JP5224295B2 - 非接触給電装置及び非接触給電方法 - Google Patents
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Description
図7は、非接触給電装置を用いたプラグインハイブリッド車の給電システムを示している。
エンジン107とともにモータ106を駆動源として搭載する車両100は、モータ106用の電源である二次電池104と、二次電池104の直流を交流に変換してモータ106に供給するインバータ105と、二次電池104の充電回路103と、非接触給電装置の二次コイル102とを備えており、二次コイル102は、車体の床面の外側に設置される。
一方、給電ステーション側(地上側)は、商用電源200から高周波交流を生成する高周波電源201と、非接触給電装置の一次コイル202とを備えており、一次コイル202は地上に設置される。
運転者は、二次コイル102が一次コイル202の真上に来るように車両100を停止させて、二次電池104への給電を開始する。
地上側は、商用周波数の交流から高周波交流を生成する高周波電源10と、一次コイル21と、一次コイル21に接続された共振コンデンサ22とを備え、高周波電源10は、商用周波数の交流を供給する商用電源11と、この交流を直流に変換する整流器12と、整流器12から出力される直流を平滑化する平滑コンデンサ13と、直流から高周波交流を生成するインバータ14とを備えている。
また、車両側は、二次コイル31と、二次コイル31に接続された共振コンデンサ32と、二次コイル31から出力される交流を直流に変換する整流器41と、整流器41から出力される直流を平滑化する平滑コンデンサ42と、負荷装置(二次電池)43とを備えている。
この共振コンデンサの配置の仕方には、図9に示すように、(a)一次コイルに直列、二次コイルに並列に接続する方式(SP方式)、(b)一次コイルに並列、二次コイルに並列に接続する方式(PP方式)、(c)一次コイルに並列、二次コイルに直列に接続する方式(PS方式)、(d)一次コイルに直列、二次コイルに直列に接続する方式(SS方式)、が知られている。
この内、SP方式は、本発明者等が下記特許文献1で提案している。このSP方式は、高い給電効率が得られ、システム設計が容易である、等の利点を有している。
このSP方式の非接触給電装置では、二次側の並列コンデンサの容量Cpが次式(数1)を満たすように設定される。ここで、ω0=2πf0、f0は高周波電源10の周波数である。
1/(ω0×Cp)=xP=x’0+x2 (数1)
また、一次側の直列コンデンサの容量Cs(=CS’/a2)が次式(数2)を満たすように設定される。
1/(ω0×Cs’)=x’S
=(x’0×x’1+x’1×x2+x2×x’0)/(x’0+x2) (数2)
そうすると、SP方式の非接触給電装置の等価回路は、図10(b)に示すように、巻数比bがb=x’0/(x’0+x2)の理想変圧器と等価になり、次式(数3)及び(数4)が成り立つ。
V2=V’IN/b (数3)
I2L=bI’IN (数4)
(数3)(数4)から明らかなように、一次コイルと二次コイルとの前後左右の位置ずれや、コイル間のギャップ長の拡がりにより、結合係数が低下すると、bが低下し、一次電圧が一定の場合は二次電圧が増大する。結合係数が変動する場合は一次・二次電圧比の変動が避けられない。これは位置ずれやギャップ長変動の許容量の大きな非接触給電共通の課題である。
このコイルは、図11(a)(断面図)、図11(b)(斜視図)に示すように、一次側フェライトコア61の周りに巻回された一次側コイル62と、二次側フェライトコア63の周りに巻回された二次側コイル64とを有し、また、一次側コイル62と二次側コイル64とが対向する側の反対側に、それぞれ、外部への磁界の漏洩を防止するアルミ板65、66を備えている。点線67は磁力線を表している。
二次電池43への充電電圧は、定電圧であることが望ましい。それを実現するため、図13に示すように、降圧チョッパ44を配置して、結合係数の低下により上昇した二次電圧を定電圧まで下げることも提案されているが、降圧チョッパ44の追加は、受電装置の小型軽量化の妨げとなる。
下記特許文献3には、一次側コイル及び二次側コイルに通信装置を設けて、コイル間で要求電力等の給電情報を送受信し、それに基づいて、給電コイルから受電コイルに電力を給電する方式が提案されている。
この非接触給電装置は、負荷装置への給電に先立って、二次側コイルにインピーダンスが既知の受動素子(例えば抵抗)を接続し、このときの一次側の高周波電源の電圧と電流との値を測定し、演算によって一次側コイルと二次側コイルとの電圧比の補正量を推定する。この電圧比補正量に基づいて、二次側コイルの出力、あるいは二次側コイルに接続された整流器の出力電圧が目標値になるように、一次側コイルを駆動する高周波電源の電圧を制御する。
