JP2015153773A - 非接触給電システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】磁極の長手方向の辺を接して縦列する四個のコイル単体を有する一次側コイルと、縦列する二個のコイル単体を有する二次側コイルと、高周波交流源から高周波交流が供給されるコイル単体を選択する選択手段とを備える。選択手段は、一次側コイルのコイル単体と二次側コイルのコイル単体との対向状況に応じて、一次側コイルの連続する二つのコイル単体、または、一つのコイル単体の両側に位置する二つのコイル単体を選択し、選択した二つのコイル単体に対して、コア部分を通過する磁束の向きが互いに逆向きになるように高周波交流源を接続する。二個のコイル単体を備える二次側コイルが、一次側コイルのコイル単体の縦列方向に位置ずれしても、給電効率の低下が回避できる。
【選択図】図1
Description
この非接触給電方式では、車両の床裏面に搭載された非接触給電トランスの二次側コイル(受電コイル)と、地上側に設置された一次側コイル(送電コイル)とを対向させて、地上側から停車中の車両に非接触で給電が行われる。
この充電システムでは、車両の停車位置が正規の位置からずれて一次側コイルと二次側コイルとの間に位置ずれが生じたときの給電効率の低下を改善することが課題の一つとされている。
両側巻コイルは、円形コアの片側にコイルを配置した従来の片側巻コイルに比べて、磁極の長手方向における位置ずれの許容範囲が大きい。
H型コア構造の両側巻コイルにおける位置ずれの許容範囲は、角型コアを用いた両側巻コイルと略同じであり、磁極の長手方向における位置ずれの許容範囲が大きい。
二個のコイル単体は、図22(a)に示すように直列接続しても、図22(b)に示すように並列接続しても良いが、磁極間のコア部分に巻回された巻線に通電したとき、コア部分を通過する主磁束の向きが、一方のコイル単体と他方のコイル単体とで逆になるように、巻線の巻回方向や、電流の方向(即ち、高周波電源への接続の仕方)を設定する。
こうすることで、二個のコイル単体から成る一次側コイル及び二次側コイルを対向させて給電するときの磁束は、図23のようになり、主磁束の垂直方向の向きが揃うことで、一次側コイルと二次側コイルとの間に作用する磁界が強まり、給電電力が増加する。
一方、二個のコイル単体のそれぞれから発生する漏洩磁界は、十分離れた所では相互に打ち消し合うため、漏洩磁界の大きさが大幅に低下する。
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側コイルの二個のコイル単体46、48と、インバータ44とコイル単体46との間に直列接続する直列コンデンサ45と、コイル単体46とコイル単体48との間に直列接続する直列コンデンサ47とを備えている。
なお、負荷抵抗57はバッテリーを模擬したもので、バッテリーの充電電力PBと充電電圧VBが分かれば、負荷抵抗の値はRB=VB 2/PBと計算できる。
SP方式では、二次側の並列コンデンサ53、54の各値を、非接触給電トランスへの入力周波数f0(=ω0/2π)において、二次側のコイル単体51、52とそれぞれ共振するように設定し、一次側の直列コンデンサ45、47の合成容量の値を、一次側電源の出力力率が1となるように設定する。
非接触給電トランスへのコンデンサ接続方式としては、その他に、一次側に直列コンデンサを接続し、二次側にも直列コンデンサを接続する、“SS方式”と呼ばれる方式も知られている。
コイル単体は、長手方向の辺が互いに並行する二つの磁極と、磁極の間を繋ぐコア部分と、コア部分に巻回された電線と、を備える。
選択手段は、一次側コイルのコイル単体と二次側コイルのコイル単体とが対向する状況に応じて、「一次側コイルの連続する二つのコイル単体」、または、「一次側コイルの連続する三つのコイルのうち中央コイルを除く両端の二つのコイル単体」(「一つのコイル単体の両側にある二つのコイル単体」、あるいは「一つ飛びの二つのコイル単体」とも表現する)を選択し、さらに、選択した二つのコイル単体に対して、コア部分を通過する磁束の向きが互いに逆向きになるように高周波交流源を接続する。
この非接触給電システムでは、縦列する二個のコイル単体を備える二次側コイルが、一次側コイルのコイル単体の縦列方向に位置ずれしても、給電効率の低下が回避できる。
そのため、二次側コイルのコイル単体の各々が、一次側コイルの連続する二つのコイル単体に半分ずつ跨るように位置ずれしている場合でも、給電効率の大幅な低下が避けられる。
このように、連続する二つのコイル単体の駆動と、一つ飛びの二つのコイル単体の駆動とを両方試し、給電効率の高い方に切換えることで、非接触給電の高い給電効率が維持できる。
