JP5718676B2 - 非接触充電方法及び非接触充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、非接触状態で一次側回路から二次側回路に設けられた二次電池に充電を行う非接触充電方法及び非接触充電装置に関する。

近年、様々な製品にモータなどの電動機が搭載されていると共に、これらの製品の中には電動機を駆動させるために充放電可能な二次電池を有しているものがある。二次電池は、電池の種類などによって様々な方法で充電されるが、高性能二次電池として知られるリチウムイオン電池、ニッケル水素電池などでは、定電流・定電圧制御（ＣＣ・ＣＶ充電）によって、急速かつ過充電を防止しつつ充電されることが知られている。

即ち、上記定電流・定電圧制御では、二次電池は、電池残量が少ない場合には、充電電流を一定に制御して急速に充電されると共に、電池残量が一定以上になると、電池の電圧を一定に制御しながら充電されることによって、過充電が防止されている。

ところで、自動車の分野においても、駆動源としてエンジンの他に、モータ・ジェネレータ（以下、単にモータという）を搭載すると共に、二次電池を搭載したハイブリッド自動車が案出されて普及している。このハイブリッド自動車のモータは、主に、発進時や、回生して車両の運動エネルギを電気エネルギに変換するために使用されており、二次電池への充電も、回生時に変換される電気エネルギによって行われていた。

しかしながら、環境意識の高まりなどによって、上記ハイブリッド自動車においても、モータ走行を多くして行くことが考えられており、また駆動源としてモータのみを有する電気自動車も既に実用化されている。

そして、このように、モータの使用が多くなると、二次電池の充電も外部電源から充電することが求められ、従来、この外部電源から二次電池へ充電する一つの方法として、電源設備と車両とを物理的に接続せずに非接触状態で二次電池に充電を行う方法が案出されている（特許文献１参照）。

具体的には、交流電源に接続された一次コイル（一次側トランス）を駐車スペースに埋設する共に、車両側に二次コイル（二次側トランス）を設け、車両が駐車スペースに駐車した際に、一次コイルに電流を流して磁場を発生させ、一次コイルと電磁結合された二次コイルに電流を発生させて、二次電池を充電する非接触充電システムが案出されている。

特開平８−１２６１２０号公報

このように、トランスを利用して、非接触状態で二次側回路に設けられた二次電池を充電すると、一次側回路と二次側回路とを物理的に接続する必要がないため、簡単に二次電池を充電することができる。また、上述した電気自動車やハイブリッド自動車などの電動車両の場合においては、単に車両を駐車するだけで二次電池を充電することができ、かつ、車両側に設けられた給電部へのいたずらなども防止することができるため、ユーザの利便性を向上させることができる。

ところで、上記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率の特性は、これら一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比によって決定されると共に、その電力変換効率は、一次側回路から二次側回路へ供給される充電電力によって変化する。そして、該充電電力も、二次電池の電池残量によって変化するため、充電電力の値によっては、電力変換効率が高くない状態で二次電池を充電していることがある。

特に、通常、一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比は、最も大きな充電電力が供給される際に電力変換効率が最大になるように設定されるため、上述した二次電池を定電流・定電圧制御によって充電する場合には、定電圧制御となって充電電力が小さくなると、これら一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が落ちるという問題があった。

そこで、本発明は、一次側トランスと二次側トランスのコイル間の抵抗比を、これら一次側及び二次側トランス間の電力効率が高くなるように変更することによって、上記課題を解決した非接触充電方法及び非接触充電装置を提供することを目的とする。

本発明は、交流電源（１２）に接続された一次側トランス（１３）のコイル（１６）に交流電流を供給し、該一次側トランス（１３）と電磁結合した二次側トランス（７）のコイル（１０）に電流を発生させて、一次側回路（２５）から二次側回路（２６）に設けられた二次電池（３）に非接触状態で電力を供給する非接触充電方法において、
前記一次側回路（２５）から前記二次側回路（２６）に供給している充電電力（Ｗｂ）を検出する工程（Ｓ３）と、
前記検出された充電電力（Ｗｂ）に基づいて、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるように、これら一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）を変更する工程（Ｓ４〜Ｓ１４）と、を備え、
前記二次側回路（２６）は、前記二次電池（３）の電圧が所定の電圧値以下の場合、前記二次電池（３）を充電する充電電流を所定の値に制御しながら充電し、前記二次電池（３）の電圧が所定の電圧値まで上昇すると、この所定の電圧値が保たれるように制御しながら充電を行う定電流・定電圧制御によって充電し、
前記二次電池（３）の充電の開始時には、前記一次側及び二次側トランス（１３，７）のコイル（１６，１０）間の抵抗比が最も小さくなるように前記一次側及び二次側トランス（１３，７）のコイル（１６，１０）間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）を設定した状態で前記充電電力を検出する、ことを特徴とする。

また、前記一次側及び二次側トランス（１３，７）の少なくとも一方は、前記コイル（１６，１０）を複数組、有していると共に、これら複数組のコイルのそれぞれは、スイッチング回路（３２，２９）によって、前記一次側又は二次側回路（２５，２６）との接続を断接されるように構成されており、
前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）の変更は、前記スイッチング回路（３２，２９）の複数のスイッチング状態の内、前記検出された充電電力（Ｗｂ）にて、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるスイッチング状態を選択することによって行われる。

