JP5794563B2 - Contactless power supply system - Google Patents

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Description

本発明は非接触給電システムに関し、特に電力を伝送するために相対向するコイルの間隔が大きい場合に適用して有用なものである。   The present invention relates to a non-contact power feeding system, and is particularly useful when applied to a case where a gap between opposing coils is large in order to transmit power.

電気自動車に対する次世代の充電方式として、利便性等の観点から非接触充電技術が注目されている。この種の非接触充電技術としては、電磁誘導による非接触充電技術が最も汎用性があるものとして提案されている。電磁誘導による非接触充電技術においては地上側に配設された固定コイルに車両側に搭載した車載コイルを相対向させて両コイルを介した電磁結合を利用して地上側から車両側へ充電用の電力を供給している。   As a next-generation charging method for an electric vehicle, a non-contact charging technique is attracting attention from the viewpoint of convenience and the like. As this type of non-contact charging technology, a non-contact charging technology using electromagnetic induction has been proposed as having the most versatility. In non-contact charging technology using electromagnetic induction, charging is performed from the ground side to the vehicle side using electromagnetic coupling via both coils, with the on-board coil mounted on the vehicle side opposed to the stationary coil arranged on the ground side. Is supplying power.

非接触給電および非接触充電の一例として図６に示すような双方向非接触給電システムが提案されている（非特許文献１参照）。同図に示すように、当該双方向非接触給電システムは、インバータまたはコンバータとして機能する電力変換装置１，２、スイッチＳＷ１，ＳＷ２で交互に選択される直流電源ＤＣ１，ＤＣ２、スイッチＳＷ４，ＳＷ３で交互に選択される負荷Ｒ１，Ｒ２ならびにノイズカット用のリアクトルＬ１，Ｌ２および平滑用のコンデンサＣ３，Ｃ４を有している。   As an example of non-contact power feeding and non-contact charging, a bidirectional non-contact power feeding system as shown in FIG. 6 has been proposed (see Non-Patent Document 1). As shown in the figure, the bidirectional non-contact power feeding system includes power converters 1 and 2 that function as inverters or converters, DC power sources DC1 and DC2 that are alternately selected by switches SW1 and SW2, and switches SW4 and SW3. Loads R1 and R2 that are alternately selected, reactors L1 and L2 for noise reduction, and capacitors C3 and C4 for smoothing are provided.

一方側の電力変換装置１と他方側の電力変換装置２とは非接触トランス３を介して電磁結合され、双方向の電力授受を行うようになっている。すなわち、電力変換装置１をインバータとして機能させる場合にはスイッチＳＷ１を投入するとともに、スイッチＳＷ４を投入して電力変換装置２をコンバータとして機能させる。逆の場合には、スイッチＳＷ２を投入するとともに、スイッチＳＷ３を投入して電力変換装置２をインバータとして機能させるとともに、電力変換装置１をコンバータとして機能させる。ここで、非接触トランス３とは、一方側のコイル３Ａと他方側のコイル３Ｂとを分割し、故意にギャップを介して相対向させたトランスをいう。   The power converter 1 on one side and the power converter 2 on the other side are electromagnetically coupled via a non-contact transformer 3 so that bidirectional power transfer is performed. That is, when the power conversion device 1 functions as an inverter, the switch SW1 is turned on and the switch SW4 is turned on so that the power conversion device 2 functions as a converter. In the opposite case, the switch SW2 is turned on and the switch SW3 is turned on to cause the power conversion device 2 to function as an inverter and to cause the power conversion device 1 to function as a converter. Here, the non-contact transformer 3 is a transformer in which the coil 3A on one side and the coil 3B on the other side are divided and deliberately opposed to each other through a gap.

