JP2018196230A - 移動体用ワイヤレス給電システム - Google Patents

Abstract

【課題】地上側に離間して配置された複数の送電コイル２０から移動体に搭載された受電コイル３０に非接触給電を行うシステムであって、受電コイル３０及び送電コイル２０が正対していないときの給電効率を改善した移動体用ワイヤレス給電システムを提供する。【解決手段】離間して配置された送電コイル２０の間に配置された中継用磁性体４０を有し、この中継用磁性体４０が、送電コイル２０に正対していない受電コイル３０とその送電コイル２０とに鎖交する磁束の少なくとも一部を中継する。このシステムでは、送電コイル２０と受電コイル３０とが正対していない場合でも、中継用磁性体４０の存在により送電コイル２０及び受電コイル３０に鎖交する磁束が増加するため給電効率の低下が抑えられる。【選択図】図１

Description

本発明は、移動体に搭載された受電コイルに対し、地上側に離間して配置された複数の送電コイルから非接触で給電が行われる移動体用ワイヤレス給電システムに関し、受電コイル及び送電コイルが正対していないときの給電効率の改善を図るものである。

現在、電気自動車では、バッテリー性能に起因して、一回の充電で走行できる距離が比較的短いと言う点が課題に挙げられており、それを解決するため、走行中の車両に対して非接触給電を行うシステムが種々考えられている。
下記特許文献１には、直列又は並列に電気接続した複数の送電コイルを移動体の走行路に沿って離間して設置し、これらの送電コイルに一つの高周波電源から高周波交流を供給し、走行する移動体に搭載された受動コイルに対して非接触給電を行うシステムが開示されている。

このシステムでは、送電コイル及び受電コイルとして、図１７に示すように、平行する磁極１２、１２の対と、この磁極１２、１２の間を繋ぐ接続部とから成るＨ字形状コアの接続部に電線１１を巻回したＨ型ソレノイドコイルを用いている。
また、走行路には、磁極１２の長手方向（ｘ方向）が移動体の進行方向と一致するように複数の送電コイルを設置し、移動体には、磁極１２の長手方向（ｘ方向）が移動体の進行方向と一致するように受電コイルを設置している。
このシステムでは、磁極１２の長さをＤとするとき、隣接する送電コイルの磁極端の間隔が２Ｄを超えなければ、走行する移動体に対して非接触給電を途切れずに行うことができる。

また、下記特許文献２には、同様のシステムにおいて、地上側に設置する複数のソレノイドコイルに高周波交流を供給する高周波電源を、定電流駆動することが開示されている。
そうすることで、送電コイルと受電コイルとが位置ずれしたときでも、電源電流が過大になる事態を回避でき、システムの動作の安定化を図ることができる。

特開２０１４−１４７１６０号公報 特開２０１６−１８１９６０号公報

しかし、こうしたシステムでは、移動体に搭載された受電コイルが地上側の送電コイルとの正対位置からズレたときに、給電効率が低下することは避けられない。この給電効率の低下を少しでも抑えることができれば、システムにとって極めて有益である。
また、この給電効率の改善により、移動体への走行中給電だけでなく、駐車場等において停車した移動体に給電するシステム等への応用も広がる。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、地上側に離間して配置された複数の送電コイルから移動体に搭載された受電コイルに非接触給電を行うシステムであって、送電コイルと受電コイルが正対していないときの給電効率を改善できる移動体用ワイヤレス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、高周波電源に接続された複数の送電コイルが地上側に離間して配置され、これらの送電コイルから移動体に搭載された受電コイルに非接触給電が行われる移動体用ワイヤレス給電システムにおいて、離間して配置された送電コイルの間に配置された中継用磁性体を有し、この中継用磁性体が、送電コイルに正対していない受電コイルと送電コイルとに鎖交する磁束の少なくとも一部を中継することを特徴とする。
このシステムでは、送電コイルと受電コイルとが正対していない場合でも、中継用磁性体の存在により送電コイル及び受電コイルに鎖交する磁束が増加するため給電効率の低下が抑えられる。

また、本発明の移動体用ワイヤレス給電システムでは、送電コイルが、平行する磁極の対とその磁極の間を繋ぐ接続部とから成るＨ字形状のコアと、このコアの接続部に巻回された電線とを備え、中継用磁性体は、送電コイルの磁極の長手方向における端部に隣接して配置されていることが望ましい。
中継用磁性体は、Ｈ型ソレノイドコイル形状の送電用コイルの磁極から漏洩する磁束を受電コイル側に導くことができる。