更に、具体的には、前記一次側トランス（１３）は、前記複数組のコイル（１６）を有していると共に、前記スイッチング回路は、これら複数組のコイルにそれぞれ対応したスイッチング素子（５０ａ〜５０ｆ）を有した高周波インバータ（３２）によって構成され、
前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）の変更は、前記高周波インバータ（３２）のスイッチング素子（５０ａ〜５０ｆ）を切換えて、前記交流電源（１２）から給電する前記一次側トランス（１３）のコイル（１６）を選択することによって行われ、
前記高周波インバータ（３２）のスイッチング素子（５０ａ〜５０ｆ）は、前記二次電池（３）の充電開始時には、前記複数組の一次側トランス（１３）のコイル（１６）の全てに対して前記交流電源からの電力が給電されるように設定される。

また、本発明は、交流電源（１２）と、二次側回路（２６）に設けられた二次側トランス（７）と電磁結合する一次側トランス（１３）と、を備え、該一次側トランス（１３）に前記交流電源（１２）から交流電流が供給されることによって、前記二次側トランス（７）に非接触で電流を発生させ、前記二次側回路（２６）の二次電池（３）を充電する一次側非接触充電装置（２２）において、
前記二次側回路（２６）に前記一次側トランス（１３）が設けられた一次側回路（２５）から供給された充電電力（Ｗｂ）を検出する検出部（３５）と、
前記検出部（３５）によって検出された充電電力（Ｗｂ）に基づいて、前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）を、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるように変更するコイル変更部（５０）と、を備え、
前記コイル変更部（８０）は、前記二次電池（３）の充電の開始時には、前記一次側及び二次側トランス（１３，７）のコイル（１６，１０）間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）が最も小さくなるように前記一次側トランス（１３）のコイル（１６）を選択する、ことを特徴とする。

更に、具体的には、前記一次側トランス（１３）は、磁性体からなるコア（１５）に複数組のコイル（１６）を巻回して形成され、
前記コイル変更部（５０）は、
前記複数組のコイル（１６）それぞれに対応したスイッチング素子（５０ａ〜５０ｆ）を備えた高周波インバータ（３２）と、
前記スイッチング素子（５０ａ〜５０ｆ）のスイッチング状態を、複数あるスイッチング状態の内、前記検出部（３５）によって検出された充電電力（Ｗｂ）の値に応じて、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなる状態に選択する制御部（３３）と、を備え、
前記制御部（３３）は、前記二次電池（３）の充電開始時には、前記高周波インバータ（３２）のスイッチング素子（５０ａ〜５０ｆ）のスイッチング状態を、前記複数組の一次側トランス（１３）のコイル（１６）の全てに対して前記交流電源（１２）からの電力が給電される状態に設定する。

また、本発明は、充放電可能な二次電池（３）と、一次側回路（２５）に設けられた一次側トランス（１３）と電磁結合する二次側トランス（７）と、を備え、前記一次側トランス（１３）に交流電源（１２）から交流電流が供給されることによって、前記二次側トランス（７）に非接触で電流を発生させ、前記二次電池（３）を充電する二次側非接触充電装置（２２）において、
前記二次側トランス（７）が設けられた二次側回路（２６）に前記一次側回路（２５）から供給された充電電力（Ｗｂ）を検出する検出部（３０）と、
前記検出部（３０）によって検出された充電電力に基づいて、前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）を、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるように変更するコイル変更部（８０）と、を備え、
前記二次側回路（２６）は、前記二次電池（３）の電圧が所定の電圧値以下の場合、前記二次電池（３）を充電する充電電流を所定の値に制御しながら充電し、前記二次電池（３）の電圧が所定の電圧値まで上昇すると、この所定の電圧値が保たれるように制御しながら充電を行う定電流・定電圧制御によって充電し、
前記コイル変更部（８０）は、前記二次電池（３）の充電の開始時には、前記一次側及び二次側トランス（１３，７）のコイル（１６，１０）間の抵抗比（ｒ１／ｒ２）が最も小さくなるように前記二次側トランス（７）のコイル（１０）を選択する、ことを特徴とする。

なお、上記カッコ内の符号は、図面と対照するためのものであるが、これは、発明の理解を容易にするための便宜的なものであり、特許請求の範囲の構成に何等影響を及ぼすものではない。

請求項１に係る発明によると、一次側回路から二次側回路に供給された充電電力に応じて、一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比を、これら一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が向上するように変更することによって、効率よく一次側回路から二次側回路に非接触状態で電力を供給することができる。また、トランス間での電力損失が低下するため、これら一次側及び二次側トランスによって生じる熱量が小さくなり、特別な冷却装置などを必要とせずに、大きな電力を供給することができる。

請求項２に係る発明によると、一次側及び二次側トランスの少なくとも一方を、複数のコイルを巻回して設けると共に、これら複数のコイルのそれぞれの接続を、スイッチング回路によって断接可能に構成し、このスイッチング回路のスイッチング状態によって、使用コイルを変更するように構成したことによって、簡単な構成で一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比を変更することができる。

請求項３に係る発明によると、スイッチング回路を、高周波インバータによって構成すると共に、制御部によって上記高周波インバータのスイッチング素子を切換えてトランスの使用コイルを変更することによって、一次及び二次トランスのコイル間の抵抗比を、容易かつコンパクトな構成で変更することができる。

