JP2015220933A - 非接触給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】受電コイルの拡大を伴わずに高出力化が可能な非接触給電システムを提供する。
【解決手段】地上側が、送電コイル２６と、送電コイルに高周波交流を供給する高周波交流電源２４とを備え、移動体が、受電コイル３１と、受電コイルで受電された高周波交流を整流して出力する倍電流整流器３３と、倍電流整流器で整流された電流により充電される蓄電装置３５とを備え、蓄電装置の定格充電電圧をＶ_L 、受電コイルの許容電流をＩ₂ とするとき、受電コイルの出力電流がＩ₂ で、出力電圧が、全波整流器を用いて整流するときの電圧の２倍に設定され、倍電流整流器から、電圧がＶ_L 、電流が２Ｉ₂ の電力が出力されて蓄電装置が充電される。このシステムでは、受電コイルのサイズを変えずに高出力充電が可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、停車中の移動体に非接触で給電する給電システムに関し、受電コイルの拡大を伴わずに、充電時間の短縮を可能にしたものである。

電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載されたバッテリーの充電には、電気ケーブルとコネクタを用いる方式が採用されているが、近年、利便性や安全性の向上を図るために、ケーブル接続が不要な非接触給電方式による充電の研究が各国で盛んに行われている。
この方式では、図１２に示すように、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）１０２と、地上側に設置された一次側コイル（送電コイル）２０２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。

図１３は、非接触給電システムの回路構成を示している。一次側は、非接触給電トランスの送電コイル１２と、この送電コイル１２に高周波交流を供給する高周波交流源１０と、送電コイル１２と高周波交流源１０との間に直列接続された一次側直列コンデンサ１１とを備えている。二次側は、非接触給電トランスの受電コイル１３と、受電コイル１３が受電した交流を整流する整流器１５と、受電コイル１３と整流器１５との間に直列接続された二次側直列コンデンサ１４と、整流器１５で整流された電流が供給される負荷１６（即ち、蓄電池）とを備えている。
一次側直列コンデンサ１１及び二次側直列コンデンサ１４は、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。一次側及び二次側に直列コンデンサを挿入する方式は“ＳＳ方式”と呼ばれているが、その他に、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“ＳＰ方式”等も知られている。接続するコンデンサの値については、下記特許文献１や下記特許文献２に詳述されている。
整流器１５には、全波整流器が多く用いられている。

特開２００７−１８１１６２号公報 ＷＯ２００７／０２９４３８

車両用の非接触給電システムでは、充電時間の短縮を図るために、高出力による給電が求められている。
しかし、給電出力を高めると、受電コイルの温度が上昇し、動作が不安定になる。それを避けるには受電コイルを大型化しなければならないが、車両に搭載される受電コイルにはサイズの制約が在って思うように大きくすることができない。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、受電コイルの拡大を伴わずに高出力化が可能な非接触給電システムを提供することを目的としている。

本発明は、停止中の移動体に地上側から非接触で給電を行う非接触給電システムであって、地上側が、非接触給電トランスの送電コイルと、送電コイルに高周波交流を供給する高周波交流電源と、高周波交流電源に直流を供給する直流電源と、を備え、移動体が、非接触給電トランスの受電コイルと、受電コイルで受電された高周波交流を整流して出力する倍電流整流器と、倍電流整流器で整流された電流により充電される蓄電装置と、を備えている。そして、蓄電装置の定格充電電圧をＶ_L 、受電コイルの許容電流をＩ₂ とするとき、受電コイルの出力電流がＩ₂ 、出力電圧が、全波整流器を用いて整流するときの電圧の２倍に設定され、倍電流整流器から、電圧がＶ_L 、電流が２Ｉ₂ の電力が出力されて蓄電装置が充電される、ことを特徴とする。
このシステムでは、受電コイルのサイズを変えずに高出力充電が可能である。

また、本発明の非接触給電システムでは、受電コイルの出力条件を満たすように、高周波交流電源の駆動電圧が設定される。
そのため、受電コイルの側の変更は必要ない。

また、本発明の非接触給電システムでは、受電コイルの出力条件を満たすように、送電コイルの巻数を設定しても良い。
受電コイルの巻数は変更する必要が無く、受電コイルのサイズは変わらない。