このように非接触トランス３を介して電力の授受を行わせる場合、漏れ磁束の増大に伴い一方側のコイル３Ａと他方側のコイル３Ｂとの双方と鎖交する磁束が減少し、相互インダクタンスＭが小さくなる。このため、非接触トランス３を用いる非接触給電方式では、１０ｋＨｚ以上の高い周波数ωでコイル電流をスイッチングしたり、コンデンサＣ１，Ｃ２をコイル３Ａ，３Ｂの近傍へ挿入して良好な電力伝送を担保している。加えて、双方向性を保証するため、図５では最もシンプルな構成である直列−直列型のコンデンサ配置として一方側と他方側の回路を同様に構成している。   When power is exchanged through the non-contact transformer 3 in this way, the magnetic flux interlinking with both the one side coil 3A and the other side coil 3B decreases with an increase in leakage magnetic flux, and the mutual inductance M Becomes smaller. For this reason, in the non-contact power feeding method using the non-contact transformer 3, the coil current is switched at a high frequency ω of 10 kHz or more, or the capacitors C1 and C2 are inserted in the vicinity of the coils 3A and 3B to ensure good power transmission. doing. In addition, in order to guarantee bidirectionality, the circuit on one side and the other side are similarly configured as a series-series capacitor arrangement which is the simplest configuration in FIG.

かかる非接触充電を効率よく行うためには、例えば家側に設置される固定コイルである一方側のコイル３Ａと車載コイルである他方側のコイル３Ｂとの間の間隔をあまり拡大させないことが肝要である。コイル３Ａ，３Ｂ間の間隔が増大すれば両者の結合係数ｋが小さくなり、コイル３Ａ，３Ｂを大型化する等、結合係数ｋを維持させる設計をしない限り、実用的な電力伝送をすることができないからである。すなわち、例えば電磁結合方式の場合には高周波電源側から見た負荷側の合成インピーダンスＺにおいて結合係数ｋが負荷抵抗Ｒの係数となっているので、結合係数ｋが小さくなると、これに伴い無効電力に較べ、伝送される電力の実部が小さくなってしまう。この結果、効率の良い電力伝送を行うことができない。   In order to efficiently perform such non-contact charging, for example, it is important not to increase the distance between the coil 3A on one side which is a fixed coil installed on the house side and the coil 3B on the other side which is a vehicle-mounted coil. It is. If the interval between the coils 3A and 3B increases, the coupling coefficient k between the two becomes small, and practical power transmission can be performed unless the coupling coefficient k is designed to be maintained, such as increasing the size of the coils 3A and 3B. It is not possible. That is, for example, in the case of the electromagnetic coupling method, the coupling coefficient k is a coefficient of the load resistance R in the combined impedance Z on the load side as viewed from the high frequency power supply side. Compared with this, the real part of the transmitted power becomes smaller. As a result, efficient power transmission cannot be performed.

したがって、非接触給電方式において一次側インバータ出力側から見た負荷側の合成インピーダンスにおいて結合係数ｋが負荷抵抗Ｒの係数とならなければ、結合係数ｋが小さくなっても、すなわち非接触部を構成するため相対向させるコイルの間隔が大きくても実用的な非接触給電が可能になる。   Therefore, if the coupling coefficient k does not become the coefficient of the load resistance R in the combined impedance on the load side viewed from the output side of the primary inverter in the non-contact power feeding method, the non-contact portion is configured even if the coupling coefficient k is small. Therefore, practical non-contact power feeding becomes possible even if the interval between the coils facing each other is large.

電力中央研究所報告（Ｈ０９０１５）Report of Central Research Institute of Electric Power (H09015)

本発明は、上記従来技術に鑑み、結合係数が小さい場合でも効率の良い電力伝送が可能な非接触給電を行い得る非接触給電システムを提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a non-contact power feeding system capable of performing non-contact power feeding capable of efficient power transmission even when the coupling coefficient is small.