請求項４に係る発明によると、一次側回路から二次側回路に供給された充電電力を検出する検出部と、この検出された充電電力に基づいて一次及び二次トランスのコイル間の抵抗比を変更するコイル変更部とを設けたことによって、該トランスの使用コイルを、トランス間の電力変換効率が向上するように変更することができる。また、これら検出部及びコイル変更部を、一次側非接触充電装置に設けたことによって、二次側非接触充電装置をコンパクトに構成することができる。

請求項５に係る発明によると、一次側トランスを複数組のコイルを巻回して設け、これら複数のコイルの内、交流電源から給電されるコイルを、スイッチング素子を設けた高周波インバータによって切換えることによって、容易かつコンパクトな構成でトランスのコイル間の抵抗比を変更することができる。

請求項６に係る発明によると、一次側回路から二次側回路に供給された充電電力を検出する検出部と、この検出された充電電力に基づいて一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比を変更するコイル変更部を設けたことによって、該トランスの使用コイルを、トランス間の電力変換効率が向上するように変更することができる。また、これら検出部及びコイル変更部を、二次側非接触充電装置に設けたことによって、一次側非接触充電装置の構成によらず高い電力変換効率にて二次電池を充電することができる。

（ａ）本発明の実施形態に係る電動車両を示す模式図、（ｂ）本発明の実施形態に係るトランスを示す模式図。 本発明の第１実施形態に係る非接触充電システムを示す模式図。 本発明の第１実施形態に係る二次電池の充電制御を説明するためのグラフ。 本発明の第１実施形態に係るコイル変更部を示す模式図。 （ａ）本発明の第１実施形態に係る電力変換効率と充電電力との関係を示すグラフ，（ｂ）本発明の第１実施形態に係る一次コイルと二次コイルとの抵抗比と電力変換効率との関係を示すグラフ、（ｃ）本発明の第１実施形態に係る一次電流と充電電力との関係を示すグラフ。 本発明の第１実施形態に係る二次電池の充電時の制御を示すフローチャート図。 本発明の第２実施形態に係るコイル変更部を示す模式図。

以下、本発明の実施形態に係る非接触充電方法及び装置について図面に基づいて説明をする。なお、以下の説明において、モータとは、単に電力が供給されて駆動する狭義のモータではなく、回生して運動エネルギを電気エネルギに変換して回収する広義のモータ（モータ・ジェネレータ）を意味する。また、交流電源が設けられた電源設備側を一次側、負荷（充電回路、モータ）を備えた車両側を二次側というものとする。

［第１実施形態］
［電動車両の概要］
図１及び図２に示すように、電気自動車、プラグインハイブリッド自動車などに代表される電動車両１は、駆動源としてモータ（電動機）２を有していると共に、充放電可能な二次電池３と、該二次電池３から供給される直流電力を交流電力に変換してモータ２の巻線に供給する三相インバータ５と、この三相インバータ５を制御する制御部６と、を備えている。

また、上記電動車両１の底部には、二次側トランス７が設けられており、この二次側トランス７は、フェライト（磁性体）からなるコア９にコイル（以下、二次コイルともいう）１０を巻回し、このコイル１０が巻回されたコア９がケース１１に収納されて構成されている。

上記二次側トランス７は、車両が駐車場に停車すると、交流電源１２に接続されていると共に駐車場に埋設された一次側トランス１３と電磁結合するように構成されており、これによって、電動車両１は、駐車場に車両を駐車すると、非接触状態で二次電池３を外部電源から充電することが出来る非接触充電システム２０を構成している。

なお、上記一次側トランス１３は、二次側トランス７と同様に、フェライトからなるコア１５にコイル（以下、一次コイルともいう）１６を巻回し、このコイル１６を巻回されたコア１５がケース１７に収納されて構成されている。

［非接触充電システムの構成］
ついで、上記車両１に設けられた二次電池３に非接触状態で充電を行う非接触充電システム２０について説明を行う。

図２に示すように、非接触充電システム２０は、交流電源側の一次側非接触充電装置（一次側非接触充電装置）２１と、車両側の二次側非接触充電装置（二次側非接触充電装置）２２とが、上記一次側トランス１３及び二次側トランス７からなるトランス部２３において、非接触状態で電源側回路（一次側回路）２５から車両側回路（二次側回路）２６に電力を供給することによって構成されている。

具体的には、上記二次側非接触充電装置２２は、二次側トランス７の他に、二次電池３と、交流電流周波数において二次側トランス７の自己インダクタンスと共振させるための共振コンデンサ２７と、二次側回路２６に供給された交流電力を直流電力に変換する整流回路２９と、この整流回路２９によって変換された直流電力を調整して二次電池３を充電するための充電回路３０と、を有している。

また、当然ながら上記二次側回路２６は、上述したモータ２、三相インバータ５及び制御部６をも有していると共に、充電回路３０は、上記二次電池３に接続されている。

一方、一次側非接触充電装置２１は、一次側トランス１３の他に、商用交流電力が供給される交流電源１２と、この交流電源１２から供給された交流電力を直流電力に変換する整流装置３１と、整流装置３１によって整流された直流電力を、交流電力に変換して一次側トランス１３に供給する高周波インバータ（スイッチング回路）３２と、この高周波インバータ３２を制御する充電制御部（制御部）３３と、一次コイル１６に流れる一次電流Ｉｃを検出する電流センサ３５と、交流電源の力率を１とするための直列共振コンデンサ調整回路３６と、を備えて構成されている。