電源周波数に共振する共振回路の存在により、給電効率が向上し、前記可変電圧高周波電源の出力力率が改善される。
このコイルは、コイル間の位置ずれやギャップ長変動に対する許容度が大きい故に、それらに伴う二次電圧の変化が生じるが、この装置では、通信装置を用いずに、それを解決できる。
VIN=α×V2,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
と設定する。
Z及びV2は一次側において既知であり、Vm、Imは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側コイルの電圧を目標値に設定することができる。
VIN=(α/β)×VL,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
と設定する。
Z、β及びVLは一次側において既知であり、Vm、Imは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側の整流器の出力電圧を目標値に設定することができる。
なお、Vm、Imは高調波を含むので、これらの値の算出においては電源周波数成分(基本波)の実効値を用いるのが基本であるが、高調波を含めた実効値を用いても良い。
この非接触給電装置は、一次側が、計測用の低電圧Vmを出力すると、二次側が、それを検知して自動的に、二次側コイルから負荷装置を電気的に切り離して受動素子を二次側コイルに接続する測定モードに切り替わる。
この非接触給電装置は、二次側が、負荷装置への給電に先立って、所定時間、測定モードに切り替わり、一次側は、この間に計測用の低電圧Vmを出力してImを計測する。
この非接触給電装置は、自動車、ロボット、電車などの移動体の給電に用いることができる。
この方法により、一次側と二次側との間で情報交換をしなくても、一次側の出力電圧を制御して、二次側コイルの電圧や二次側コイルに接続された整流器の出力電圧を目標値に設定することができる。
VIN=α×V2,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧VINを求める。
Z及びV2は一次側において既知であり、Vm、Imは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側コイルの電圧を目標値に設定することができる。
VIN=(α/β)×VL,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧VINを求める。
Z、β及びVLは一次側において既知であり、Vm、Imは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側の整流器の出力電圧を目標値に設定することができる。
この装置は、給電ステーション(地上側)から車両へ非接触給電を行うために用いられる。
地上側には、商用周波数の交流から高周波交流を生成する可変電圧高周波電源1と、一次コイル21と、共振コンデンサ22とを備える。可変電圧高周波電源1は、商用周波数の交流を供給する商用電源11と、この交流を直流に変換する整流器12と、整流器12から出力される直流を平滑化する平滑コンデンサ13と、直流から高周波交流を生成するフルブリッジインバータ14とを有する。フルブリッジインバータ14は、広く知られているように、スイッチと帰還ダイオードとの組み合わせを4個有しており、これらスイッチのスイッチング位相を制御して出力電圧の大きさを変えることができる。
地上側には、さらに、可変電圧高周波電源1の出力電流を検出する電流検出部74と、可変電圧高周波電源1の出力電圧を検出する電圧検出部73と、フルブリッジインバータ14のスイッチング位相を変えて出力電圧を所定値に設定する電圧設定部71と、電流検出部74及び電圧検出部73の検出結果を用いて後述する電圧補正量を算出する電圧補正量算出部72と、電圧設定部71を通じて可変電圧高周波電源1の出力電圧を制御する一次電圧制御部75とを備えている。なお、特許請求の範囲で言う「一次電圧制御手段」は、電流検出部74、電圧検出部73、電圧設定部71、電圧補正量算出部72及び一次電圧制御部75を総称している。
なお、可変電圧高周波電源は、整流器12の代わりにサイリスタ整流回路を用いて平滑コンデンサ13の直流電圧を可変にし、フルブリッジインバータ14は位相制御せずに方形波出力とするPAM方式でもよい。
測定モード切替部76は、測定モードのとき、スイッチ53で負荷装置43を電気的に切離し、電子スイッチ52で測定用抵抗51を電気的に接続する。また、給電モードのとき、スイッチ53で負荷装置43を接続し、電子スイッチ52で測定用抵抗51を電気的に切離す。測定モード切替部76は、自動で動作し、あるいは、人が操作する。なお、測定用抵抗51の抵抗値Rbは、地上側に既知である。