上記目的を達成する本発明の構成は次の知見を基礎とするものである。いま、図１に示すような回路を考える。当該回路は自己インダクタンスＬが同じ４個のコイルを間隔を置いて並べることにより、全体として３段の非接触トランスを構成したもので、周波数ωの高周波電源から負荷抵抗Ｒに非接触で電力伝送を行うものである。ここで、各非接触トランス間の結合係数をｋａ、ｋｂとする。また、２番目と３番目のコイルには自己インダクタンスＬと共振するように、式（１）が成立するようなコンデンサＣを接続して閉回路を構成する。   The configuration of the present invention that achieves the above object is based on the following knowledge. Consider a circuit as shown in FIG. The circuit consists of four coils with the same self-inductance L arranged at intervals to form a three-stage non-contact transformer as a whole. Power is transmitted from the high-frequency power source of frequency ω to the load resistor R in a non-contact manner. Is to do. Here, the coupling coefficients between the non-contact transformers are ka and kb. Further, a closed circuit is configured by connecting a capacitor C such that the expression (1) holds so that the second and third coils resonate with the self-inductance L.

（１／ｊωＣ）＋ｊωＬ＝０ ・・・・（１）
ここで、１番目と２番目のコイル間および３番目と４番目のコイル間の結合係数をともにｋａとし、２番目と３番目のコイル間の結合係数をｋｂとすると各結合係数ｋａ，ｋｂに対応する相互インダクタンスＭａ，Ｍｂは次式（２）、（３）で表わされる。 (1 / jωC) + jωL = 0 (1)
Here, when the coupling coefficient between the first and second coils and between the third and fourth coils is ka, and the coupling coefficient between the second and third coils is kb, the coupling coefficients ka and kb are Corresponding mutual inductances Ma and Mb are expressed by the following equations (2) and (3).

Ｍａ＝ｋａ・Ｌ ・・・・（２）
Ｍｂ＝ｋｂ・Ｌ ・・・・（３）
ここで、図２に示すような図１の等価回路を考えると、漏れインダクタンスＬａ＋Ｌｂは次式（４）のように示される。 Ma = ka · L (2)
Mb = kb · L (3)
Here, considering the equivalent circuit of FIG. 1 as shown in FIG. 2, the leakage inductance La + Lb is expressed by the following equation (4).

Ｌ＝Ｍａ＋Ｌａ＋Ｌｂ＋Ｍｂ ・・・・（４）
また、次式（５）
Ｍｂ＜＜Ｌ ・・・・（５）
が成立するとすると、式（１）は次式（６）で表わされる。 L = Ma + La + Lb + Mb (4)
Moreover, following Formula (5)
Mb << L (5)
Is established, the expression (1) is expressed by the following expression (6).

（１／ｊωＣ）＋ｊω（Ｍａ＋Ｌａ＋Ｌｂ）≒０ ・・・・（６）
この結果、高周波電源側から見た合成インピーダンスＺは次式（７）で表わされる。 (1 / jωC) + jω (Ma + La + Lb) ≈0 (6)
As a result, the combined impedance Z viewed from the high frequency power supply side is expressed by the following equation (7).

Ｚ≒２ｊω（Ｌａ＋Ｌｂ）＋Ｒ＋（ｋａ／ｋｂ）ｊω（２ｋｂ−ｋａ）Ｌ ・・・・（７）
ここで、例えば、ｋａ／ｋｂ＝２となるように結合係数ｋａ，ｋｂを決めると式（７）は結合係数ｋｂによらず次式（８）で表わされる。
Ｚ＝２ｊω（Ｌａ＋Ｌｂ）＋Ｒ ・・・・（８） Z≈2jω (La + Lb) + R + (ka / kb) jω (2 kb−ka) L (7)
Here, for example, when the coupling coefficients ka and kb are determined so that ka / kb = 2, Expression (7) is expressed by the following Expression (8) regardless of the coupling coefficient kb.
Z = 2jω (La + Lb) + R (8)

すなわち、合成インピーダンスＺの実部Ｒｅ（Ｚ）＝Ｒとなるので、多段の非接触トランスにおける結合係数の比率を適切に設定してやることにより結合係数が小さくても非接触の電力伝送を良好に成立させることができる。例えば３段の非接触トランスを用いた場合において比率が２：１：２であれば実用的な電力伝送が実現される。   In other words, since the real part Re (Z) of the combined impedance Z is R, by appropriately setting the ratio of the coupling coefficient in the multi-stage non-contact transformer, non-contact power transmission can be satisfactorily established even if the coupling coefficient is small. Can be made. For example, when a three-stage non-contact transformer is used, practical power transmission is realized if the ratio is 2: 1: 2.

