JP2018166394A - Inductive power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘導給電装置に関し、特に電気自動車用の誘導充電装置に関する。 The present invention relates to an inductive power supply apparatus, and more particularly to an inductive charging apparatus for an electric vehicle.
小型バッテリが採用されるなら、電気自動車の製造コスト及び重量は低減される。この重量軽減は電気自動車の走行距離を延長する。しかし、頻繁な充電を必要とする小型バッテリは充電作業の自動化を要求する。これにより、エアギャップを通じて地上コイルから車輌コイルへ電磁エネルギーを供給する公知のワイヤレス充電技術は電気自動車技術において潜在的に非常に重要であることが理解される。 If a small battery is employed, the manufacturing cost and weight of the electric vehicle is reduced. This weight reduction extends the mileage of the electric vehicle. However, small batteries that require frequent charging require automation of charging operations. Thus, it is understood that known wireless charging technology that supplies electromagnetic energy from ground coils to vehicle coils through the air gap is potentially very important in electric vehicle technology.
20kHzというような比較的低い周波数を用いる誘導給電(IPT)技術は電磁波ノイズ問題及びスイッチング損失問題を改善する。しかし、従来のIPT技術において、有効なエアギャップ長及び有効な水平位置ずれ長は非常に短い。本発明者により出願された特許文献1及び2は、車輌コアに巻かれた車輌コイルを移動させるIPT技術を提案している。しかしながら、重い車輌コア及び車輌コイルは大型の昇降装置が必要となる。
Inductive power transfer (IPT) technology using a relatively low frequency such as 20 kHz improves electromagnetic noise problems and switching loss problems. However, in the conventional IPT technology, the effective air gap length and the effective horizontal misalignment length are very short.
従来のワイヤレス充電技術は力率改善のために共振回路を採用する。しかし、漏れインダクタンスとキャパシタとの間を往復する共振電流は、地上コイルから車輌コイルへの有効な電力伝送とは無関係な電力損失を発生させる。さらに、地上コイル及び車輌コイルの各インダクタンス値はそれぞれ、環境変化により変化する。したがって、地上コイル及び車輌コイルの各共振を正確に実現することは簡単では無い。 Conventional wireless charging technology employs a resonant circuit to improve power factor. However, the resonant current reciprocating between the leakage inductance and the capacitor causes power loss that is independent of effective power transfer from the ground coil to the vehicle coil. Further, the inductance values of the ground coil and the vehicle coil change due to environmental changes. Therefore, it is not easy to accurately realize each resonance of the ground coil and the vehicle coil.
本発明の一つの目的は、実用性に優れた誘導給電装置を提供することである。本発明の更に具体的な目的は、製造コスト、電力伝送効率、水平位置ずれマージン、電磁波ノイズなどの点で優れた性能をもつ電気自動車用の誘導給電装置を提供することである。 One object of the present invention is to provide an inductive power feeding device having excellent practicality. A more specific object of the present invention is to provide an induction power feeding device for an electric vehicle having excellent performance in terms of manufacturing cost, power transmission efficiency, horizontal misalignment margin, electromagnetic wave noise, and the like.
本発明の一つの様相によれば、車輌コアの一部である可動コアだけが誘導給電のために地上コアの上に降下する。これにより、優れた特性をもつ誘導給電装置を実現することができる。 According to one aspect of the invention, only the movable core that is part of the vehicle core descends on the ground core for inductive feeding. As a result, an induction power feeding device having excellent characteristics can be realized.
好適には、車輌コアは、車輌の底部に固定された固定コアと、固定コアに磁気的に接続される可動コアとからなる。車輌コイルは固定コアに巻かれる。可動コアは、垂直移動可能な前アーム及び後アームをもつ。回動可能な前アームは固定コアの前端に接触する。回動可能な後アームは固定コアの後端に接触する。車輌の幅方向に延在する前プレートが前アームの先端部に支持される。車輌の幅方向に延在する後プレートが後アームの先端部に支持される。地上コアは、地上コイルが巻かれた中央ロッドと、中央ロッドから前方へ延在する前ロッドと、中央ロッドから後方へ延在する後ロッドとを有する。これにより、十分な位置ずれマージンを実現することができる。 Preferably, the vehicle core includes a fixed core fixed to the bottom of the vehicle and a movable core magnetically connected to the fixed core. The vehicle coil is wound around a fixed core. The movable core has a front arm and a rear arm that are vertically movable. The pivotable forearm contacts the front end of the fixed core. The pivotable rear arm contacts the rear end of the fixed core. A front plate extending in the width direction of the vehicle is supported by the front end portion of the front arm. A rear plate extending in the width direction of the vehicle is supported by the tip of the rear arm. The ground core has a central rod wound with a ground coil, a front rod extending forward from the central rod, and a rear rod extending rearward from the central rod. Thereby, a sufficient misalignment margin can be realized.