また、本発明の非接触給電システムでは、送電コイルと高周波交流電源との間に一次側コンデンサを直列接続し、受電コイルと倍電流整流器との間に二次側コンデンサを直列接続する。
ＳＳ方式のコンデンサ接続により、給電効率を高めることができる。

また、本発明の非接触給電システムでは、送電コイルと高周波交流電源との間に一次側コンデンサを直列接続し、受電コイルと倍電流整流器との間に二次側コンデンサを並列接続しても良い。
ＳＰ方式のコンデンサ接続により、給電効率を高めることができる。

また、本発明の非接触給電システムでは、高周波交流電源の出力電圧及び出力電流の位相に基づいて、高周波交流電源の出力周波数を制御する周波数制御手段を設けるようにしても良い。
高周波交流電源の進相状態での運転を回避するため、高周波交流電源の出力周波数が制御される。
この場合、周波数制御手段は、この位相が、最小許容遅れ位相及び最大許容遅れ位相の中央値になるように、高周波交流電源の出力周波数を制御する。
こうすることで、高周波交流電源の進相運転による破損が避けられる。

本発明の非接触給電システムでは、受電コイルの拡大を伴わずに、給電出力を高めることができる。

本発明の実施形態に係る非接触給電システムを示す図 図１の非接触給電システムと全波整流器を用いた場合の比較を示す図 実験装置の仕様を示す図 実験装置のパラメータを示す図、 実験に用いた受電コイルを示す図 入力電圧、入力電流及び出力電流の波形を示す図 図１の非接触給電システムの給電特性を示す図 図１の非接触給電システムのギャップ変動特性を示す図 図１の非接触給電システムの位置ずれ特性（ｘ方向）を示す図 図１の非接触給電システムの位置ずれ特性（ｙ方向）を示す図 図１の非接触給電システムの制御機構を示す図 自動車の非接触給電システムを示す図 従来の非接触給電システムの回路構成を示す図

図１は、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している。
一次側（地上側）は、商用電源２１の交流から直流を生成する直流電源２２と、直流電源２２の出力を平滑化する平滑コンデンサ２３と、直流から高周波交流を生成するインバータ２４と、インバータ２４に直列接続された一次側直列コンデンサ２５と、非接触給電トランスの送電コイル２６と、を備えている。

一方、二次側（車両側）は、非接触給電トランスの受電コイル３１と、受電コイル３１に直列接続された二次側直列コンデンサ３２と、受電コイル３１で受電された交流を整流する倍電流整流器３３と、倍電流整流器３３の出力を平滑化する平滑コンデンサ３４と、蓄電装置を表す負荷３５とを備えている。
なお、ここでは、給電効率を高めるため、ＳＳ方式のコンデンサ接続を採用しているが、ＳＰ方式のコンデンサ接続でも良い。

直流電源２２は、例えば、ＡＣ／ＤＣコンバータとフルブリッジインバータとで構成される。
倍電流整流器３３は、二個のダイオードと二個のリアクトルから成る。倍電流整流器３３の動作は良く知られており（例えば、特開２００８−１２５１９８号公報参照）、入力電圧実効値の（１／２）×２^1/2 倍が出力電圧となり、入力電流実効値の２×２^1/2 倍が出力電流となる。

このシステムでは、蓄電装置３５への出力電圧Ｖ_Lを定格充電電圧に維持し、蓄電装置３５への出力電流Ｉ_Lを高めることで高出力充電を実現している。
このとき、インバータ２４の出力電流を高めたのでは、受電コイル３１のサイズ拡大が必要になるため、このシステムでは、受電コイル３１への入力電流を従来の受電コイル（即ち、サイズを拡大しない受電コイル）に許容される電流に保ち、この受電コイル３１への入力電圧を上げて受電コイル３１への給電電力を高めている。

この受電コイル３の出力電圧の実効値をＶ₂とし、出力電流の実効値をＩ₂（受電コイル３１の許容電流）とすると、倍電流整流器３３の出力電圧値は、（Ｖ₂／２）×２^1/2 となり、出力電流値は、２Ｉ₂×２^1/2 となる。従って、（Ｖ₂／２）×２^1/2の値が蓄電装置３５の定格充電電圧の値を満たすようにＶ₂を設定すれば、受電コイル３１の許容電流の約２倍の電流で蓄電装置３５が充電できる。
なお、受電コイル３１への入力電流を変えずに、受電コイル３１への入力電圧を高めることは、インバータ２４の駆動電圧Ｖ_INを高めたり、送電コイル２６の巻数を設定したりすることで実現できる。いずれの場合も受電コイル３１の変更は必要ない。