また、本発明の移動体用ワイヤレス給電システムでは、中継用磁性体が、Ｈ型ソレノイドコイルである送電コイルの磁極に類似する形状を有し、離間して配置された二つの送電コイルの間に在って、一方の送電コイルの磁極と中継用磁性体と他方の送電コイルの磁極とが一直線を成すように配置されていることが望ましい。
この中継用磁性体は、離間して配置された二つの送電用コイルの各磁極から漏洩する磁束を受電コイル側に導くことができるので、給電効率の改善効果が大きい。

また、本発明の移動体用ワイヤレス給電システムでは、高周波電源を定電流制御することが望ましい。
高周波電源を定電流制御すると、高周波電源の出力電圧Ｖｉｎは、受電コイルが送電コイルに対して位置ズレしたときの「受電コイル漏洩インダクタンスの増加」や「受電コイルインダクタンスの電圧降下の増加」を補償するように上昇する。この上昇が、給電電流の落ち込みを少なくするように作用し、給電電力の低下が抑えられる。

本発明の移動体用ワイヤレス給電システムは、受電コイル及び送電コイルが正対していないときの給電効率を改善することができる。

本発明の第１の実施形態に係る移動体用ワイヤレス給電システムを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ位置の断面図 図１の中継用磁性体を介する磁束の流れを説明する図 中継用磁性体が有るときと無いときの結合係数の変化を示す図、 第１の実施形態に係る移動体用ワイヤレス給電システムの特性を示す図 本発明の第２の実施形態に係る移動体用ワイヤレス給電システムで用いる高周波電源を示す図 図５の高周波電源の電流監視箇所を変更した変形例を示す図 第２の実施形態に係る移動体用ワイヤレス給電システムの特性を示す図 図１の移動体用ワイヤレス給電システムの変形例を示す図 図５の高周波電源の変形例を示す図 図９の高周波電源の電流監視箇所を変更した変形例を示す図 従来の移動体用ワイヤレス給電システムを示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）はＡ−Ａ位置の断面図 移動体用ワイヤレス給電システムの回路構成を示す図 図１２の高周波電源の詳細を示す図 単相直列二重化インバータによる正弦波の生成を説明する図 従来の移動体用ワイヤレス給電システムの特性を示す図 特性測定時の諸元を記載した表 Ｈ型ソレノイドコイルを示す図

図１１は、従来の移動体用ワイヤレス給電システムを模した実験装置を示している。この図を用いて従来の移動体用ワイヤレス給電システムを説明する。図１１（ａ）は、この装置の平面図、図１１（ｂ）は側面図、図１１（ｃ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ位置での断面図である。
図１１には、地上側に配置される４つの送電コイル２０と、その中の一つに対してギャップを介して正対している受電コイル３０を示している。受電コイル３０は、移動体に搭載された受電コイルと同様に、図１１（ｂ）の白矢印の方向に動くことができる。

ここでは、送電コイル２０として、二つのＨ型ソレノイドコイル２１をユニット化した複合コイルを用いている。
複数の送電コイル２０は、移動体の移動方向を表す白矢印の方向に間隔を空けて整列しており、各送電コイル２０は、Ｈ型ソレノイドコイル２１の磁極２１１の長手方向が移動体の移動方向と一致するように配置されている。２１２は、送電コイル２０から地上側に流れる漏洩磁束を遮断するアルミ板である。

一方、受電コイル３０には、方形の磁性体板３１の一面（送電コイル２０と対向する側の面）に渦巻き状の偏平コイル３２が配置されたサーキュラコイルを用いている。図１１（ａ）では、偏平コイル３２の一部が視認できるように、サーキュラコイルの磁性体板３１を一部省略して描いている。
図１１（ｃ）には、正対する送電コイル２０及び受電コイル３０に鎖交する磁束を点線で示している。送電コイル２０の二つのＨ型ソレノイドコイル２１は、両者が接合する箇所のそれぞれの磁極２１１を通じて出入する磁束の向きが同一方向となるように電気接続されている。