本発明のもう一つの様相によれば、地上コイルに電力を供給するトランスミッタと、車輌コイルから受け取る電力を整流するレシーバとが準備される。このトランスミッタは地上コイルの漏れインダクタンスを降圧チョッパのインダクタとして用いる。このレシーバは、車輌コイルの漏れインダクタンスを昇圧チョッパのインダクタとして用いる。これにより、優れた電力伝送効率をもつ誘導給電装置が経済的に実現される。好適には、直列接続された二次インダクタ及び車輌コイルは、トラクションインバータの交流出力端子にダイオードを通じて接続される。昇圧チョッパのインダクタに磁気エネルギーを蓄積する二次トランジスタは、トラクションインバータの下アームトランジスタからなる。昇圧チョッパのインダクタに蓄積された磁気エネルギーを車両用バッテリに出力する出力ダイオードは、トラクションインバータの上アームトランジスタの逆並列ダイオードを含む。これにより、レシーバの製造コストが低減される。 According to another aspect of the present invention, a transmitter for supplying power to the ground coil and a receiver for rectifying the power received from the vehicle coil are provided. This transmitter uses the ground coil leakage inductance as the step-down chopper inductor. This receiver uses the leakage inductance of the vehicle coil as an inductor for the boost chopper. As a result, an inductive power feeder having excellent power transmission efficiency is economically realized. Preferably, the secondary inductor and the vehicle coil connected in series are connected to the AC output terminal of the traction inverter through a diode. The secondary transistor that stores magnetic energy in the inductor of the step-up chopper is a lower arm transistor of a traction inverter. The output diode that outputs the magnetic energy stored in the inductor of the step-up chopper to the vehicle battery includes an anti-parallel diode of the upper arm transistor of the traction inverter. This reduces the manufacturing cost of the receiver.
降圧チョッパを有するトランスミッタ、及び、昇圧チョッパを有するレシーバを有する上記誘導給電装置は非共振動作する。この非共振型の誘導給電装置は電気自動車以外の用途において採用されることができる。レシーバの出力電圧はトランスミッタに印加される一次電圧と本質的に無関係であるため、レシーバは降圧動作を実行することもできる。たとえば、このトランスミッタ及びレシーバを有する非共振型の誘導充電装置はポータブル電子機器に内蔵されるバッテリの充電に好適である。この非共振型の誘導充電装置の一つの利点は、二次コイルと一次コイルとからなる変圧器が大きな電磁結合係数の変化を許容することである。これは、一次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための一次共振周波数の調整、及び、二次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための二次共振周波数の調整が省略できることを意味する。さらに、一次共振キャパシタ及び二次共振キャパシタを省略することができる。たとえば、レシーバを内蔵するスマートホンは、それをプレート状のトランスミッタの上に置くだけで充電される。 The inductive power supply apparatus having a transmitter having a step-down chopper and a receiver having a step-up chopper operates in a non-resonant manner. This non-resonant type inductive power supply apparatus can be employed in applications other than electric vehicles. Since the receiver output voltage is essentially independent of the primary voltage applied to the transmitter, the receiver can also perform a step-down operation. For example, the non-resonant inductive charging device having the transmitter and the receiver is suitable for charging a battery built in a portable electronic device. One advantage of this non-resonant inductive charging device is that a transformer composed of a secondary coil and a primary coil allows a large change in electromagnetic coupling coefficient. This means that the adjustment of the primary resonance frequency for canceling the leakage inductance of the primary coil and the adjustment of the secondary resonance frequency for canceling the leakage inductance of the secondary coil can be omitted. Furthermore, the primary resonant capacitor and the secondary resonant capacitor can be omitted. For example, a smartphone with a built-in receiver can be charged by simply placing it on a plate-like transmitter.
本発明の好適な実施態様が図面を参照して説明される。図面において、文字Hは高さ方向を示し、文字Lは長手方向を示し、文字Wは幅方向を示す。 Preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the letter H indicates the height direction, the letter L indicates the longitudinal direction, and the letter W indicates the width direction.