別の表現をすれば、二次側コイルの対を構成する二つのコイル単体の各々は、磁極の長手方向と直交する方向の磁極幅が異なる前記二つの磁極を有し、二次側コイルの二つのコイル単体は、前記磁極幅の広い方の磁極同士が互いに接するように縦列していることが望ましい。
このように二次側コイルの中央磁極の幅が増えることで、主磁束の磁路長、つまり磁気抵抗が小さくなり、結合係数が大きくなり、給電効率が向上する。
こうすることで、一つのコイル単体の両側にある二つのコイル単体を駆動(後述する“スキップ駆動”)する際に、支障なく実施できる。
縦列するコイル単体の構造が全て同一であると、縦列の中間に位置するコイル単体のインダクタンスは、隣接するコイル単体のコアの影響で、両端に位置するコイル単体のインダクタンスよりも上昇する。高周波電源と接続する一次側の各コイルのインダクタンスの値がほぼ均一であれば、一次側の直列コンデンサの種類を削減できる。そのため、両端に位置するコイル単体の巻数を増やして、中間位置のコイル単体のインダクタンスとバランスさせることが望ましい。
コイル単体としてH型コア構造の両側巻コイルを用いることで一次側コイル及び二次側コイルの小型軽量化が可能になる。
こうすることで、移動体の停止位置が正規の位置から前後方向に大きくずれた場合でも、高い給電効率の非接触給電が可能になる。また、移動体の車幅方向では、両側巻コイルから成るコイル単体の位置ずれの許容範囲が大きいため、車幅方向にずれても高い給電効率が維持できる。
一次側コイルは、H型コア構造のコイル単体の4個から成り、4個のコイル単体が、磁極の長手方向の辺を接して縦列している。二次側コイルは、H型コア構造のコイル単体の2個から成り、2個のコイル単体が、磁極の長手方向の辺を接して、一次側コイルの縦列方向と同一方向に縦列している。一次側コイル及び二次側コイルを構成するコイル単体は同一形状を有している。
一次側コイルの二次側コイルに対向する側の反対側(裏面側)には、裏面側への漏洩磁束を遮断するアルミ板10が配置され、同様に、二次側コイルの裏面側にも漏洩磁束を遮断するアルミ板11が配置されている。
ここでは、一次側コイルの4個のコイル単体をA、B、C、Dで表し、二次側コイルの2個のコイル単体をE、Fで表すことにする。
このシステムでは、一次側コイルのA、B、C、Dのコイル単体の内から、連続する二つのコイル単体(AとB、BとC、または、CとD)、あるいは、一つのコイル単体の両側に位置する二つのコイル単体(AとC、または、BとD)を選択する選択手段を備えている。選択手段は、選択した二つのコイル単体の駆動時におけるコア部分の磁束の向きが互いに逆向きになるように、選択した二つのコイル単体を高周波交流源(図24のインバータ44)に接続する。
また、このシステムでは、SP方式の一次側直列コンデンサの接続数を減らすため、直列コンデンサを分割せずに共用化している。この場合、連続する二つのコイル単体を選択したときと、一つのコイル単体の両側に位置する二つのコイル単体を選択したときとで一次側直列コンデンサの値が変わる場合も生じる。
そのため、このシステムでは、選択手段13が一次側直列コンデンサの切換えを併せて行うようにしている。
選択手段13は、連続するコイル単体Aとコイル単体Bとを選択する場合、図4に示すように、コイル単体A及びコイル単体Bをインバータに正方向接続する。この接続で、駆動時のコイル単体Aとコイル単体Bの磁束の向きは逆向きになる。
なお、連続する二つのコイル単体を駆動する場合を"隣接駆動”と呼ぶことにする。
図6に示すように、コイル単体Bとコイル単体Cとを選択して隣接駆動する場合は、コイル単体B及びコイル単体Cの巻回方向が同一であるため、一方を正方向接続し、他方を逆方向接続する。この接続で、コイル単体Bとコイル単体Cの隣接駆動時の磁束の向きは逆向きになる。
なお、一つのコイル単体を飛ばした二つのコイル単体を駆動する場合を“スキップ駆動”と呼ぶことにする。
図8に示すように、コイル単体Bとコイル単体Dとを選択してスキップ駆動する場合も、コイル単体Bとコイル単体Dの巻回方向が逆であるため、両者をインバータに正方向接続する。この接続で、スキップ駆動時のコイル単体Bとコイル単体Dの磁束の向きは逆向きになる。
図12(a)は、二次側コイルのコイル単体E、Fが、一次側コイルのコイル単体B、Cと対向しているとき(二次側コイルの中心点Oが一次側コイルのコイル単体B、Cの中心磁極PBC付近にあるとき)に、コイル単体B、Cを隣接駆動した場合の磁束の流れを示している。