これらの解析結果は、共振周波数が一致した２個以上のＬＣ回路を並設した場合には、結合係数が小さくても有意な非接触電力伝送が実現可能であることを意味している。   These analysis results mean that when two or more LC circuits having the same resonance frequency are arranged in parallel, significant non-contact power transmission can be realized even if the coupling coefficient is small.

本発明は上記知見に基づき、上述の如き目的を達成するもので、その第１の態様は、
それぞれの自己インダクタンスＬが等しい４個のコイルを、隣接するコイル間に所定の間隔を介して順次並設するとともに、両端部以外の各コイルと各コイルの両端に接続された各コンデンサでそれぞれ形成する閉回路が共振回路となっている３段の非接触トランスを有する非接触電力伝送部と、
直流電源が接続され、該直流電源の直流出力電圧を交流電圧に変換するとともに、変換した交流電圧が前記非接触電力伝送部の一端側のコイルに印加されるように前記一端側のコイルが接続されてインバータとして駆動される一方の電力変換装置と、
前記非接触電力伝送部の他端側のコイルに接続され、該他端側のコイルを介して印加される交流電圧を直流出力電圧に変換し、該直流出力電圧を直流負荷に印加するコンバータとして駆動される他方の電力変換装置とを有する非接触給電システムであって、
前記一端側のコイルとこれに隣接するコイル、該コイルとこれに隣接するコイル、該コイルと前記他端側のコイルの結合係数をＡ，Ｂ，Ｃとするとき、Ａ＝Ｃで、かつＡまたはＣとＢとの比が一定になるように構成するとともに、この場合の当該非接触給電システムの等価回路において、１番目と２番目の前記コイル間および３番目と４番目の前記コイル間の結合係数をともにｋａとし、２番目と３番目の前記コイル間の結合係数をｋｂとするときの前記結合係数ｋａ，ｋｂに対応する相互インダクタンスＭａ，Ｍｂのうち、相互インダクタンスＭｂがＭｂ＜＜Ｌとなる条件のもとで、前記等価回路の高周波電源側から見たインピーダンスＺが、
Ｚ≒２ｊω（Ｌａ＋Ｌｂ）＋Ｒ＋（ｋａ／ｋｂ）ｊω（２ｋｂ−ｋａ）Ｌと、表される（ただし、Ｌａ，Ｌｂは、前記等価回路における漏れインダクタンス、ω＝高周波電源の周波数、Ｒは負荷抵抗）ことを利用して前記インピーダンスの虚部の（ｋａ／ｋｂ）ｊω（２ｋｂ−ｋａ）Ｌの項の値を小さくするために（２ｋｂ−ｋａ）≒０が成立するように前記結合係数ＡまたはＣとＢとの比を構成したことを特徴とする非接触給電システムにある。 The present invention achieves the above-described object based on the above findings, and the first aspect thereof is
Four coils having the same self-inductance L are sequentially arranged in parallel with each other at a predetermined interval between adjacent coils, and each coil other than both ends and each capacitor connected to both ends of each coil are formed. A non-contact power transmission unit having a three-stage non-contact transformer whose closed circuit is a resonance circuit;
A DC power supply is connected, and the DC output voltage of the DC power supply is converted into an AC voltage, and the coil on one end side is connected so that the converted AC voltage is applied to the coil on one end side of the non-contact power transmission unit. One of the power conversion devices driven as an inverter,
As a converter that is connected to a coil on the other end side of the non-contact power transmission unit, converts an AC voltage applied through the coil on the other end side into a DC output voltage, and applies the DC output voltage to a DC load. A non-contact power feeding system having the other power converter to be driven,
When the coupling coefficients of the coil on one end side and the coil adjacent thereto, the coil and the coil adjacent thereto, and the coil and the coil on the other end side are A, B, and C, A = C and A Alternatively, the ratio of C and B is configured to be constant, and in this case the equivalent circuit of the non-contact power feeding system, between the first and second coils and between the third and fourth coils. Of the mutual inductances Ma and Mb corresponding to the coupling coefficients ka and kb when the coupling coefficient is ka and the coupling coefficient between the second and third coils is kb, the mutual inductance Mb is Mb << L The impedance Z seen from the high-frequency power source side of the equivalent circuit under the conditions
Z≈2jω (La + Lb) + R + (ka / kb) jω (2 kb−ka) L (where La and Lb are leakage inductances in the equivalent circuit, ω = frequency of the high-frequency power source, and R is load resistance) ) To reduce the value of the term (ka / kb) jω (2 kb−ka) L of the imaginary part of the impedance, the coupling coefficient A or so that (2 kb−ka) ≈0 is established. In the non-contact power feeding system, the ratio of C and B is configured .