駐車スペースにおける電気自動車の充電が図1-図9を参照して説明される。図1は駐車スペースに設置される誘導給電(IPT)システムの変圧器100を示す模式垂直断面図である。図2は変圧器100の模式平面図である。変圧器100は地上部1と車輌部2とからなる。地上部1は駐車スペースの地表面に設置され、車輌部2は電気自動車の底部に設置されている。地上部1は地上コア11に巻かれた地上コイル12をもつ。車輌部2は車輌コア21に巻かれた車輌コイル22をもつ。地上コア11及び車輌コア21はパワーフエライトと呼ばれるソフトフエライトにより作製されている。
Charging of the electric vehicle in the parking space will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic vertical sectional view showing a
地上コア11は駐車スペースの長手方向及び幅方向において中央部に配置されている。地上コア11は前ロッド111、後ロッド112、中央ロッド113、前ブロック114、及び後ブロック115からなる。地上コイル12は中央ロッド113に巻かれている。図2に示されるように、前ロッド111、後ロッド112、中央ロッド113、前ブロック114、及び後ブロック115は駐車スペースの長手方向へ一列に配置されている。
The ground core 11 is disposed at the center in the longitudinal direction and the width direction of the parking space. The ground core 11 includes a front rod 111, a
前ブロック114は中央ロッド213の前端を前ロッド111の後端に磁気的に結合している。後ブロック115は中央ロッド113の後端を後ロッド112の前端に磁気的に結合している。前ロッド111及び後ロッド112はそれぞれ、順番に隣接する複数の短ロッドに分割されることができる。
The
前ロッド111、後ロッド112、前ブロック114、及び後ブロック115は、駐車スペースの地表面上に固定されている。中央ロッド113は前ブロック114及び後ブロック115の上部に接している。アルミニウム合金で作製された椀状カバー116が、中央ロッド113、前ブロック114、後ブロック115及び地上コイル12を覆っている。前ロッド111は椀状カバー116から前方へ突出している。後ロッド112はカバー116から後方へ突出している。前ロッド111及び後ロッド112はそれぞれ長板からなる。アルミニウム合金製の保護バー117が前ロッド111及び後ロッド112の両側に沿って延在している。保護バー117はそれぞれ角形の断面をもつ。図3は地上コイル12が巻かれた中央ロッド113の垂直断面を示す。円柱形状の中央ロッド113は軸心m3をもつ。もし可能であれば、前ブロック114、中央ロッド113、後ブロック115及び地上コイル12は、車輌スペース又は道路の表面下に埋設されることが好適である。
The front rod 111, the
車輌部2は車輌コア21に巻かれた車輌コイル22を有する。車輌コア21は、前プレート211、後プレート212、中央ロッド213、前ブロック214、後ブロック215、前アーム216、及び後アーム217からなる。パワーフエライトからなるコア部材211-217はそれぞれ、複数の短いコア部材により構成されることができる。これにより、コア部材211-217が機械衝撃により破損するのを抑制することができる。車輌コイル22は中央ロッド213に巻かれている。中央ロッド213、前ブロック214、及び後ブロック215は車輌の底部に固定されている。円柱形状の中央ロッド213は軸心m2をもつ。
The
中央ロッド213は電気自動車の左座席及び右座席の間を車輌の長手方向へ延在している。中央ロッド213及び車輌コイル22は非磁性のカバーにより覆われている。立方体状の前ブロック214は中央ロッド213の前端と前ロッド211の後端とを磁気的に結合している。立方体状の後ブロック215は中央ロッド213の後端と後ロッド212の前端とを磁気的に結合している。
The
図4は前プレート211、前アーム216、及び中央ロッド213を模式的に示す。図5は前プレート211、前アーム216、及びギヤードモータM1を模式的に示す。図6は前アーム216の水平断面を示す。図7は前プレート211の垂直断面を示す。前プレート211は車輌の幅方向へ延在している。板状の前プレート211は前ロッド111の上面に接している。前プレート211は、上方へ突出する突起218をもつ。
FIG. 4 schematically shows the
板状の前アーム216の2個の下端部は、図2に示されるように前プレート211の突起218を挟んでいる。前アーム216の側面は突起218の側面に接している。図7に示されるように、非磁性金属製のピン226が2個の前アーム216と突起218を貫通している。ピン226は軸心m4をもつ。これにより、前プレート211は垂直面内において回動可能となっている。
Two lower end portions of the plate-like
前アーム216の2個の上端部は車輌コア21の前ブロック214を挟んでいる。前アーム216の側面は前ブロック214の側面に接している。図5に示されるように、軸心m1をもつ軸227が2個の前アーム216及び前ブロック214を貫通している。前アーム216に固定された軸227は、車輌の底板に固定されたギヤードモータM1の軸に連結されている。ギヤードモータM1は前アーム216を垂直面内において回動させる。前アーム216は非充電時に水平方向に延在し、充電時に斜めに延在する。これにより、前プレート211は非充電時に電気自動車の底板付近に上昇し、充電時に地上コア11の前ロッド111に接触する。
Two upper ends of the
図6に示されるように、前アーム216の3つの平坦な表面はアルミ製の補強アーム221に接着されている。同様に、後アーム217も補強アームに接着されている。
As shown in FIG. 6, the three flat surfaces of the
図7に示されるように、前プレート211の下面を除く3つの平坦な表面はアルミ合金製の補強プレート221に接着されている。同様に、後プレート212の下面を除く3つの平坦な表面はアルミ合金製の補強プレートに接着されている。これらの補強アーム及び補強プレートは、渦電流を防止するために、パワーフエライト製の軟磁性コア部材を完全に囲んでいない。
As shown in FIG. 7, the three flat surfaces except the lower surface of the
後アーム217は前アーム216と同一形状をもち、後プレート212は前プレート211と同一形状をもつ。車輌の幅方向へ延在している後プレート212は地上コア11の後ロッド112の上面に接している。突起218と同一形状の突起219が後プレート212の中央部から上方へ突出している。
The
後アーム217の2個の下端部は後プレート212の突起219を挟んでいる。後アーム217の側面は突起219の側面に接している。軸心m4をもつ非磁性ピンが2個の後アーム217と突起219を貫通している。これにより、後プレート212は垂直面内において回動可能となっている。
The two lower ends of the
後アーム217の2個の上端部は後ブロック215を挟んでいる。後アーム217の側面は後ブロック215の側面に接している。軸m1をもつ軸228が2個の後アーム217及び後ブロック215を貫通している。後アーム217に固定されている軸228は、車輌の底板に固定された第2のギヤードモータの軸に連結されている。第2のギヤードモータは後アーム217を垂直面内において回動させる。図1に示されるように、後アーム217は非充電時に水平方向に延在し、充電時に斜めに延在する。これにより、後プレート212は非充電時に電気自動車の底板付近に上昇し、充電時に地上コア11の後ロッド112に接触する。