給電を希望する車両のユーザは、給電ステーションの給電位置に車両を止める(ステップ1)。
ユーザは、給電開始前に、測定モード切替部76を操作して、測定用抵抗51を二次コイル31に並列接続し、負荷装置43を電気的に切離す“測定モード”への切替えを行う(ステップ2)。
このとき、非接触給電装置の回路(図1)は、c−c’より後が無視できる。そのため、測定用回路は、図3に示すように、二次側が測定用抵抗51の負荷Rbのみの回路となり、理想変圧器特性が成り立つ。
なお、測定モード切替部76は、測定に必要な所定時間が経過した時点で(ステップ8)、測定用抵抗51を電気的に切離し、負荷装置43を接続する“受電モード”への切替えを行う(ステップ9)。
このとき、図3の測定用回路では、理想変圧器特性から、
Z=b2Rb (数5)
Vm’=ZIm’ (数6)
Vm’=Vm/a=bV2 (数7)
Im’=I2L/b (数8)
が成り立つ(Zは可変電圧高周波電源1から見たインピーダンス。V2、I2L、bについては(数3)(数4)参照)。
(数5)(数6)から、
b2=Vm’/(Im’×Rb) (数9)
となる。また、αを電圧比補正量とし、目標の二次側出力電圧V2を得るために必要な一次側電源の出力電圧を(α×V2)で表すこととすると、α=abとなる。ここでaは一次・二次コイルの巻数比N1/N2である。
α={(Vm/Im)×(1/Rb)}1/2 (数10)
そして、算出したαを一次電圧制御部75に送る(ステップ4)。
一次電圧制御部75は、予め指令された二次側コイルの出力電圧の目標値V2にαを乗算して給電電圧(α×V2)を算出し(ステップ5)、電圧設定部71を制御して、可変電圧高周波電源1の出力電圧VINを(α×V2)に設定し、給電を開始する(ステップ6)。
こうして、一次側電圧の制御により、二次側コイルの出力電圧が目標値V2に設定され、給電の終了するまで、目標値V2が維持される(ステップ7)。
このように、この非接触給電装置では、通信装置を用いずに、二次側電圧を一次側で制御することができる。
VIN=(α/β)×VL,α={(Vm/Im)×(1/Rb)}1/2 (数11)
また、ここでは、測定用抵抗51を用いて測定を行っているが、抵抗成分以外にL成分を含む受動素子を用いても良い。この場合、受動素子のインピーダンスをZとして、(数10)は、
α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2 (数12)
となり、(数11)は、
VIN=(α/β)×VL,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2 (数13)
となる。
なお、図13のように二次側整流器の後に降圧チョッパを用いる場合は、スイッチ53を降圧チョッパのスイッチ素子(図13ではIGBT)で代替可能である。即ち、スイッチ素子をオフにすれば(降圧チョッパを運転停止すれば)、負荷装置53を切り離すことができる。
また、ここでは、共振コンデンサをSP方式で配置した非接触給電装置について示したが、図9に示すように、共振コンデンサを、PP方式、PS方式あるいはSS方式で配置しても良い。何れにしろ、一次側コイルと共振コンデンサとで構成する回路の共振周波数や二次側コイルと共振コンデンサとで構成する回路の共振周波数を可変電圧高周波電源の周波数に一致させることで給電効率やインバータの出力力率が向上する。
この実験では、コイル間の位置ずれの大きさやギャップ長を変えたときの二次側電圧の変化を測定し、可変電圧高周波電源1の出力電圧を制御したときに、その変化がどのように変わるかを測定している。
図5は、実験に使用したコイルを示している。
ケース1では、このコイルのギャップ長を50mmに、x、y方向の位置ずれを0に設定している。
ケース2では、このコイルのギャップ長を70mmに、x、y方向の位置ずれを0に設定している。
ケース3では、このコイルのギャップ長を90mmに、x方向の位置ずれを45mm、y方向の位置ずれを125mmに設定している。
また、各ケースのVIN、V2及びVLの頂点位置を、それぞれ実線で近似している。図6(a)の場合、可変電圧高周波電源1の出力電圧VINを制御していないので、各ケースにおいて、VINは一定の値を示している。このとき、二次側コイルの出力電圧V2は、ギャップ長の増加や位置ずれにより増加し、負荷装置43への印加電圧VLは、V2よりも更に増加している。
なお、Vm、Imは高調波を含むので、これらの値の算出においては電源周波数成分(基本波)の実効値を用いている。しかし、高調波を含む波形の実効値を用いてVm、Imの値を算出しても良い。