本態様によれば、各コイルの間隔を適切にすることにより、当該非接触給電システムの等価回路の電源側から見たインピーダンスにおける虚部の値を可及的に小さくすることができるので、インピーダンスの実部の要素となる固定値である負荷抵抗Ｒに対する虚部の（ｋａ／ｋｂ）ｊω（２ｋｂ−ｋａ）Ｌの項の値を可及的に小さくすることができ、２番目と３番目の前記コイル間の結合係数ｋｂが小さくてもその影響を大きく受けることなく、有効電流を負荷抵抗に供給することができるので、効率的な電力伝送を行い得る。また、かかる電力伝送は、Ｍｂ＜＜Ｌの条件のもとで行われるので、多段の非接触トランスの共振回路を構成する隣接するコイル同士の間隔（ギャップ）を大きくすることができ、その分製作が容易になる。 According to this aspect, the value of the imaginary part in the impedance viewed from the power supply side of the equivalent circuit of the non-contact power feeding system can be made as small as possible by making the interval between the coils appropriate. The value of the ( imaginary) part (ka / kb) jω (2 kb-ka) L with respect to the load resistance R, which is a fixed value that is an element of the real part, can be made as small as possible. Even if the coupling coefficient kb between the coils is small, an effective current can be supplied to the load resistance without being greatly affected by the coupling coefficient kb, so that efficient power transmission can be performed. Further, since such power transmission is performed under the condition of Mb << L, the interval (gap) between adjacent coils constituting the resonance circuit of the multi-stage non-contact transformer can be increased. Easy to manufacture.

本発明の第２の態様は、
第１の態様に記載する非接触給電システムにおいて、
前記結合係数Ａ，Ｂ，Ｃの比を２：１：２としたことを特徴とする非接触給電システムにある。 The second aspect of the present invention is:
In the non-contact power feeding system described in the first aspect,
In the non-contact power feeding system, the ratio of the coupling coefficients A, B, and C is 2: 1: 2 .

本態様によれば、当該非接触給電システムにおける等価回路のインピーダンスＺの式における第３項の値を零にすることができる。 According to this aspect, Ru can be the value of the third term in the equation of the impedance Z of the equivalent circuit in the contactless power supply system to zero.

本発明の第３の態様は、
第１または第２の態様に記載する非接触給電システムにおいて、
前記一方および他方の電力変換装置は、インバータまたはコンバータの何れか一方として駆動されるとともに、スイッチ手段を介して直流電源および直流負荷がそれぞれ接続されており、インバータ駆動される一方または他方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して前記直流電源が接続され、コンバータ駆動される他方または一方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して直流負荷が接続されるように構成されていることを特徴とする非接触給電システムにある。 The third aspect of the present invention is:
In the non-contact power feeding system described in the first or second aspect,
The one and the other power conversion devices are driven as either an inverter or a converter, and a DC power source and a DC load are connected to each other via a switch means, and the one or the other power conversion driven by the inverter The apparatus is configured such that the DC power supply is connected to the apparatus via the switch means, and a DC load is connected to the other or one of the power converters driven by the converter via the switch means. The contactless power supply system.