The two upper ends of the
図8及び図9は車輌コイル22が巻かれた中央ロッド213を示す。中央ロッド213の前端は前ブロック214の後端面に接触している。中央ロッド213の後端は後ブロック215の前端面に接触している。前ブロック214、中央ロッド213、車輌コイル22、及び後ブロック215はアルミ合金で作製された半円筒状のカバー231により覆われている。カバー231の底部は樹脂板230により覆われている。カバー231は、冷却空気流AIRが車輌コイル22の周囲を旋回する空気ダクトとして働く。図略の冷却フアンにより形成された冷却空気流AIRは、カバー231の入り口からカバー231の内部に導入され、カバー231の出口から排出される。案内部材237は冷却空気流AIRを案内する。
8 and 9 show the
互いに分離された4枚の放熱用銅板233が中央ロッド213と車輌コイル22との間に軸方向へ挿入されている。銅板233は、車輌コイル22の外側へ延在する外板部232及び外板部234をもつ。外板部234はカバー231に接している。これにより、中央ロッド213及び車輌コイル22は良好に冷却される。電気絶縁用の樹脂部材235が、互いに隣接する2つの銅板233の間に配置されている。
Four heat-dissipating
車輌バッテリの充電動作が以下に説明される。地上部1は、電力を地上コイル12に供給するトランスミッタと、このトランスミッタを制御する地上コントローラをもつ。車輌部2は、電力を車輌バッテリに供給するレシーバと、このレシーバを制御する車輌コントローラをもつ。
The vehicle battery charging operation is described below. The
地上コントローラは、地上コイル12のインダクタンス値を検出するために、地上コイル12に定期的に交流電流を供給する。電気自動車が地上部1の上に存在する時、地上コイル12のインダクタンス値は増加する。地上コイル12のインダクタンスが所定値を超える時、トランスミッタはバッテリ充電のための交流電流を地上コイル12に供給する。
The ground controller periodically supplies an alternating current to the
車輌コントローラは、車輌コイル22に誘導される交流電圧を検出する。検出された交流電圧が所定値を超える時、車輌コントローラは、前プレート211及び後プレート212が前ロッド111及び後ロッド112の上方に位置していると判定し、電気自動車を停止させる。電気自動車が停止した後、車輌コントローラは前アーム216及び後アーム217を回動させる。これにより、前プレート211が前ロッド111の上面に接触し、後プレート212が後ロッド112の上面に接触する。
The vehicle controller detects an AC voltage induced in the
これにより、車輌コイル22と地上コイル12との磁気結合係数が改善され、車輌コイル22に誘導される二次電圧が上昇する。車輌コイル22に接続されたレシーバは、車輌コイル22の誘導電圧を整流する。整流された電圧は車輌バッテリに印加される。車輌コントローラは、バッテリの充電電流を制御するために、車輌バッテリの充電状態に基づいてレシーバを制御する。
Thereby, the magnetic coupling coefficient between the
車輌バッテリの充電状態が所定レベルを超えた時、車輌コントローラは、前アーム216及び後アーム217を反対方向へ回動させる。これにより、前プレート211及び後プレート212は電気自動車の底板近傍まで上昇する。地上コントローラは、地上コイル12のインダクタンス値が減少する時、送電を停止する。
When the state of charge of the vehicle battery exceeds a predetermined level, the vehicle controller rotates the
この実施例の利点が説明される。まず、閉磁気回路がソフトフエライトコアにより完成されるので、励磁電力は低減される。次に、コイル11及び22が円柱状のロッド113及び213に巻かれるため、銅損が大幅に低減される。次に、車輌コア21の一部だけがスイングされるため、スイングモータはコンパクトになる。さらに、たとえタイヤ圧力の変化により中央ロッド213の高さが変化しても、車輌コア21と地上コア11との間のエアギャップをキャンセルすることができる。次に、車輌コイル22と地上コイル12との間の水平位置ずれマージンが改善される。
The advantages of this embodiment are described. First, since the closed magnetic circuit is completed by the soft ferrite core, the excitation power is reduced. Next, since the
地上部1は、駐車スペースの幅方向の中央部かつ長手方向の中央部に配置される。これにより前進による駐車及び後退による駐車の両方において、地上部1は車輌部2と良好に電磁結合することができる。
The
上記説明されたトランスミッタ及びレシーバの好適例が図10-図12を参照して説明される。共振を利用しないこの誘導給電は非共振誘導給電(NR-IPT)と名付けられる。このNR-IPT回路は、変圧器100、トランスミッタ200、レシーバ300、地上コントローラ500、及び車輌コントローラ600からなる。変圧器100の一次コイルは地上コイル12からなり、変圧器100の二次コイルは車輌コイル22からなる。この実施例において、地上コイル12及び車輌コイル22の間の電磁結合係数kは約0.5に設定されている。
A preferred example of the transmitter and receiver described above will be described with reference to FIGS. This inductive power supply that does not use resonance is named non-resonant inductive power supply (NR-IPT). The NR-IPT circuit includes a
トランスミッタ200は、トランジスタ201、フリーホィーリングダイオード202、インダクタ203、及び地上コイル12からなる。この実施例によれば、インダクタ203は地上コイル12の漏れインダクタンスからなる。地上側の直流電源(図示せず)の+端子はインダクタ203、地上コイル12、及びトランジスタ201を通じて地上側直流電源の−端子に接続されている。ダイオード202のアノード電極は、地上コイル12とトランジスタ201との接続点に接続されている。ダイオード202のカソード電極は、地上側直流電源の+端子に接続されている。言い換えれば、ダイオード202は、インダクタ203を含む地上コイル12と逆並列に接続されている。トランスミッタ200は、交流電流成分及び直流電流成分からなる一次電流をインダクタ203を通じて地上コイル12に供給する。
The
レシーバ300は、トランジスタ301、出力ダイオード302、インダクタ303、及び車輌コイル22からなる。この実施例によれば、インダクタ303は車輌コイル22の漏れインダクタンスからなる。車輌コイル22の一端は、インダクタ303を通じてトランジスタ301のドレイン電極に接続されている。車輌コイル22の他端は、トランジスタ301のソース電極に接続されている。出力ダイオード302のアノード電極はインダクタ303とトランジスタ301との接続点に接続されている。出力ダイオード302のカソード電極はバッテリ400の正極に接続されている。バッテリ400の負極は車輌コイル22の他端に接続されている。昇圧チョッパとして動作するレシーバ300は、車輌コイル22の誘導電圧とインダクタ303の電圧との和をバッテリ400に印加する。
