1が、
   １／Ｃ_S1≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₁
   に設定され、前記二次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S2が、
   １／Ｃ_S2≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
   に設定され、
   給電中の少なくとも一部期間に亘り、前記交流電源の周波数が、前記周波数制御手段により、前記ｆ₀と異なる周波数であって、前記トランスの出力が定電圧出力となる周波数ｆ_Yに設定されることを特徴とする非接触給電システム。
6. 請求項５に記載の非接触給電システムであって、前記周波数制御手段が、給電の途中で、前記交流電源の周波数を、前記ｆ_Yから前記ｆ₀、または、その逆に切換えることを特徴とする非接触給電システム。
7. 請求項５または６に記載の非接触給電システムであって、前記トランスの結合係数を、
   ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
   として、
   前記ｆ_Yを、
   ｆ_Y≒ｆ₀／（１＋ｋ）^1/2
   または、
   ｆ_Y≒ｆ₀／（１−ｋ）^1/2
   に設定することを特徴とする非接触給電システム。
8. 空隙を隔てて置かれた一次コイル及び二次コイルで構成されるトランスを備えた非接触給電システムにより、交流電源で駆動される前記一次コイルから、前記二次コイルに電磁誘導作用により電力を給電する非接触給電方法であって、
   前記一次コイルに直列に直列コンデンサＣｓを接続し、
   前記二次コイルに並列に並列コンデンサＣｐを接続し、
   前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、
   前記並列コンデンサの値Ｃｐを、
   １／Ｃｐ≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
   に設定し、前記直列コンデンサの値Ｃｓを、
   １／Ｃｓ≒（２π×ｆ₀）²×（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
   に設定し、
   給電中の少なくとも一部期間に亘り、前記交流電源の周波数を、前記ｆ₀と異なる周波数であって、前記トランスの出力が定電流出力となる周波数ｆ_Xに設定することを特徴とする非接触給電方法。
9. 請求項８に記載の非接触給電方法であって、給電の途中で、前記交流電源の周波数を、前記ｆ_Xから前記ｆ₀、または、その逆に切換えることを特徴とする非接触給電方法。
10. 請求項８または９に記載の非接触給電方法であって、前記トランスの結合係数を、
    ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
    として、
    （１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
    を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求め、
    前記ｆ_Xを、
    ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
    または、
    ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
    に設定することを特徴とする非接触給電方法。
11. 請求項８または９に記載の非接触給電方法であって、前記一次コイルの巻数をＮ₁、前記二次コイルの巻数をＮ₂とし、前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次入力電圧をＶ_IN、二次出力電圧をＶ_Lとするとき、前記トランスの結合係数を、
    ｋ≒ｃ×（Ｎ₂／Ｎ₁）×（Ｖ_IN／Ｖ_L） （但し、ｃは一定の定数）
    として、
    （１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
    を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求め、
    前記ｆ_Xを、
    ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
    または、
    ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
    に設定することを特徴とする非接触給電方法。
12. 空隙を隔てて置かれた一次コイル及び二次コイルで構成されるトランスを備えた非接触給電システムにより、交流電源で駆動される前記一次コイルから、前記二次コイルに電磁誘導作用により電力を給電する非接触給電方法であって、
    前記一次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S1を接続し、
    前記二次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S2を接続し、
    前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、
    前記一次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S1を、
    １／Ｃ_S1≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₁
    に設定し、前記二次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S2を、