この制御により、可変電圧高周波電源1の出力電圧VINは、ギャップ長の増加や位置ずれが増える程、低下し、二次側コイルの出力電圧V2及び負荷装置43への印加電圧VLは、略一定に保たれている。
このように、一次電圧VINを制御すれば、二次電圧を略一定にできることが分かる。
10 高周波電源
11 商用電源
12 整流器
13 平滑コンデンサ
14 フルブリッジインバータ
21 一次コイル
22 共振コンデンサ
31 二次コイル
32 共振コンデンサ
41 整流器
42 平滑コンデンサ
43 負荷装置(二次電池)
44 降圧チョッパ
51 測定用抵抗
52 電子スイッチ(トライアック)
53 スイッチ
61 一次側フェライトコア
62 一次側コイル
63 二次側フェライトコア
64 二次側コイル
65 アルミ板
66 アルミ板
71 電圧設定部
72 電圧補正量算出部
73 電圧検出部
74 電流検出部
75 一次電圧制御部
76 測定モード切替部
77 電圧検出部
100 車両
102 二次コイル
103 充電回路
104 二次電池
105 インバータ
106 モータ
107 エンジン
141 細長いフェライト板
142 コイル
200 商用電源
201 高周波電源
202 一次コイル
Claims (11)
- 一次側の一次側コイルと二次側の二次側コイルとがギャップを隔てて配置され、
前記一次側で、前記一次側コイルが可変電圧高周波電源に接続され、前記一次側コイルと前記可変電圧高周波電源との間に前記一次側コイルと直列または並列に一次側コンデンサが配置され、
前記二次側で、前記二次側コイルが整流器を介して負荷装置に接続され、前記二次側コイルと前記整流器との間に前記二次側コイルと並列または直列に二次側コンデンサが配置された非接触給電装置であって、
前記二次側に、前記負荷装置が前記二次側コイルから電気的に切り離されたときにのみ前記二次側コイルに並列接続される受動素子と、前記受動素子を前記二次側コイルに接続するときに前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離す測定モード切替手段とを備え、
前記一次側に、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の出力電圧と出力電流とを計測して、計測結果に基づいて、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧を設定する一次電圧制御手段を備え、
前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記二次側コイルの電圧または前記整流器の出力電圧が、予め定められた値になるように前記可変電圧高周波電源の電圧を設定することを特徴とする非接触給電装置。 - 請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コイルと前記一次側コンデンサとで構成される回路の共振周波数、または、前記二次側コイルと前記二次側コンデンサとで構成される回路の共振周波数の少なくとも一方が前記可変電圧高周波電源の周波数に一致することを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項1または2に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コイルが一次側コアの周りに巻回され、前記二次側コイルが二次側コアの周りに巻回され、前記一次側コアが、第1の平面上に間隔を空けずに、または間隔を空けて、配置された複数個のコアから成り、前記二次側コアが、第2の平面上に間隔を空けずに、または間隔を空けて、配置された複数個のコアから成り、前記一次側コイルと前記二次側コイルとが対向するように配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項2または3に記載の非接触給電装置であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをZ、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときに前記可変電圧高周波電源の出力電圧をVmに設定して計測した前記可変電圧高周波電源の出力電流の値をIm、前記二次側コイルの電圧の予め定められた値をV2とするとき、前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧VINを、
VIN=α×V2,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