そのため、上記二次電池３を充電する場合、充電制御部３３は、まず、一次側トランス１３と二次側トランス７とが正対したことを検出し、これら一次側及び二次側トランス１３，７が正対すると、高周波インバータ３２を制御して、一次コイル１６に一次電流Ｉｃを流す。そして、一次コイル１６に一次電流Ｉｃが流れると磁場が発生すると共に、一次コイル１６と電磁結合した二次コイル１０には、この磁場によって電流が発生する。二次電池３は、この二次コイル１０に発生した交流電力が整流回路２９によって直流電力に変換され、充電回路３０を介して供給されることで充電される。

［二次電池の充電方法］
ついで、充電回路３０による二次電池３の充電方法について詳しく説明をする。上記二次電池３は、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などの高性能二次電池によって構成されていると共に、該二次電池３の充電を制御する充電回路３０は、二次電池３の電圧を検出する電圧センサ３７と、二次電池３に供給される二次充電電流Ｉｂを検出する電流センサ３９と、これら電圧センサ３７及び電流センサ３９と接続した充電ＩＣ４０と、を有している。

上記充電ＩＣ４０は、検出された二次充電電流Ｉｂの値及び二次電池３の電圧Ｖｂによって、二次電池３の電池残量ＳＯＣを算出していると共に、この二次電池３の電池残量ＳＯＣに応じて、二次電池３の充電制御を、定電流制御から定電圧制御に切換えている（定電流・定電圧制御）。

具体的には、図３に示すように、充電ＩＣ４０は、二次電池３の電池残量ＳＯＣが少なく、二次電池３の電圧Ｖｂが低い場合には、上記二次充電電流Ｉｂを所定の一定電流Ｉｓに制御しながら二次電池３を充電する（定電流制御）。

また、二次電池３が充電されて、その電圧Ｖｂが所定の電圧Ｖｓまで上昇すると、充電ＩＣ４０は、充電制御を定電流制御から定電圧制御に切換えて、二次電池３の電圧が上記所定電圧Ｖｓに保たれるように制御しながら充電を行う（定電圧制御）。

そのため、定電流制御中は、二次充電電流Ｉｂが一定でかつ、二次電池３の電圧Ｖｂも上昇して行くため、一次側回路２５から二次側回路２６へ多くの充電電力Ｗｂが供給されるが、定電圧制御中は、流れる二次充電電流Ｉｂが急速に少なくなるため、それに応じて一次側回路２５から二次側回路２６へ供給される充電電力Ｗｂも少なくなる。

即ち、充電ＩＣ４０は、充電初期の定電力制御中は、充電電力Ｗｂを大きくして急速に二次電池３を充電すると共に、充電終期の定電圧制御中は、充電電力Ｗｂを小さくして過充電を防止している。

［インダクタンス変更部の構成］
ついで、上記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比ｒ１／ｒ２を変更させるコイル変更部５０の構成について説明をする。

図２及び図４に示すように、インダクタンス変更部５０は、上記一次側トランス１３、高周波インバータ３２及び充電制御部３３を有して構成されており、一次コイル１６の抵抗値を変化させることによって、一次側及び二次側トランスの抵抗比ｒ１／ｒ２を変えるように構成されている。

より詳しくは、一次側トランス１３は、図４に示すように、コア１５に複数組（本実施形態では３組）の一次コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃが巻回されて構成されていると共に、これら複数組の一次コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃは、並列に接続されている。

また、高周波インバータ３２は、上述した複数組のコイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃのそれぞれに対応したスイッチング素子５０ａ〜５０ｆを有しており、これら複数のスイッチング素子５０ａ〜５０ｆの内、作動（入切）されるスイッチング素子５０ａ〜５０ｆ（スイッチング状態）によって、交流電源１２から電流が供給される一次コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃが決まるように構成されている。言い換えると、高周波インバータ３２は、一次側トランス１３のコイル１６のそれぞれの一次側回路２５との接続を断接するスイッチング回路となっている。

更に、充電制御部３３は、上記高周波インバータ３２の作動されるスイッチング素子５０ａ〜５０ｆの組み合わせを選択するように構成されており、該充電制御部３３によって、複数ある高周波インバータ３２のスイッチング状態を切換えることによって、給電される一次コイル１６ａ，１６ｂ，１６ｃの組み合わせが変更されて、一次側トランス１３の使用コイルが変更されるようになっている。

次に、充電制御部３３がどのように高周波インバータ３２のスイッチング状態を決定するかを説明する。

上述したトランス部（一次側及び二次側トランス間）２３の電力変換効率は、図５（ａ）に示すように、一次側回路２５から二次側回路２６へ供給された充電電力Ｗｂの値によって変化するようになっていると共に、これら電力変換効率と充電電力Ｗｂとの関係、即ち、充電変換効率の特性（充電効率曲線）は、図５（ｂ）に示すように、トランス部２３の一次コイル１６と二次コイル１０との抵抗比ｒ１／ｒ２によって変化する。

より具体的には、二次電池３の充電を行う際、一次側及び二次側トランス間の距離及びコイル周辺の物質の透磁率などは略一定であるため、一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が最も高くなる際の充電電力である最大効率充電電力Ｗｍａｘは、上記抵抗比ｒ１／ｒ２によって変化する。即ち、この抵抗比ｒ１／ｒ２の値が高くなると、上述した最大効率充電電力Ｗｍａｘの値が低くなる（負の相関関係）。