    １／Ｃ_S2≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
    に設定し、
    給電中の少なくとも一部期間に亘り、前記交流電源の周波数を、前記ｆ₀と異なる周波数であって、前記トランスの出力が定電圧出力となる周波数ｆ_Yに設定することを特徴とする非接触給電方法。
13. 請求項１２に記載の非接触給電方法であって、給電の途中で、前記交流電源の周波数を、前記ｆ_Yから前記ｆ₀、または、その逆に切換えることを特徴とする非接触給電方法。
14. 請求項１２または１３に記載の非接触給電方法であって、前記トランスの結合係数を、
    ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
    として、
    前記ｆ_Yを、
    ｆ_Y≒ｆ₀／（１＋ｋ）^1/2
    または、
    ｆ_Y≒ｆ₀／（１−ｋ）^1/2
    に設定することを特徴とする非接触給電方法。
15. 空隙を隔てて置かれた一次コイル及び二次コイルで構成されるトランスを備えた非接触給電システムにより、交流電源で駆動される前記一次コイルから、前記二次コイルに電磁誘導作用により電力を給電し、二次電池を充電する二次電池の充電方法であって、
    前記一次コイルに直列に直列コンデンサＣｓを接続し、
    前記二次コイルに並列に並列コンデンサＣｐを接続し、
    前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、
    前記並列コンデンサの値Ｃｐを、
    １／Ｃｐ≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
    に設定し、前記直列コンデンサの値Ｃｓを、
    １／Ｃｓ≒（２π×ｆ₀）²×（Ｌ₁−Ｍ²／Ｌ₂）
    に設定し、
    前記二次電池の電圧が所定電圧に達するまでは、前記交流電源の周波数を、前記ｆ₀と異なる周波数であって、前記トランスの出力が定電流出力となる周波数ｆ_Xに設定し、前記二次電池の電圧が所定電圧に達した後は、前記交流電源の周波数をｆ₀に設定することを特徴とする二次電池の充電方法。
16. 請求項１５に記載の二次電池の充電方法であって、前記トランスの結合係数を、
    ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
    として、
    （１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
    を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求め、
    前記ｆ_Xを、
    ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
    または、
    ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
    に設定することを特徴とする二次電池の充電方法。
17. 請求項１５に記載の二次電池の充電方法であって、前記一次コイルの巻数をＮ₁、前記二次コイルの巻数をＮ₂とし、前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの一次入力電圧をＶ_IN、二次出力電圧をＶ_Lとするとき、前記トランスの結合係数を、
    ｋ≒ｃ×（Ｎ₂／Ｎ₁）×（Ｖ_IN／Ｖ_L） （但し、ｃは一定の定数）
    として、
    （１−ｋ²）ｙ²−（２−ｋ²）ｙ＋１−ｋ²＝０
    を満たす異なる正の値ｙ₁、ｙ₂を求め、
    前記ｆ_Xを、
    ｆ_X≒ｙ₁ ^1/2×ｆ₀
    または、
    ｆ_X≒ｙ₂ ^1/2×ｆ₀
    に設定することを特徴とする二次電池の充電方法。
18. 空隙を隔てて置かれた一次コイル及び二次コイルで構成されるトランスを備えた非接触給電システムにより、交流電源で駆動される前記一次コイルから、前記二次コイルに電磁誘導作用により電力を給電し、二次電池を充電する二次電池の充電方法であって、
    前記一次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S1を接続し、
    前記二次コイルに直列に直列コンデンサＣ_S2を接続し、
    前記交流電源の周波数がｆ₀であるときの前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ₁、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ₂、相互インダクタンスをＭとするとき、
    前記一次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S1を、
    １／Ｃ_S1≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₁
    に設定し、前記二次コイルに接続された直列コンデンサの値Ｃ_S2を、
    １／Ｃ_S2≒（２π×ｆ₀）²×Ｌ₂
    に設定し、
    前記二次電池の電圧が所定電圧に達するまでは、前記交流電源の周波数を、前記ｆ₀に設定し、前記二次電池の電圧が所定電圧に達した後は、前記ｆ₀と異なる周波数であって、前記トランスの出力が定電圧出力となる周波数ｆ_Yに設定することを特徴とする二次電池の充電方法。
19. 請求項１８に記載の二次電池の充電方法であって、前記トランスの結合係数を、
    ｋ＝Ｍ／（Ｌ₁×Ｌ₂）^1/2
    として、
    前記ｆ_Yを、
    ｆ_Y≒ｆ₀／（１＋ｋ）^1/2
    または、
    ｆ_Y≒ｆ₀／（１−ｋ）^1/2
    に設定することを特徴とする二次電池の充電方法。