と設定することを特徴とする非接触給電装置。 - 請求項2または3に記載の非接触給電装置であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをZ、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときに前記可変電圧高周波電源の出力電圧をVmに設定して計測した前記可変電圧高周波電源の出力電流の値をIm、前記整流器の出力電圧の予め定められた値をVL、前記二次側コイルの電圧V2と前記整流器の出力電圧VLとの比をβ=VL/V2とするとき、前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧VINを、
VIN=(α/β)×VL,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
と設定することを特徴とする非接触給電装置。 - 請求項4または5に記載の非接触給電装置であって、前記一次電圧制御手段が、前記Vmを前記VINより小さく設定し、前記測定モード切替手段は、前記二次側コイルの電圧が所定の電圧以下の場合に前記受動素子を前記二次側コイルに接続して前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離すことを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項4または5に記載の非接触給電装置であって、前記測定モード切替手段が、前記負荷装置を前記二次側コイルに接続する前の所定時間、前記受動素子を前記二次側コイルに接続し、前記一次電圧制御手段は、前記所定時間の間に、前記可変電圧高周波電源の出力電圧をVmに設定して前記可変電圧高周波電源の出力電流の値Imを計測することを特徴とする非接触給電装置。
- 請求項1から7のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次側の構成が、移動体に給電を行う給電ステーションに設置され、前記二次側の構成が、前記給電ステーションから給電を受ける前記移動体に設置されることを特徴とする非接触給電装置。
- 一次側の一次側コイルと二次側の二次側コイルとがギャップを隔てて配置され、
前記一次側で、前記一次側コイルが可変電圧高周波電源に接続され、前記一次側コイルと前記可変電圧高周波電源との間に前記一次側コイルと直列または並列に一次側コンデンサが配置され、
前記二次側で、前記二次側コイルが整流器を介して負荷装置に接続され、前記二次側コイルと前記整流器との間に前記二次側コイルと並列または直列に二次側コンデンサが配置された非接触給電装置の非接触給電方法であって、
前記負荷装置への給電に先立ち、前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離して、前記二次側コイルに受動素子を並列接続する測定モードへの切替えステップと、
前記可変電圧高周波電源の出力電圧を、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されているときの当該出力電圧よりも低いVmに設定して、前記可変電圧高周波電源の出力電流の値Imを測定する測定ステップと、
前記Vmと前記Imとを用いて、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記二次側コイルの電圧または前記整流器の出力電圧を予め定められた値に設定するための前記可変電圧高周波電源の電圧VINを算出する算出ステップと、
前記二次側で、前記受動素子を前記二次側コイルから電気的に切り離して、前記負荷装置を前記二次側コイルに接続し、前記一次側で、前記可変電圧高周波電源の電圧を、前記算出ステップで算出した電圧VINに設定して給電を行う給電ステップと
を備えることを特徴とする非接触給電方法。 - 請求項9に記載の非接触給電方法であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをZ、前記二次側コイルの電圧の予め定められた値をV2とするとき、
VIN=α×V2,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧VINを求めることを特徴とする非接触給電方法。 - 請求項9に記載の非接触給電方法であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをZ、前記整流器の出力電圧の予め定められた値をVL、前記二次側コイルの電圧V2と前記整流器の出力電圧VLとの比をβ=VL/V2とするとき、
VIN=(α/β)×VL,α={(Vm/Im)×(1/Z)}1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧VINを求めることを特徴とする非接触給電方法。
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