The
このNR-IPTCの充電動作の一例が以下に説明される。地上コントローラ500がトランジスタ201をオンすると、地上コイル12に流れる一次電流I1が増加し、インダクタ203に磁気エネルギーが蓄積される。
An example of the charging operation of the NR-IPTC will be described below. When the
バッテリ400の電圧Vbが所定値未満である時、車輌コントローラ600はレシーバ300を昇圧チョッパとして動作させる。車輌コントローラ600は車輌コイル22に誘導される二次電圧V2が所定値を超える時、トランジスタ301をオンする。これにより、二次電流I2が増加し、インダクタ303に磁気エネルギーが蓄積される。その結果、二次電流I2による変圧器100の磁束変化を補償するため、一次電流I1が増加する。これにより、インダクタ203の磁気エネルギーがさらに増加する。地上コイル12と車輌コイル22の巻数が等しい時、一次電流I1は二次電流I2とほぼ等しい。
When the voltage Vb of the
一次電流I1が所定しきい値I1thを超える時、地上コントローラ500はトランジスタ201をオフする。これにより、一次電流I1はフリーホィーリングダイオード202を通じて循環する。その結果、車輌コイル22に誘導される二次電圧V2はほほゼロとなる。車輌コントローラ600は、二次電圧V2が所定値未満となる時、トランジスタ301をオフする。トランジスタ301がオフされる時、インダクタ303の磁気エネルギーは二次電流I2をダイオード302を通じてバッテリ4に流す。これにより、インダクタ303の磁気エネルギー及び二次電流I2は急速に減少する。その結果、変圧器100の磁束変化を補償するため、一次電流I1が減少する。これは、インダクタ203の磁気エネルギーが低減されることを意味する。
When the primary current I1 exceeds the predetermined threshold value I1th, the
この一次電流I1の強制的な減少は、ダイオード202を通じて流れるフリーホィーリング電流により保存されているインダクタ203の磁気エネルギーが変圧器100を通じて車輌コイル22に伝送されたことを意味する。言い換えれば、トランジスタ301が遮断される時、インダクタ203の磁気エネルギーは、二次電流I2の減少を抑制する。
This forced reduction of the primary current I 1 means that the magnetic energy of the
一次電流I1が所定値未満となる時、地上コントローラ500はトランジスタ201をオンする。これにより、次のサイクルが開始される。バッテリ400の電圧Vbが所定値に達したら、車輌コントローラ600はトランジスタ301のオンを禁止する。車輌コイル22の誘導電圧V2は満充電状態のバッテリ400の電圧よりも常に低い。したがって、満充電状態のバッテリ400がレシーバ300により充電されることはない。その結果、二次電流I2はゼロとなり、一次電流I1を減少する。地上コントローラ500は、もし一次電流I1の増加率が所定値未満となったら、トランジスタ201のオンを禁止する。
When the primary current I1 becomes less than a predetermined value, the
上記充電制御作例によれば、トランジスタ201がオンされる時、トランジスタ301はオンされる。さらに、トランジスタ201がオフされる時、トランジスタ301はオフされる。しかし、他の充電動作例を採用することも可能である。たとえば、車輌コントローラ600は、二次電流I2が所定しきい値I2thを超える時、トランジスタ301をオフすることができる。さらに、車輌コントローラ600は、このしきい値電流値I2thを制御することにより、バッテリ400の充電電流を調整することができる。たとえば、トランジスタ201のスイッチング周波数は20kHzであり、そのデユーティ比は50%である。トランジスタ201及び301は同時的にスイッチングされることが好ましいが、互いに独立に駆動されることもできる。トランジスタ301がトランジスタ201のオン期間にオフすることも可能である。トランジスタ301がトランジスタ201のオフ期間にオンされることも可能である。
According to the charge control example, when the
図11は、トランジスタ201及び301がオンしている蓄積期間を示す。地上側の直流電源(図示せず)はインダクタ203を通じて地上コイル12に直流電圧V1を印加する。地上コイル12を流れる一次電流I1は増加し、インダクタ203は逆起電力V1Lを誘起する。車輌コイル22に誘起される二次電圧V2により、インダクタ303に流れる二次電流I2は増加され、インダクタ303は逆起電力V2Lを発生する。結局、インダクタ203及び303はこの蓄積期間に磁気エネルギーを蓄積する。
FIG. 11 shows an accumulation period in which the
図12はトランジスタ201及び301がオフしている出力期間を示す。インダクタ203に蓄積された磁気エネルギーは、ダイオード202を通じて一次電流I1を循環させる。インダクタ303に蓄積された磁気エネルギーは、ダイオード302を通じてバッテリ400に二次電流I2を流す。二次電流I2が急速に減少するので、一次電流I1も急速に減少する。言い換えれば、インダクタ203に蓄積された磁気エネルギーは変圧器100を通じて二次電流I2の減少を抑制する。結局、インダクタ203及び303に蓄積された磁気エネルギーはこの出力期間にバッテリ400を充電する。
FIG. 12 shows an output period in which the
このNR-IPTによれば、変圧器100の漏れインダクタンスに蓄積される磁気エネルギーがバッテリ400の充電に使用される。したがって、このNR-IPTは、従来の共振式IPTと比べて、スイッチング素子及び共振キャパシタのコスト及び電力損失を減らす。特に、共振キャパシタと漏れインダクタンスとの間を流れる共振電流による電力損失が低減される。
According to this NR-IPT, the magnetic energy stored in the leakage inductance of the
信号機をもつ交差点の直前の道路における電気自動車の充電が図13及び図14を参照して説明される。図13は交差点近傍の車道の一部を示す模式平面図であり、図14はこの車道の垂直断面を模式的に示す。この実施例のIPTシステムは上記駐車スペース用のIPTシステムと本質的に同じである。 The charging of the electric vehicle on the road just before the intersection with traffic lights will be described with reference to FIGS. FIG. 13 is a schematic plan view showing a part of the roadway in the vicinity of the intersection, and FIG. 14 schematically shows a vertical section of the roadway. The IPT system of this embodiment is essentially the same as the IPT system for the parking space.