そのため、充電制御部３３は、充電制御の段階を検出する充電段階検出手段５１と、一次側回路２５から二次側回路２６に供給された充電電力Ｗｂに基づいて高周波インバータ３２のスイッチング状態を選択するスイッチング状態選択手段５２と、該スイッチング状態選択手段５２からの信号に基づいて、高周波インバータ３２のスイッチング素子を切換える切換え手段５３と、を備えており、検出された充電電力Ｗｂにて、上記トランス部２３の電力変換効率が高くなるように高周波インバータ３２のスイッチング状態を切換えるように構成されている。

即ち、上記一次側回路２５から二次側回路２６に供給された充電電力Ｗｂは、図５（ｃ）に示すように、一次電流Ｉｃと正の相関関係を有しているため、充電制御部３３は、電流センサ３５が検出した一次電流Ｉｃの値に基づいて二次側回路２６の充電電力Ｗｂを検出することができる。

そして、上記スイッチング状態選択手段５２は、図５（ｃ）に示すような、一次電流Ｉｃと二次側回路２６に供給された充電電力Ｗｂとの関係を示す切換えマップを有しており、この切換えマップに各スイッチング状態における一次コイル１６と二次コイル１０との抵抗比ｒ１／ｒ２に対応した閾値Ｉ_１，Ｉ_２を設定して、どのスイッチング状態に高周波インバータ３２を設定するか選択している。

更に詳しくは、本実施形態では、一次側トランス１３は、抵抗の同じ３つの一次コイル１６ａ〜１６ｃを並列に配列しており、これら３つの一次コイル１６ａ〜１６ｃから給電する一次コイル１６ａ〜１６ｃを選択するために、スイッチング状態選択手段５２は、少なくとも２つの閾値Ｉ_１，Ｉ_２を有している。そして、電流センサ３５が検知した一次電流Ｉｃが、高い側の第２閾値Ｉ_２よりも大きい場合（Ｉｃ＞Ｉ_２）、二次側回路２６に供給されている充電電力Ｗｂが大きいと判断して、３つの一次コイル１６全てに給電するスイッチング状態を選択するようになっている。

また、スイッチング状態選択手段５２は、一次電流Ｉｃが、第２閾値Ｉ_２よりも小さく、低い側の第１閾値Ｉ_１よりも大きい場合（Ｉ_１＜Ｉｃ＜Ｉ_２）は、二次側回路２６に供給されている充電電力Ｗｂが中程度と判断して、２つの一次コイル１６に給電するスイッチング状態を選択する。

更に、スイッチング状態選択手段５２は、一次電流Ｉｃが、第１閾値Ｉ_１よりも小さい場合（Ｉｃ＜Ｉ_１）には、充電電力Ｗｂが小さいと判断し、１つの一次コイル１６に給電するスイッチング状態を選択する。

次に、上記閾値Ｉ_１，Ｉ_２の設定方法について説明する。

上述した二次電池３の非接触充電システム２０においては、二次電池３の仕様などによって、充電回路３０の充電最大能力が決定される。

また、上記トランス部２３のコイル間の抵抗比ｒ１／ｒ２は、この充電回路３０の最大許容充電電力が、これら一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が最も高くなる最大効率充電電力Ｗｍａｘとなるようにトランス部２３のコイル間の抵抗比ｒ１／ｒ２を決定する。

上記相互インダクタンスが決定されると、二次コイル１０のインダクタンスは、一定であるため、一次側トランス１３のコイル１６の合成インダクタンスが決定される。そして、この一次コイル１６の合成インダクタンスが決定されると、複数の一次コイル１６ａ〜１６ｃそれぞれのインダクタンスも決定する。

上記閾値Ｉ_１，Ｉ_２は、図５（ｂ）に示すように、各スイッチング状態における充電効率曲線の交点に設定され、スイッチング状態選択手段５２は、一次電流Ｉｃを介して検出された充電電力Ｗｂの際に、電力変換効率が最も高くなるスイッチング状態を選択するように構成されている。

なお、本実施系形態では、上記第１乃至第３一次コイル１６ａ〜１６ｃの抵抗を全て同じに構成したが、一次側トランス１３の合成抵抗値が設計値を満たすようにして、これら複数の一次コイルそれぞれの抵抗値を変更して、より一次コイル１６と二次コイル１０との間の抵抗比の変更の幅を広げても良い。この場合、上記閾値の数は、スイッチング状態の数に応じて当然に増える。

ついで、本発明の実施形態に係る作用について図１，図２，図４及び図６に基づいて説明をする。運転者は、図１に示すように、電動車両１を駐車場に駐車して、二次側トランス７を一次側トランス１３に正対させると、一次側非接触充電装置２１に充電を開始させる。

上記一次側非接触充電装置２０は、充電制御部３３に充電開始信号が入力されると、まず、スイッチング状態選択手段５２によって、複数ある一次コイル１６ａ〜１６ｃの内、全ての一次コイルを使用するスイッチング状態が選択され、これら３つの一次コイル１６ａ〜１６ｃに一次電流Ｉｃが供給される（図６のＳ１〜Ｓ２）。

一次電流Ｉｃが一次コイル１６ａ〜１６ｃに流れると、二次側トランス７の二次コイル１０にも電流が発生すると共に、この一次側回路２５から二次側回路２６に供給された電力Ｗｂは、二次側回路２６の整流回路２９によって直流電力に変換されて充電回路３０に入力される。