図２は、非接触給電システムの受電側の整流器として、倍電流整流器３３を用いた場合の特性と、全波整流器を用いた場合の特性とを対比して示している。全波整流器は、３ｋＷ仕様と、６ｋＷ仕様とに分けて特性を示し、倍電流整流器３３は６ｋＷ仕様の特性を示している。
図２から明らかなように、二次側の整流に全波整流器を用いる場合は、蓄電装置３５への出力電圧Ｖ_Lを定格充電電圧に維持して６ｋＷの高出力充電を実現しようとすると、受電コイル３１の出力電流を、３ｋＷの場合の２倍に高める必要がある。そのため、受電コイル３１のサイズの拡大が必須になる。
しかし、倍電流整流器３３を用いる場合は、受電コイル３１の出力電流の大きさが３ｋＷの全波整流器と同じであり、受電コイル３１の出力電圧の値だけが全波整流器の場合の２倍になっている。従って、受電コイル３１のサイズの拡大は必要ない。
このように、本発明の非接触給電システムでは、受電コイル３１の拡大を伴わずに、給電出力を高めることができる。

次に、この非接触給電システムの特性を測定した実験結果について説明する。
この実験の仕様を図３に示し、各種パラメータの値を図４に示している。また、図５には、受電コイル３１の形状を示している。
図６は、インバータ２４の出力電圧Ｖ_INと出力電流Ｉ_IN、受電コイル３１の出力電流Ｉ₂及び蓄電装置３５への出力電流Ｉ_Lの波形を示している。８．９ＡのＩ₂に対してＩ_Lは略２倍の１７．１Ａとなっており、倍電流整流特性が確認できる。

また、図７は、このシステムの給電特性についてシミュレーションした結果を示している。ここでは、インバータ２４の入力電圧Ｖ_DCを変えたときの蓄電装置３５への出力電流Ｉ_L、蓄電装置３５への出力電力Ｐ₀、及び総合効率ηのシミュレーション結果を点線で示し、実測値を丸や四角でプロットしている。シミュレーション結果と実測値とは良く一致しており、このシステムにより６．６ｋＷの給電が可能であることが分かる。
なお、この実測値は、受電コイル３１と送電コイル２６とが１００ｍｍの間隔（ギャップ）を空けて正対している状態（位置ずれなしの状態）で測定している。

図８は、ギャップが変動したときの特性の変化を示している。ギャップ４０ｍｍ−１４０ｍｍにおける総合効率ηの平均値は８８．３％である。
また、図９、図１０は、位置ずれによる特性の変化を示している。位置ずれ時の総合効率ηは、標準状態（図７の測定時の状態）の総合効率ηから僅かしか減少しておらず、位置ずれ状態でも給電可能であることが分かる。

図１１は、この非接触給電システムにより高効率で安定した給電を行うための制御機構について示している。
このシステムではインバータ２４を使用しているが、一般に、インバータは、出力電流の位相が出力電圧の位相よりも進み位相となる状態（進相状態）が継続すると、スイッチング素子が破壊される危険を有している。そして、非接触給電システムでは、送電コイルと受電コイルとのギャップ長が標準ギャップ長である場合は、出力電流及び出力電圧の位相が略一致しているが、ギャップ長が標準ギャップ長より短くなると出力電流の位相が進み、進相状態となる。逆に、ギャップ長が標準ギャップ長より長い場合は、出力電流の位相が出力電圧の位相より遅れ、効率が低下する。

こうした不都合を避けるために制御機構を設けている。
この制御機構は、インバータ２４を構成するスイッチング素子の組にゲート駆動信号を出力してインバータ２４を駆動するインバータ制御回路５４と、インバータ２４の出力電流のゼロクロス点を検知して出力電流の位相信号を出力するゼロクロス回路５１と、インバータ２４のスイッチング素子に加えられるゲート駆動信号の位相（これはインバータ２４の出力電圧の位相に対応している。）とゼロクロス回路５１から出力されるインバータ出力電流の位相とを比較する位相比較回路５２と、位相比較回路５２の比較結果に基づいてインバータ制御回路５４を制御する周波数制御回路５３とを備えている。