図１２は、この移動体用ワイヤレス給電システムの回路図を示している。
複数の送電コイル２０は並列接続されており、これらの送電コイル２０に高周波電源５０から高周波交流が供給される。また、各送電コイル２０にはコンデンサＣｐが並列接続され、送電コイル２０とコンデンサＣｐとが並列共振回路を構成している。
一方、受電コイル３０は、コンデンサＣｓと直列接続されており、受電コイル３０とコンデンサＣｓとが直列共振回路を構成している。受電コイル３０で受電された交流は、整流器６１で整流され、平滑コンデンサ６２で平滑化されて負荷ＲＬ（電池）に入力する。

図１３は、この回路の高周波電源５０の構成を示している。
高周波電源５０は、商用電源５０１の交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ電源５０２と、ＡＣ／ＤＣ電源５０２から出力された直流を高周波交流に変換して送電コイル２０に供給する単相二重化インバータ５０３とを備えている。
単相二重化インバータ５０３は、図１４に示すように、方形波の電圧を出力する方形波インバータが二つ組み合わされており、それぞれの方形波インバータの出力（Ｖ１，Ｖ２）が加算されて、正弦波に近い波形の電圧Ｖ０が出力される。

図１５は、この装置を用いて測定した従来の移動体用ワイヤレス給電システムの特性を示している。図１６の表は、その測定における諸元を示している。送電コイル２０の磁極２１１における長手方向の寸法は３００ｍｍであり、隣接する送電コイル２０は、磁極２１１の端部の間に３００ｍｍの間隔を空けて配置されている。

図１５では、受電コイル３０が、隣接する送電コイル２０の一方の送電コイル２０に正対する位置（横軸の０位置）から、他方の送電コイル２０に正対する位置（横軸の６００位置）まで移動する間の下記特性の変化について示している。
高周波電源５０の出力電圧（図１３のＶｉｎ）
高周波電源５０の出力電流（図１３のＩｉｎ）
整流器６１の出力電圧（図１３のＶｏ）
整流器６１の出力電流（図１３のＩｏ）
整流器６１の出力電力（図１３のＰｏ）
システムの給電効率（Ｐｏ／Ｐｉｎ＝Ｉｏ・Ｖｏ／Ｉｉｎ・Ｖｉｎ）

図１５に示すように、高周波電源５０を定電圧（Ｖｉｎ一定）で駆動する場合、整流器６１の出力電圧Ｖｏは、受電コイル３０が送電コイル２０と正対するとき（横軸の０及び６００の位置）に２００Ｖであるが、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するとき（横軸の３００の位置）には４０Ｖに低下する。
また、整流器６１の出力電力Ｐｏは、受電コイル３０が送電コイル２０と正対するときに３ｋＷであるが、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するときには０．１２ｋＷに低下する。
また、システムの給電効率（Ｐｏ／Ｐｉｎ）は、受電コイル３０が送電コイル２０と正対するときに９０％であるが、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するときには３５％に低下する。

こうした、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するときの給電特性の低下は、本発明の移動体用ワイヤレス給電システムにより改善される。

（第１の実施形態）
図１を用いて本発明の移動体用ワイヤレス給電システムの第１の実施形態について説明する。
図１の装置は、図１１の装置と比べて、離間する送電コイル２０の間に中継用磁性体４０が配置されている点で相違している。
図１（ａ）は、受電コイル３０が中継用磁性体４０と対向しているときの平面図であり、図１（ｂ）は、その側面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ位置での断面図である。
図１では、中継用磁性体４０として送電コイル２０の磁極２１１と同じ矩形形状のものを示しているが、中継用磁性体４０の形状は、それに限らない。

中継用磁性体４０は、送電コイル２０と受電コイル３０とが正対していないとき、送電コイル２０の磁極２１１から出る磁力線を受け入れて受電コイル３０に誘導する役割を担っている。そのため、中継用磁性体４０は、その一端を、送電コイル２０において磁束密度が高い磁極２１１の長手方向の端部近傍に位置させることが望ましく、また、図１（ｂ）に示すように、中継用磁性体４０の地上からの高さを送電コイル２０の磁極２１１の高さに揃えることが望ましい。
また、中継用磁性体４０の厚みは、磁気飽和が生じないように設定する。