図12(b)は、二次側コイルのコイル単体E、Fが、一次側コイルのコイル単体A、Bと対向しているとき(二次側コイルの中心点Oが一次側コイルのコイル単体A、Bの中心磁極PAB付近にあるとき)に、コイル単体A、Bを隣接駆動した場合の磁束の流れを示している。なお、二次側コイルのコイル単体E、Fが、一次側コイルのコイル単体C、Dと対向しているときに、コイル単体C、Dを隣接駆動した場合も同様である。
図12(c)に示すように、スキップ駆動では、二つのコイル単体から成る二次側コイルに対して左右対称な磁界が形成される。その結果、一次側コイルと二次側コイルとの間で高い磁気結合が維持され、給電効率の低下が避けられる。
この点は、実験により確かめられている。
この実験装置の仕様を図14に示している。図13の横軸は、図12(a)に示すように、二次側コイルの中心点Oが一次側コイルのコイル単体B、Cの中心磁極PBCの位置にあるときをx=0として、x方向の位置ずれの大きさを表している。図13の縦軸は、非接触給電トランスの給電効率ηTRを表している。
図13から明らかなように、二次側コイルのコイル単体E、Fがコイル単体B、Cに対向している状態でコイル単体B、Cを隣接駆動したときの給電効率は97.6%であり、また、二次側コイルのコイル単体E、Fがコイル単体A、Bに対向している状態でコイル単体A、Bを隣接駆動したときの給電効率も97.6%であり、極めて高い。しかし、コイル単体B、Cの隣接駆動からコイル単体A、Bの隣接駆動に切り替えた点(x=190mm)では、給電効率が大幅に低下している。
図15から明らかなように、スキップ駆動により、隣接駆動の最大効率よりは2.4%程度低いものの、x=190mm付近で、かなり高い給電効率を得ることができる。
これは、段落0020で述べた理由によるものであり、隣接するコイル単体のコアの影響でインダクタンスが上昇する中間位置のコイル単体B、Cと、両端のコイル単体A、Dとのインダクタンスのバランスを取り、選択した二つのコイル単体の一方がAまたはDで、他方がBまたはCであっても、それらのインダクタンスを等しくして、一次側の直列コンデンサの種類を削減できるようにしている。
図12(c)に示すスキップ駆動では、図12(a)(b)と比較して明らかなように、磁束の磁路長が隣接駆動に比べて長くなる。そのため、磁気抵抗が増加し、給電効率が隣接駆動より低くなると考えられる。
二次側コイルの中央の磁極幅を増やせば、相対的に主磁束の磁路長、つまり磁気抵抗が小さくなり、結合係数が大きくなり、給電効率の向上が期待できる。
二次側コイルの中央側の磁極幅を拡大することにより、給電効率が、コイル単体B、Cの隣接駆動区間では平均で0.8%、コイル単体A、Cのスキップ駆動区間では平均で1.2%、コイル単体A、Bの隣接駆動区間では平均で0.6%向上した。
二次側コイルの中央側磁極幅の拡大により、スキップ駆動区間での給電効率が顕著に向上している。また、この中央側磁極幅の拡大により、隣接駆動時の斜め方向の不要なコイル単体間の磁気結合(例えば、図12(c)の状態でコイル単体B、Cの隣接駆動を行ったときのコイル単体Bとコイル単体Fの磁気結合)が抑制され、磁束の乱れが改善されるため、隣接駆動時の給電効率も改善している。
あるいは、事前の測定により、一次側コイル及び二次側コイルの位置ずれと、高い給電効率が得られる駆動との関係を示すデータを把握して記憶・保持し、保持した関係を示すデータをもとに、隣接駆動またはスキップ駆動を選択することも可能である。
ここでは、非接触給電トランスの位置ずれ許容範囲での効率の目標を、ηTR≧92%とし、その範囲を点線で示している。
図18から、隣接駆動だけでは、前後方向位置ずれが160mm<x<200mmの範囲で効率が92%以下となることが分かる。
しかし、図17から、隣接駆動にスキップ駆動を加えると、x=±500mmの範囲で効率が92%以上となることが分かる。この範囲での最低効率は93.5%、平均効率は96.0%であり、高い効率を得ることができる。
一方、左右方向(y方向)の位置ずれがy=±250mmの範囲では、スキップ駆動により効率が低下するコイル切替え点付近においても効率92.1%が達成できている。
そのため、一次側コイルに含まれる複数のコイル単体を、その縦列方向が移動体の進行方向と一致するように地上側に設置し、二次側コイルに含まれる二つのコイル単体を、その縦列方向が移動体の前後方向と一致するように移動体に搭載することにより、電気バスや電気トラック等の大型車両に対する、位置ずれの許容範囲が大きい非接触給電が可能になる。
また、ここでは、4個のコイル単体から成る一次側コイルを示したが、一次側コイルを構成するコイル単体の数は、3以上であれば良い。
また、ここでは、二次側コイルのコイル単体の個数が2個(一対)の場合について説明したが、二次側コイルのコイル単体の個数を2n個(nは整数)に増やしても良い。このように二次側コイルを構成するコイル単体の対を二以上にする場合は、スキップ駆動が支障なく実施できるように、二次側コイルの対(2個のコイル単体)毎にコイル単体1個分の間隔をあけることが望ましい。