周波数制御回路５３は、インバータ２４の出力電圧に対する出力電流の遅れ位相の最小値を規定する最小許容遅れ位相α_minと、インバータ２４の出力電圧に対する出力電流の遅れ位相の最大値を規定する最大許容遅れ位相α_maxと、α_minとα_maxの中央値α_centerの情報を保持している。
そして、周波数制御回路５３は、位相比較回路５２の比較結果から、出力電圧に対する出力電流の遅れ位相が最小許容遅れ位相α_minに達した場合に、その遅れ位相が中央値α_centerに戻るまで、インバータ２４の駆動周波数を大きくするようにインバータ制御回路５４を制御する。
また、位相比較回路５２の比較結果から、出力電圧に対する出力電流の遅れ位相が最大許容遅れ位相α_maxに達した場合に、その遅れ位相が中央値α_centerに戻るまで、インバータ２４の駆動周波数を小さくするようにインバータ制御回路５４を制御する。
こうした制御により、非接触給電システムを安全、且つ、効率的に動作させることができる。

本発明の非接触給電システムは、受電側コイルのサイズを拡大せずに高出力給電を行うことが可能であり、電気自動車やプラグインハイブリッド車、無人搬送車等、各種移動体の非接触給電に広く利用することができる。

１０ 高周波交流源
１１ 一次側直列コンデンサ
１２ 送電コイル
１３ 受電コイル
１４ 二次側直列コンデンサ
１５ 整流器
１６ 負荷
２１ 商用電源
２２ 直流電源
２３ 平滑コンデンサ
２４ インバータ
２５ 一次側直列コンデンサ
２６ 送電コイル
３１ 受電コイル
３２ 二次側直列コンデンサ
３３ 倍電流整流器
３４ 平滑コンデンサ
３５ 負荷
５１ ゼロクロス回路
５２ 位相比較回路
５４ インバータ制御回路
１０２ 二次側コイル（受電コイル）
２０２ 一次側コイル（送電コイル）

Claims (7)

1. 停止中の移動体に地上側から非接触で給電を行う非接触給電システムであって、
   前記地上側が、
   非接触給電トランスの送電コイルと、
   前記送電コイルに高周波交流を供給する高周波交流電源と、
   前記高周波交流電源に直流を供給する直流電源と、
   を備え、
   前記移動体が、
   前記非接触給電トランスの受電コイルと、
   前記受電コイルで受電された高周波交流を整流して出力する倍電流整流器と、
   前記倍電流整流器で整流された電流により充電される蓄電装置と、
   を備え、
   前記蓄電装置の定格充電電圧をＶ_L 、前記受電コイルの許容電流をＩ₂ とするとき、 前記受電コイルの出力電流がＩ₂ 、出力電圧が、全波整流器を用いて整流するときの電圧の２倍に設定され、
   前記倍電流整流器から、電圧がＶ_L 、電流が２Ｉ₂ の電力が出力されて前記蓄電装置が充電される、
   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、前記受電コイルの出力条件を満たすように、前記高周波交流電源の駆動電圧が設定される、ことを特徴とする非接触給電システム。
3. 請求項１に記載の非接触給電システムであって、前記受電コイルの出力条件を満たすように、前記送電コイルの巻数が設定される、ことを特徴とする非接触給電システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記送電コイルと前記高周波交流電源との間に一次側コンデンサが直列接続され、前記受電コイルと前記倍電流整流器との間に二次側コンデンサが直列接続されている、ことを特徴とする非接触給電システム。
5. 請求項１から３のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記送電コイルと前記高周波交流電源との間に一次側コンデンサが直列接続され、前記受電コイルと前記倍電流整流器との間に二次側コンデンサが並列接続されている、ことを特徴とする非接触給電システム。
6. 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、前記高周波交流電源の出力電圧及び出力電流の位相に基づいて、前記高周波交流電源の出力周波数を制御する周波数制御手段を備える、ことを特徴とする非接触給電システム。
7. 請求項６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は、前記位相が、最小許容遅れ位相及び最大許容遅れ位相の中央値になるように、前記高周波交流電源の出力周波数を制御する、ことを特徴とする非接触給電システム。