そのようにした場合、図２に点線で示すように、送電コイル２０に正対していない受電コイル３０と送電コイル２０とに鎖交する磁束が、中継用磁性体４０を介して生じる。
そのため、送電コイル２０と受電コイル３０とが正対していないときの送電コイル２０及び受電コイル３０に鎖交する磁束量が増加し、送電コイル２０と受電コイル３０の結合係数が増し、給電効率が向上する。
なお、このとき、中継用磁性体４０には、磁束は流れるが電流は流れない。

図３は、図２の装置において、送電コイル２０を一つにして、受電コイル３０を送電コイル２０の正対位置からずらしながら測定した結合係数の変化と、その装置から中継用磁性体４０を除いた状態で同様に測定した結合係数の変化とを示している。図３から、受電コイル３０が送電コイル２０の正対位置からずれたときの結合係数が、中継用磁性体４０の存在により改善されることが分かる。

また、図１及び図２に示すように、二つの送電コイル２０の中間に中継用磁性体４０を配置して、中継用磁性体４０の一端を一方の送電コイル２０の磁極２１１の端部近傍に置き、中継用磁性体４０の他端を他方の送電コイル２０の磁極２１１の端部近傍に置くようにすれば、図２に示すように、点線で表す磁束が両方の送電コイル２０から発生するため、結合係数が更に増加し、給電効率が更に向上する。このとき、一方の送電コイル２０の磁極２１１と、中継用磁性体４０と、他方の送電コイル２０の磁極２１１とは一直線上に並ぶことになる。

図４は、図１の装置を用いて受電コイル３０を移動させながら、高周波電源５０の出力電圧（Ｖｉｎ）、高周波電源５０の出力電流（Ｉｉｎ）、整流器６１の出力電圧（Ｖｏ）、整流器６１の出力電流（Ｉｏ）、整流器６１の出力電力（Ｐｏ）及びシステムの給電効率（Ｐｏ／Ｐｉｎ）を測定した結果を示している。
なお、この場合の移動体用ワイヤレス給電システムの回路構成や測定における諸元は、従来の移動体用ワイヤレス給電システムのそれと同じである。
図４に示すように、高周波電源５０を定電圧（Ｖｉｎ一定）で駆動するときの整流器６１の出力電圧Ｖｏは、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するとき（横軸の３００の位置）に９０Ｖであり、図１５（この図は従来の移動体用ワイヤレス給電システムの特性を示している。）の４０Ｖより増加している。
また、整流器６１の出力電力Ｐｏは、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するときに０．６ｋＷであり、図１５の０．１２ｋＷより増加している。
また、システムの給電効率（Ｐｏ／Ｐｉｎ）は、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するときに６５％であり、図１５の３５％より増加している。

このように、この移動体用ワイヤレス給電システムでは、離間して配置された送電コイル２０の間に中継用磁性体４０を配置して、受電コイル及び送電コイルが正対していないときの給電効率を改善している。

（第２の実施形態）
本発明の移動体用ワイヤレス給電システムの第２の実施形態では、送電コイル２０に高周波交流を供給する高周波電源５０（図１３）を定電流駆動することにより、受電コイル３０及び送電コイル２０が正対していないときの給電効率を改善する。

高周波電源５０を定電流駆動するために、図５に示すように、単相直列二重化インバータ５０３の出力電流Ｉｉｎを監視し、Ｉｉｎの実効値が一定になるようにＡＣ／ＤＣ電源を制御する定電流制御コントローラ５０６を設ける。
なお、定電流制御コントローラ５０６は、図６に示すように、ＡＣ／ＤＣ電源の出力電流を監視してＡＣ／ＤＣ電源を制御しても良い。

高周波電源５０を定電流駆動する場合は、受電コイル３０が送電コイル２０との正対位置からずれたときの受電コイル側の漏洩インダクタンスの増加や、受電コイルで発生する電圧の降下の増加を補償するように、高周波電源５０の出力電圧Ｖｉｎが上昇する。
その結果、受電コイル３０が送電コイル２０からずれたときの整流器出力電流Ｉｏの減少が大きく改善し、給電効率の落ち込みが少なくなる。