複数の地上部1が、車道800の幅方向における中央部に沿って車道800の長手方向に所定のインタバルで配置されている。各地上部1はそれぞれ、地上コア11及び地上コイル12からなる。地上コア11は、前ロッド111、後ロッド112、中央ロッド113、前ブロック114、及び後ブロック115からなる。地上コイル12は中央ロッド113に巻かれている。この地上コア11は、図1に示される地上コア11と等しい。しかし、中央ロッド113、前ブロック114、後ブロック115、及び地上コイル12は車道800に埋設されている。図13及び図14に示される埋設型の地上部1は駐車スペースに配置されることができる。
The plurality of
地上コア11の詳細が図14を参照して説明される。前ロッド111は板状のフエライトロッド111A及び軟磁性アスフアルト層111Bからなる。後ロッド112は板状のフエライトロッド112A及び軟磁性アスフアルト層112Bからなる。フエライトロッド111A及び112Aは本質的に図1に示される前ロッド111及び後ロッド112と同じである。アスフアルト層111Bはフエライトロッド111Aの上にコートされている。アスフアルト層112Bはフエライトロッド112Aの上にコートされている。アスフアルト層111B及び112Bは、フエライト砂及びフエライト砂利を含む軟磁性アスフアルト層である。フエライト砂及びフエライト砂利を含む軟磁性コンクリート層を軟磁性アスフアルト層の代わりに採用することも可能である。フエライト砂及びフエライト砂利は従来のアスフアルト又はコンクリートの砂及び砂利と等しいサイズをもつ。前ロッド111及び後ロッド112は、従来の非磁性アスフアルト層662又は非磁性コンクリート層の上に敷設されている。
Details of the ground core 11 will be described with reference to FIG. The front rod 111 includes a plate-like ferrite rod 111A and a soft magnetic asphalt layer 111B. The
ソフトフエライトにより形成された中央ロッド113、前ブロック114、後ブロック115、及び地上コイル12は、コンクリートボックス665に収容されている。コンクリートボックス665の上端開口はコンクリート板680により閉鎖されている。前ロッド111の後端は前ブロック114の上端に密着し、後ロッド112の前端は後ブロック115の上端に密着している。前ブロック114及び後ブロック115はそれぞれ、コンクリートボックス665の内壁面に沿って下方へ延在している。中央ロッド113は、前ブロック114及び後ブロック115に接している。トランジスタ201、ダイオード202、及び、コントローラ500はコンクリートボックス665に収容される。
The
地上コントローラ500と車輌コントローラ600の間の通信が図15を参照して説明される。種々の駐車スペース及び交差点に設置された地上部1を使用する電気自動車の充電料金は毎月積算される必要がある。このために、地上コントローラ500と車輌コントローラ600の間の通信が要求される。
Communication between the
図15に示される通信回路は、地上側回路10Aと車輌側回路10Bとからなる。地上側回路10Aは地上コントローラ500に含まれ、車輌側回路10Bは車輌コントローラ600に含まれる。地上側回路10Aは、発振回路5A、コイル3、高周波フィルタ6A、整流回路7A、ローパスフィルタ8A、及びキャパシタ9Aを有する。車輌側回路10Bは、発振回路5B、コイル4、高周波フィルタ6B、整流回路7B、ローパスフィルタ8B、及びキャパシタ9Bを有する。
The communication circuit shown in FIG. 15 includes a
コイル3は地上コイル12に隣接して中央ロッド113に巻かれている。コイル4は車輌コイル22に隣接して中央ロッド213に巻かれている。コイル3及び4はそれぞれ、コイル12及び22よりも少ない巻数をもつ。発振回路5Aは、コイル3及びキャパシタ9Aからなる並列共振回路に地上指令S3に基づいて100kHzの発振電流を供給する。発振回路5Bは、コイル4及びキャパシタ9Bからなる並列共振回路に指令S4に基づいて100kHzの発振電流を供給する。
高周波フィルタ6Aは発振電圧成分を整流回路7Aに送る。高周波フィルタ6Bは発振電圧成分を整流回路7Bに送る。整流回路7Aは整流された発振電圧成分をローパスフィルタ8Aに送る。整流回路7Bは整流された発振電圧成分をローパスフィルタ8Bに送る。ローパスフィルタ8Aは整流電圧の低域成分S1を地上コントローラ500に送り、ローパスフィルタ8Bは整流電圧の低域成分S2を車輌コントローラ600に送る。さらに、車輌コントローラ600は、自己のID情報を地上コントローラ500に送り、地上コントローラ500は所定の情報をセンターコンピュータに送る。
The
実施例4が図16を参照して説明される。この実施例によれば、実施例2に示される非共振誘導給電(NR-IPT)回路に示されるトランジスタ301及び出力ダイオード302はトラクションインバータ80からなる。車両バッテリ400から給電されるこのトラクションインバータ80はトラクションモータ900を駆動する。このトラクションモータ900は星形接続されたU相コイル91、V相コイル92、及びW相コイル93をもつ。トラクションモータ900は公知の種々の形式を採用することができる。
A fourth embodiment will be described with reference to FIG. According to this embodiment, the
トラクションインバータ80は、U相レグ、V相レグ、及びW相レグをもつ。直列接続された上アームトランジスタ81及び下アームトランジスタ84からなるU相レグの出力端子はU相コイル91に接続される。直列接続された上アームトランジスタ82及び下アームトランジスタ85からなるV相レグの出力端子はV相コイル92に接続される。直列接続された上アームトランジスタ83及び下アームトランジスタ86からなるW相レグの出力端子はW相コイル93に接続される。トランジスタ81-86は、逆並列ダイオードをもつIGBTからなる。
The traction inverter 80 has a U-phase leg, a V-phase leg, and a W-phase leg. The output terminal of the U-phase leg composed of the upper arm transistor 81 and the
・
トランスミッタ200は図10-図12に示されるトランスミッタ200と同じである。レシーバ300はトラクションインバータ80、ダイオード71-73、インダクタ303、及び車輌コイル22からなる。車輌コイル22の一端は、インダクタ303を通じてダイオード71-73のアノード電極に接続されている。ダイオード71-73のカソード電極は、トラクションインバータ80の3つの出力端子に別々に接続されている。車輌コイル22の他端は、バッテリ400の負極に接続されている。