この時、一次側回路２５の電流センサ３５には、二次側回路２６で二次電池３に充電された電力に応じた一次電流Ｉｃの電流値が検出され（Ｓ３）、この電流センサ３５が検出した一次電流Ｉｃの電流値が充電制御部３３に入力されると、充電制御部３３のスイッチング状態選択手段５２によって、一次電流Ｉｃの電流値を第１及び第２閾値Ｉ_１，Ｉ_２と比較する（Ｓ４）。

通常、充電初期の段階では、二次電池３の電池残量ＳＯＣが少なく、二次電池３の電圧Ｖｂも低いため、二次電池３は定電流制御によって充電される。そのため、一次側回路２５から二次側回路２２へと供給される充電電力Ｗｂも大きく、一次側回路２５の電流センサ３５によって検出される一次電流Ｉｃの値は、高い側の第２閾値Ｉ_２よりも大きくなる（Ｉｃ＞Ｉ_２）。

スイッチング状態選択手段５２は、一次電流Ｉｃの値が高い側の第２閾値Ｉ_２よりも大きいと、二次側回路２６に供給された充電電力Ｗｂが大きいと判断し（Ｓ５）、全ての一次コイル１６ａ〜１６ｃに給電する高周波インバータ３２のスイッチング状態を選択する（Ｓ７）。

具体的には、図４に示すように、高周波インバータ３２の第１乃至第６スイッチング素子５０ａ〜５０ｆは、それぞれプラス側及びマイナス側のスイッチング素子が対となって、１つの一次コイル１６ａ〜１６ｆに対応しており、スイッチング状態選択手段５２は、第１一次コイル１６ａに対応する第１スイッチング素子対５０ａ，５０ｂ、第２一次コイル１６ｂに対応する第２スイッチング素子対５０ｃ，５０ｄ、第３一次コイル１６ｃに対応する第３スイッチング素子対５０ｅ，５０ｆを作動状態にするスイッチング状態を選択する。

そして、上記スイッチング状態選択手段５２によって、高周波インバータ３２のスイッチング状態が選択されると、切換え手段５３は、これら第１乃至第３スイッチング素子対５０ａ〜５０ｆのプラス側とマイナス側のスイッチング素子を交互に入切させて、第１乃至第３一次コイル１６ａ〜１６ｃに一次電流Ｉｃを供給する。

一方、充電が進んで充電終期に近づき、充電制御が定電圧制御へと切り換えられると、二次充電電流Ｉｂの量が減少して充電電力Ｗｂの値もそれに応じて小さくなるため、一次側回路２５の電流センサ３５が検出する一次電流Ｉｃの値も小さくなる。

そして、上記電流センサ３５によって検出される一次電流Ｉｃの値が、第２閾値Ｉ_２よりも小さく、低い側の第１閾値Ｉ_１よりも大きくとなると（Ｉ_１＜Ｉｃ＜Ｉ_２）、スイッチング状態選択手段５２は、充電電力Ｗｂが中程度になったと判断し（Ｓ９）、使用する一次コイル１６が２つになるスイッチング状態を選択する（Ｓ１０）。

具体的には、スイッチング状態選択手段５２は、上記第１及び第２スイッチング素子対５０ａ，５０ｂ、５０ｃ，５０ｄを作動させ、第３スイッチング素子対５０ｅ，５０ｆをオフにするスイッチング状態を選択し、切換え手段５３は、これら第１及び第２スイッチング素子対５０ａ，５０ｂ、５０ａ，５０ｂのプラス側及びマイナス側のスイッチング素子を交互に入切して、第１及び第２一次コイル１６ａ，１６ｂに一次電流Ｉｃを供給する（Ｓ１１）。

また、二次電池３への充電が更に進んで、充電終期へと入り、一次側回路２５の電流センサ３５によって検出される一次電流Ｉｃが上記第１閾値Ｉ_１よりも小さくなると（Ｉｃ＜Ｉ_１）、スイッチング状態選択手段５２は、充電電力Ｗｂが小さくなったと判断し（Ｓ１２）、給電する一次コイル１６が１つのスイッチング状態を選択する（１３）。

具体的には、スイッチング状態選択手段５２は、上記第１スイッチング素子対５０ａ，５０ｂを作動させ、第２及び第３スイッチング素子対５０ａ，５０ｂ、５０ｅ，５０ｆをオフにするスイッチング状態を選択する。そして、切換え手段５３は、第１スイッチング素子対５０ａ，５０ｂのプラス側及びマイナス側のスイッチング素子を交互に入切して、第１一次コイル２６ａに一次電流Ｉｃを供給する（Ｓ１４）。

上述したように、非接触充電システム２０を構成すると、一次側回路２５から二次側回路２６に供給された充電電力Ｗｂに応じて、一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比ｒ１／ｒ２を、これら一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が向上するように変更することができ、効率よく一次側回路２５から二次側回路２６に非接触状態で電力を供給することができる。

また、トランス間での電力変換効率が向上し、電力損失（銅損）が低下するため、これら一次側及び二次側トランスによって生じるジュール熱が小さくなり、特別な冷却装置などを必要とせずに、大きな電力を供給することができる。