図７は、図１の装置を用い、高周波電源５０を定電流駆動しながら受電コイル３０を移動させて、高周波電源５０の出力電圧（Ｖｉｎ）、高周波電源５０の出力電流（Ｉｉｎ）、整流器６１の出力電圧（Ｖｏ）、整流器６１の出力電流（Ｉｏ）、整流器６１の出力電力（Ｐｏ）及びシステムの給電効率（Ｐｏ／Ｐｉｎ）を測定した結果を示している。
なお、この測定における諸元は、従来の移動体用ワイヤレス給電システムのそれと同じである。
図７に示すように、高周波電源５０を定電流（Ｉｉｎ一定）で駆動するとき、高周波電源５０の出力電圧（Ｖｉｎ）は、受電コイル３０が送電コイル２０からずれたときに上昇する。整流器６１の出力電圧Ｖｏは、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するとき（横軸の３００の位置）に１２０Ｖであり、図４（この図は第１の実施形態の移動体用ワイヤレス給電システムの特性を示している。）の９０Ｖより増加している。
また、整流器６１の出力電力Ｐｏは、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するときに１．１ｋＷであり、図４の０．６ｋＷより増加している。
また、システムの給電効率（Ｐｏ／Ｐｉｎ）は、受電コイル３０が二つの送電コイル２０の中間に位置するときに７５％であり、図４の６５％より増加している。

このように、この移動体用ワイヤレス給電システムでは、離間して配置された送電コイル２０の間に中継用磁性体４０を配置し、且つ、高周波電源５０を定電流駆動することにより、受電コイル及び送電コイルが正対していないときの給電効率を大きく改善している。

なお、ここでは、送電コイルとして二つのＨ型ソレノイドコイル２１をユニット化した複合コイルを用い、受電コイルとしてサーキュラコイルを用いたが、図８に示すように、送電コイル及び受電コイルを、それぞれ一つのＨ型ソレノイドコイルで構成しても良い。
また、ここでは、高周波交流を生成する高周波電源として、高調波の抑制が可能な単相直列二重化インバータ５０３を用いたが、図９に示すように、方形波インバータ５０４と３次５次高調波除去フィルター５０５とを組み合わせて使用しても良い。この場合、定電流制御コントローラ５０６は、３次５次高調波除去フィルター５０５の出力電流を監視してＡＣ／ＤＣ電源５０２を制御するか、図１０に示すように、ＡＣ／ＤＣ電源５０２の出力電流を監視してＡＣ／ＤＣ電源５０２を制御する。

本発明の移動体用ワイヤレス給電システムは、送電コイルを飛び石状に配置して広い場所に移動体の給電施設を形成する場合に、給電効率の向上を図ることが可能であり、走行中給電用の道路や駐車場などに広く利用することができる。

２０ 送電コイル
２１ Ｈ型ソレノイドコイル
３０ 受電コイル
３１ 磁性体板
３２ 偏平コイル
５０ 高周波電源
６１ 整流器
６２ 平滑コンデンサ
２１１ 磁極
２１２ アルミ板
５０１ 商用電源
５０２ ＡＣ／ＤＣ電源
５０３ 単相直列二重化インバータ
５０４ 方形波インバータ
５０５ ３次５次高調波除去フィルター
５０６ 定電流制御コントローラ

Claims (4)

1. 高周波電源に接続された複数の送電コイルが地上側に離間して配置され、前記送電コイルから移動体に搭載された受電コイルに非接触給電が行われる移動体用ワイヤレス給電システムであって、
   離間して配置された前記送電コイルの間に配置された中継用磁性体を有し、
   前記中継用磁性体が、前記送電コイルに正対していない前記受電コイルと該送電コイルとに鎖交する磁束の少なくとも一部を中継することを特徴とする移動体用ワイヤレス給電システム。
2. 請求項１に記載の移動体用ワイヤレス給電システムであって、
   前記送電コイルは、平行する磁極の対と該磁極の間を繋ぐ接続部とから成るＨ字形状のコアと、該コアの前記接続部に巻回された電線とを備え、
   前記中継用磁性体は、前記送電コイルの前記磁極の長手方向における端部に隣接して配置されていることを特徴とする移動体用ワイヤレス給電システム。
3. 請求項２に記載の移動体用ワイヤレス給電システムであって、
   前記中継用磁性体は、前記送電コイルの前記磁極に類似する形状を有し、離間して配置された二つの前記送電コイルの間に在って、一方の前記送電コイルの前記磁極と前記中継用磁性体と他方の前記送電コイルの前記磁極とが一直線を成すように配置されていることを特徴とする移動体用ワイヤレス給電システム。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の移動体用ワイヤレス給電システムであって、前記高周波電源が定電流制御されていることを特徴とする移動体用ワイヤレス給電システム。