・
The
トラクションインバータ80の動作が説明される。地上コントローラ500は、図10-図12に示されるトランジスタ201のスイッチングを制御する。一次電流I1が所定の低値より低くなる時、トランジスタ201はオンされる。一次電流I1が所定の高値に達した時、トランジスタ201はオフされる。車両コントローラ600は車両コイル22の電圧変化に基づいてトランジスタ201の状態を検出し、トランジスタ201と同期してトラクションインバータ80の下アームトランジスタ84-86をスイッチングする。言い換えれば、下アームトランジスタ84-86はトランジスタ301と同じスイッチング動作を実行する。
The operation of the traction inverter 80 will be described. The
トランジスタ201がオンされる時、一次電流I1が増加し、車輌コイル22の二次電圧が上昇する。これにより下アームトランジスタ84-86がオンされる。その結果、インダクタ303に流れる二次電流I2が増加し、磁気エネルギーがインダクタ303に蓄積される。その結果、インダクタ203に流れる一次電流I1が増加し、磁気エネルギーがインダクタ203に蓄積される。
When the
トランジスタ201がオフされる時、車輌コイル22の二次電圧が急激に変化する。これにより、下アームトランジスタ84-86はオフされる。その結果、インダクタ303に蓄積された磁気エネルギ-は、トラクションインバータ80の上アームトランジスタ81-83の逆並列ダイオードを通じてバッテリ400に二次電流I2を供給する。上アームトランジスタ81-83を同期的にオンするいわゆる同期整流を実行することも可能である。言い換えれば、図10-図12に示される出力ダイオード302は、上アームトランジスタ81-83及び逆並列ダイオードからなる。
When the
車両コントローラ600は、バッテリ電圧Vbが所定値に達した時に下アームトランジスタ84-86のオンを禁止する。その結果、車両コイル22を流れる二次電流I2が減少する。地上コントローラ500は、一次電流I1の減少に基づいて下アームトランジスタ84-86のこのオフを検出する時、トランジスタ201のスイッチングを停止する。この実施例によれば、NR-IPT回路が簡素となる。さらに、抵抗損失が低減される。
Vehicle controller 600 prohibits lower arm transistors 84-86 from turning on when battery voltage Vb reaches a predetermined value. As a result, the secondary current I2 flowing through the
降圧チョッパを有するトランスミッタ、及び、昇圧チョッパを有するレシーバを有する上記誘導給電装置は非共振動作する。この非共振型の誘導給電装置は電気自動車以外の用途において採用されることができる。レシーバの出力電圧はトランスミッタに印加される一次電圧と本質的に無関係であるため、レシーバは降圧動作を実行することもできる。たとえば、このトランスミッタ及びレシーバを有する非共振型の誘導充電装置はポータブル電子機器に内蔵されるバッテリの充電に好適である。この非共振型の誘導充電装置の一つの利点は、二次コイルと一次コイルとからなる変圧器が大きな電磁結合係数の変化を許容することである。これは、一次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための一次共振周波数の調整、及び、二次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための二次共振周波数の調整が省略できることを意味する。さらに、一次共振キャパシタ及び二次共振キャパシタを省略することができる。たとえば、レシーバを内蔵するスマートホンは、それをプレート状のトランスミッタの上に置くだけで充電される。 The inductive power supply apparatus having a transmitter having a step-down chopper and a receiver having a step-up chopper operates in a non-resonant manner. This non-resonant type inductive power supply apparatus can be employed in applications other than electric vehicles. Since the receiver output voltage is essentially independent of the primary voltage applied to the transmitter, the receiver can also perform a step-down operation. For example, the non-resonant inductive charging device having the transmitter and the receiver is suitable for charging a battery built in a portable electronic device. One advantage of this non-resonant inductive charging device is that a transformer composed of a secondary coil and a primary coil allows a large change in electromagnetic coupling coefficient. This means that the adjustment of the primary resonance frequency for canceling the leakage inductance of the primary coil and the adjustment of the secondary resonance frequency for canceling the leakage inductance of the secondary coil can be omitted. Furthermore, the primary resonant capacitor and the secondary resonant capacitor can be omitted. For example, a smartphone with a built-in receiver can be charged by simply placing it on a plate-like transmitter.