更に、一次コイル１６を並列に接続して複数設け、これら複数の一次コイル１６と交流電源１２との接続を、高周波インバータ３２のスイッチング素子５０ａ〜５０ｆにより断接可能に設けたことによって、使用するコイルを、容易かつコンパクトな構成で変更することができる。

また、電流センサ３５及びインダクタンス変更部５０を、一次側非接触充電装置２５に設けたことによって、電動車両側の二次側非接触充電装置２２をコンパクトに構成することができる。

なお、本実施形態において、一次側回路２５から二次側回路２６に供給された充電電力Ｗｂを検出する検出部として、一次側回路２５に一次電流Ｉｃを検出する電流センサ３５を設けたが、この充電電力Ｗｂは、必ずしも一次電流Ｉｃによって検出される必要はない。即ち、充電電力Ｗｂは、二次側回路２６に設けられた充電回路３０などで直接計測されても良く、これを充電制御部３３に通信によって入力しても良い。

また、本実施形態においては、一次電流Ｉｃの値に応じて使用する一次コイルの組み合わせが決まっていたが、一次コイル１６の抵抗値が同じの場合、各一次コイル１６の使用率が平準化されるようにしても良い。

更に、各一次コイル１６の抵抗値がそれぞれ違う場合においても、電動効率の向上が小さい場合には、一次コイル１６の使用率の平準化を優先するようにしても良い。即ち、電動効率が向上すれば、必ずしも最も電動効率が高くなるトランス部２３のコイル間の抵抗比ｒ１／ｒ２にしなくても良く、例えば、使用率が低く、検出された充電電力Ｗｂにて電動効率が２番目に良い抵抗比ｒ１／ｒ２にトランス部２３を設定しても良い。

また、本実施形態では、充電初期の定電流制御中は、第２閾値Ｉ_２よりも一次電流Ｉｃが大きい場合について説明したが、当然に定電流制御中であろうと一次電流Ｉｃの電流値、閾値の値によっては、トランス部２３の使用コイルを変更しても良い。

更に、必要以上に抵抗比ｒ１／ｒ２を変更しないように、充電段階検出手段５１や、充電ＩＣ４０などによって、二次電池３の充電状態を検出し、例えば、定電流充電時は、トランス部２３のコイル間の抵抗比ｒ１／ｒ２を固定し、定電圧制御に移行した際にこの抵抗比ｒ１／ｒ２を変更するようにしても良い。

［第２実施形態］
ついで、本発明に係る第２実施形態について説明をする。この第２実施形態は、上記検出部及びコイル変更部を車両側である二次側回路２６に設けたものであり、その他の構成については、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。

図６に示すように、二次側トランス７は、複数組（本実施形態においては３組）の２次コイル１０ａ〜１０ｃをコア９に巻回して構成されていると共に、これら複数の２次コイル１０ａ〜１０ｃは、それぞれ並列に接続されている。

また、整流装置（スイッチング回路）２９は、上記複数組の二次コイル１０ａ〜１０ｃのそれぞれに対応したスイッチング素子６０ａ〜６０ｆを有しており、これら複数の整流回路２９のスイッチング素子６０ａ〜６０ｆのスイッチング状態によって、二次コイル１０ａ〜１０ｃは二次側回路２６（充電回路３０）との接続を断接されるように構成されている。

更に、電動車両１の制御部（ＥＣＵ）６は、上記整流回路２９のスイッチング状態を制御する充電制御部７０を有しており、この充電制御部７０は、充電回路（検出部）３０によって検出された充電電力Ｗｂに基づいて、トランス部２３の電力変換効率が高くなるように、上記整流回路２９のスイッチング状態を選択するようになっている。

具体的には、上記充電制御部７０は、整流回路２９のスイッチング状態を選択するスイッチング状態選択手段７１と、該スイッチング状態選択手段７１が選択したスイッチング状態に上記整流回路２９のスイッチング素子６０ａ〜６０ｆに切換える切換え手段７２と、を備えている。

即ち、上記スイッチング状態選択手段７１は、第１実施形態の一次コイル１６を切換える場合とは逆に、充電電力Ｗｂが大きい場合には、充電回路３０と接続する二次コイル１０の数を少なくする。そして、充電電力Ｗｂが小さくなると、充電回路と接続する二次コイル１０の数を増やして行く。

なお、閾値の設定や制御の方法などは、上記充電電力Ｗｂと使用する二次コイル１０の数との関係が一次側回路２５に設けられた場合と逆になること以外、第１実施形態の場合と同じであるため、その説明は省略する。

このように、電圧センサ３７、電流センサ３９及び充電ＩＣ４０を有する充電回路３０を、充電電力Ｗｂを検出する検出部とすると共に、二次側トランス７、整流回路２９及び充電制御部７０によってコイル変更部８０を構成することによって、二次側回路２６からトランス部２３のコイル間の抵抗値ｒ１／ｒ２を変更することができる。

これにより、トランス間の電力変換効率を向上させることはもちろんのこと、検出部及びコイル変更部を、二次側非接触充電装置２２に設けたことによって、一次側非接触充電装置２１の構成によらず高い電力変換効率にて二次電池を充電することができる。

なお、上述した第１及び第２の実施形態では、一次側非接触充電装置２１もしくは、二次側非接触充電装置２２のいずれか一方に、検出部及びコイル変更部を設けたが、これら検出部及びコイル変更部は、一次側及び二次側非接触充電装置２１，２２の少なくとも一方に設けられていれば良く、一次側及び二次側非接触充電装置２１，２２の両方に設けられても良い。