図19に、二次側コイルの単体個数が4個(二対)の場合を示している。
11 アルミ板
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 直列コンデンサ
46 コイル単体
47 直列コンデンサ
48 コイル単体
51 コイル単体
52 コイル単体
53 並列コンデンサ
54 並列コンデンサ
55 整流回路
56 平滑コンデンサ
57 負荷抵抗
110 角型フェライトコア
111 巻線
112 磁極部
Claims (8)
- 一次側コイルから、空隙を隔てて対向する二次側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であって、
磁極の長手方向の辺を互いに接して縦列する少なくとも三個のコイル単体を有する前記一次側コイルと、
磁極の長手方向の辺を互いに接して縦列する二個のコイル単体から成る対を少なくとも一対有する前記二次側コイルと、
前記一次側コイルに高周波交流を供給する高周波交流源と、
前記一次側コイルが有するコイル単体の内で、前記高周波交流源から高周波交流が供給されるコイル単体を選択するとともに、選択した前記コイル単体と前記高周波交流源との接続形態を選択する選択手段と、
を備え、
前記コイル単体は、長手方向の辺が互いに並行する二つの磁極と、前記磁極の間を繋ぐコア部分と、該コア部分に巻回された電線と、を備え、
前記選択手段は、前記一次側コイルのコイル単体と前記二次側コイルのコイル単体とが対向する状況に応じて、前記一次側コイルの連続する二つのコイル単体、または、前記一次側コイルの一つのコイル単体の両側に位置する二つのコイル単体を選択し、
前記選択手段は、さらに、選択した前記二つのコイル単体に対して、前記コア部分を通過する磁束の向きが互いに逆向きになるように前記高周波交流源を接続する、
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、
前記選択手段は、
前記二次側コイルの前記対を構成する二つのコイル単体における磁極同士の接する位置が、前記一次側コイルの一つのコイル単体の中心付近に対向している場合に、該一つのコイル単体の両側にある二つのコイル単体を選択し、
その他の場合に、前記二次側コイルの前記二つのコイル単体が主に対向する前記一次側コイルの連続する二つのコイル単体を選択する、
ことを特徴とする非接触給電システム。 - 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、
前記選択手段は、前記二つのコイル単体を選択するに際して、一つのコイル単体の両側にある二つのコイル単体に前記高周波交流源を接続する選択と、連続する二つのコイル単体に前記高周波交流源を接続する選択とを切り替えた後、給電効率の高い方の二つのコイル単体を選択する、
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、
前記二次側コイルの前記対を構成する二つのコイル単体の各々は、磁極の長手方向と直交する方向の磁極幅が異なる前記二つの磁極を有し、
前記二次側コイルの前記二つのコイル単体は、前記磁極幅の広い方の磁極同士が互いに接するように縦列している、
ことを特徴とする非接触給電システム。 - 請求項1または4に記載の非接触給電システムであって、
前記二次側コイルの前記対が、一つ分のコイル単体の間隔を空けて、複数対縦列している、
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、
前記一次側コイルの縦列するコイル単体の両端に位置するコイル単体は、コア部分に巻回された電線の巻数が、前記一次側コイルの他のコイル単体のコア部分に巻回された電線の巻数より多い、
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、
前記コイル単体は、前記磁極の長手方向の長さが、同一方向の前記コア部分の長さよりも長いH型構造を有する、
ことを特徴とする非接触給電システム。 - 請求項1から7のいずれかに記載の非接触給電システムであって、
前記一次側コイルに含まれる複数のコイル単体は、縦列方向が移動体の進行方向と一致するように地上側に設置され、
前記二次側コイルに含まれる前記対を構成する二つのコイル単体は、縦列方向が移動体の前後方向と一致するように該移動体に搭載される、
ことを特徴とする非接触給電システム。
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