結局、この非共振型の誘導給電装置は、絶縁型のDCDCコンバータであることが理解される。ダイオード202は、逆並列ダイオードをもつトランジスタに変更されることができる。このトランジスタは二次トランジスタ301と等価である。ダイオード302は、逆並列ダイオードをもつトランジスタに変更されることができる。このトランジスタは一次トランジスタ201と等価である。これにより、トランスミッタ200はレシーバとして動作することができ、レシーバ300はトランスミッタとして動作することができる。言い換えれば、4個のトランジスタをもつこの誘導給電装置は双方向絶縁型DCDCコンバータを構成することができる。
Eventually, it is understood that this non-resonant type inductive power supply device is an isolated DCDC converter. The
Claims (25)
車輌コアは、車輌に固定された固定コアと、この固定コアに磁気結合する一対の可動コアとを有し、各可動コアの先端部と地上コアとの間の距離は変更可能であることを特徴とする電気自動車用の誘導給電装置。 A soft magnetic ground core and ground coil installed near the surface of the parking space or road, a soft magnetic vehicle core and vehicle coil installed at the bottom of the vehicle, and a transmitter for supplying power to the ground coil In an induction power feeding apparatus including a receiver that supplies power of a vehicle coil to a vehicle battery, a ground controller that controls the transmitter, and a vehicle controller that controls the receiver,
The vehicle core has a fixed core fixed to the vehicle and a pair of movable cores magnetically coupled to the fixed core, and the distance between the tip of each movable core and the ground core can be changed. An inductive power supply device for an electric vehicle that is characterized.
レシーバは、直列接続された二次インダクタ及び車輌コイルと並列接続される二次トランジスタと、この二次トランジスタの一端を出力端子に接続する出力ダイオードとを有する請求項1記載の電気自動車用の誘導給電装置。 The transmitter has a primary transistor connected in series with a primary inductor and ground coil connected in series, and a freewheeling diode connected in reverse parallel with the primary inductor and ground coil connected in series,
2. The induction for an electric vehicle according to claim 1, wherein the receiver includes a secondary inductor connected in series and a secondary transistor connected in parallel with the vehicle coil, and an output diode connecting one end of the secondary transistor to the output terminal. Power supply device.
車輌コントローラは、二次トランジスタをオンする蓄積期間と、二次トランジスタをオフする出力期間とをもつ請求項15記載の電気自動車用の誘導給電装置。 The ground controller has an accumulation period for turning on the primary transistor and an output period for turning off the primary transistor,
16. The induction power feeding device for an electric vehicle according to claim 15, wherein the vehicle controller has an accumulation period in which the secondary transistor is turned on and an output period in which the secondary transistor is turned off.
トランスミッタは、直列接続された一次インダクタ及び地上コイルと直列接続される一次トランジスタと、直列接続された一次インダクタ及び地上コイルと逆並列接続されるフリーホィーリングダイオードとを有し、
レシーバは、直列接続された二次インダクタ及び車輌コイルと並列接続される二次トランジスタと、この二次トランジスタの一端をレシーバの出力端子に接続する出力ダイオードとを有することを特徴とする電気自動車用の誘導給電装置。 A soft magnetic ground core and ground coil installed near the surface of the parking space or road, a soft magnetic vehicle core and vehicle coil installed at the bottom of the vehicle, and a transmitter for supplying power to the ground coil In an induction power feeding apparatus including a receiver that supplies power of a vehicle coil to a vehicle battery, a ground controller that controls the transmitter, and a vehicle controller that controls the receiver,
The transmitter has a primary transistor connected in series with a primary inductor and ground coil connected in series, and a freewheeling diode connected in reverse parallel with the primary inductor and ground coil connected in series,
The receiver has a secondary inductor connected in series with a secondary inductor and a vehicle coil connected in series, and an output diode that connects one end of the secondary transistor to the output terminal of the receiver. Inductive power feeder.
車輌コントローラは、二次トランジスタをオンする蓄積期間と、二次トランジスタをオフする出力期間とをもつ請求項20記載の電気自動車用の誘導給電装置。 The ground controller has an accumulation period for turning on the primary transistor and an output period for turning off the primary transistor,
21. The induction power feeding device for an electric vehicle according to claim 20, wherein the vehicle controller has an accumulation period in which the secondary transistor is turned on and an output period in which the secondary transistor is turned off.
トランスミッタ(200)は、一次コイル(12)を流れる一次電流をスイッチする一次トランジスタ(201)と、一次コイル(12)に一次電流を循環させるフリーホィーリングダイオード(202)とを有し、
レシーバ(300)は、二次コイル(22)を流れる二次電流をスイッチする二次トランジスタ(301)と、二次トランジスタ(301)の一端をレシーバ(300)の出力端子に接続する出力ダイオード(302)とを有することを特徴とする誘導給電装置。 A primary coil (12); a movable secondary coil (22); a transmitter (200) for supplying power to the primary coil (12); and a receiver (300) connected to the secondary coil (22). In the induction power feeding device,
The transmitter (200) includes a primary transistor (201) that switches a primary current flowing through the primary coil (12), and a freewheeling diode (202) that circulates the primary current through the primary coil (12).
The receiver (300) includes a secondary transistor (301) that switches a secondary current that flows through the secondary coil (22), and an output diode that connects one end of the secondary transistor (301) to the output terminal of the receiver (300). 302).
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JP2021184695A (en) * | 2020-04-27 | 2021-12-02 | 株式会社Ihi建材工業 | Vehicle power supply device and roadbed unit |
-
2017
- 2017-09-19 JP JP2017179036A patent/JP2018166394A/en active Pending
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