また、上記第１及び第２実施形態に記載された発明は、どのように組わされても良いと共に、車両の充電だけではなく、種々の電動機を使用した製品にも応用することができることは言うまでもない。

３ 二次電池
７ 二次側トランス
１０ コイル（二次コイル）
１２ 交流電源
１３ 一次側トランス
１６ コイル（一次コイル）
２２ 一次側非接触充電装置
２５ 一次側回路
２６ 二次側回路
３２，２９ スイッチング回路（高周波インバータ、整流回路）
３３，７０ 制御部（充電制御部）
３５，３０ 検出部（電流センサ、充電回路）
５０，８０ コイル変更部
５０ａ〜５０ｆ スイッチング素子
Ｗｂ 充電電力
ｒ１／ｒ２ 一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比

Claims (6)

1. 交流電源に接続された一次側トランスのコイルに交流電流を供給し、該一次側トランスと電磁結合した二次側トランスのコイルに電流を発生させて、一次側回路から二次側回路に設けられた二次電池に非接触状態で電力を供給する非接触充電方法において、
   前記一次側回路から前記二次側回路に供給している充電電力を検出する工程と、
   前記検出された充電電力に基づいて、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるように、これら一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比を変更する工程と、を備え、
   前記二次側回路は、前記二次電池の電圧が所定の電圧値以下の場合、前記二次電池を充電する充電電流を所定の値に制御しながら充電し、前記二次電池の電圧が所定の電圧値まで上昇すると、この所定の電圧値が保たれるように制御しながら充電を行う定電流・定電圧制御によって充電し、
   前記二次電池の充電の開始時には、前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比が最も小さくなるように前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比を設定した状態で前記充電電力を検出する、
   ことを特徴とする非接触充電方法。
2. 前記一次側及び二次側トランスの少なくとも一方は、前記コイルを複数組有していると共に、これら複数組のコイルのそれぞれは、スイッチング回路によって、前記一次側又は二次側回路との接続を断接されるように構成されており、
   前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比の変更は、前記スイッチング回路の複数のスイッチング状態の内、前記検出された充電電力にて、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるスイッチング状態を選択することによって行われる、
   請求項１記載の非接触充電方法。
3. 前記一次側トランスは、前記複数組のコイルを有していると共に、前記スイッチング回路は、これら複数組のコイルにそれぞれ対応したスイッチング素子を有した高周波インバータによって構成され、
   前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比の変更は、前記高周波インバータのスイッチング素子を切換えて、前記交流電源から給電する前記一次側トランスのコイルを選択することによって行われ、
   前記高周波インバータのスイッチング素子は、前記二次電池の充電開始時には、前記複数組の一次側トランスのコイルの全てに対して前記交流電源からの電力が給電されるように設定される、
   請求項２記載の非接触充電方法。
4. 交流電源と、二次側回路に設けられた二次側トランスと電磁結合する一次側トランスと、を備え、該一次側トランスに前記交流電源から交流電流が供給されることによって、前記二次側トランスに非接触で電流を発生させ、前記二次側回路の二次電池を充電する一次側非接触充電装置において、
   前記二次側回路に前記一次側トランスが設けられた一次側回路から供給された充電電力を検出する検出部と、
   前記検出部によって検出された充電電力に基づいて、前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比を、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるように変更するコイル変更部と、を備え、
   前記コイル変更部は、前記二次電池の充電の開始時には、前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比が最も小さくなるように前記一次側トランスのコイルを選択する、
   ことを特徴とする一次側非接触充電装置。
5. 前記一次側トランスは、磁性体からなるコアに複数組のコイルを巻回して形成され、
   前記コイル変更部は、
   前記複数組のコイルそれぞれに対応したスイッチング素子を備えた高周波インバータと、
   前記スイッチング素子のスイッチング状態を、複数あるスイッチング状態の内、前記検出部によって検出された充電電力の値に応じて、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなる状態に選択する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記二次電池の充電開始時には、前記高周波インバータのスイッチング素子のスイッチング状態を、前記複数組の一次側トランスのコイルの全てに対して前記交流電源からの電力が給電される状態に設定する、
   請求項４記載の一次側非接触充電装置。
6. 充放電可能な二次電池と、一次側回路に設けられた一次側トランスと電磁結合する二次側トランスと、を備え、前記一次側トランスに交流電源から交流電流が供給されることによって、前記二次側トランスに非接触で電流を発生させ、前記二次電池を充電する二次側非接触充電装置において、
   前記二次側トランスが設けられた二次側回路に前記一次側回路から供給された充電電力を検出する検出部と、
   前記検出部によって検出された充電電力に基づいて、前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比を、前記一次側及び二次側トランス間の電力変換効率が高くなるように変更するコイル変更部と、を備え、
   前記二次側回路は、前記二次電池の電圧が所定の電圧値以下の場合、前記二次電池を充電する充電電流を所定の値に制御しながら充電し、前記二次電池の電圧が所定の電圧値まで上昇すると、この所定の電圧値が保たれるように制御しながら充電を行う定電流・定電圧制御によって充電し、
   前記コイル変更部は、前記二次電池の充電の開始時には、前記一次側及び二次側トランスのコイル間の抵抗比が最も小さくなるように前記二次側トランスのコイルを選択する、
   ことを特徴とする二次側非接触充電装置。

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