本態様によれば、非接触トランスを構成する第２のコイルと第３のコイルとの間隔（ギ
ャップ）を大きくした状態で双方向給電が可能になる。 According to this aspect, the distance between the second coil and the third coil (non-contact transformer)
Bidirectional power supply becomes possible with a larger cap.

本発明の第４の態様は、
第１〜第３の態様の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、
一方および他方の前記電力変換装置と、前記直流負荷および直流電源との間に昇降圧コンバータを配設するとともに、
一方側から他方側に電力を供給する際には、一方側の昇降圧コンバータを昇圧コンバータとして動作させるとともに他方側の昇降圧コンバータを必要に応じて降圧コンバータとして動作させるように制御する一方、他方側から一方側に電力を供給する際には逆の動作になるように制御するように構成したことを特徴とする非接触給電システムにある。 The fourth aspect of the present invention is:
In the non-contact power feeding system according to any one of the first to third aspects,
While arranging a buck-boost converter between the one and the other power conversion device and the DC load and the DC power supply,
When supplying power from one side to the other side, the one side buck-boost converter is controlled to operate as a boost converter and the other side buck-boost converter is controlled to operate as a step-down converter as needed, while the other side When the electric power is supplied from one side to the other side, the non-contact power feeding system is configured so as to perform the reverse operation.

本態様によれば、インバータとして機能する電力変換装置に入力される直流電圧および
コンバータとして機能する電力変換装置から出力される直流電圧を所望の電圧値に任意に
調節することができる。この結果、非接触電力伝送部におけるコイルの結合係数に基づき
変化しても一方側と他方側とでの電源電圧および負荷電圧を容易に対称とすることができ
る。 According to this aspect, the DC voltage input to the power conversion device functioning as an inverter and
Arbitrary DC voltage output from the power converter functioning as a converter to a desired voltage value
Can be adjusted. As a result, based on the coupling coefficient of the coil in the non-contact power transmission unit
Even if it changes, the power supply voltage and load voltage on one side and the other side can be easily made symmetrical.
The

本発明の第５の態様は、
第１〜第４の態様の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、
前記一端側のコイルおよび前記一方の電力変換装置は家側に設置され、
前記他端側のコイルおよび前記他方の電力変換装置は車両側に搭載されていることを特徴とする非接触給電システムにある。
According to a fifth aspect of the present invention,
In the non-contact power feeding system according to any one of the first to fourth aspects,
The one end side coil and the one power conversion device are installed on the house side,
Wherein the other end of the coil and the other of the power converter is in a non-contact power supply system, characterized in that mounted on the vehicle side.

本態様によれば、一方の電力変換装置が車両に搭載されて移動するものであっても、第
２のコイルと第３のコイルとの間隔を大きくとることができるので、両者間の非接触給電
を容易に行うことができる。 According to this aspect, even if one power converter is mounted on a vehicle and moves,
Since the distance between the second coil and the third coil can be increased, non-contact power feeding between them
Can be easily performed.

本発明によれば、高周波電源から見た合成インピーダンスＺの実部Ｒｅ（Ｚ）＝Ｒとなり負荷抵抗Ｒの項を独立に含ませることができるので、結合係数ｋが負荷抵抗Ｒの係数とならない。この結果、非接触部分のコイルの間隔を大きくすることができ、コイルの大型化を招来することなく所定の非接触給電システムの構築を容易にすることができる。   According to the present invention, since the real part Re (Z) = R of the combined impedance Z as viewed from the high frequency power supply, and the term of the load resistance R can be included independently, the coupling coefficient k does not become the coefficient of the load resistance R. . As a result, the interval between the coils in the non-contact portion can be increased, and the construction of a predetermined non-contact power feeding system can be facilitated without causing an increase in the size of the coil.

本発明の基礎となる知見を説明するための回路図である。It is a circuit diagram for demonstrating the knowledge used as the foundation of this invention. 図１の回路の等価回路図である。FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the circuit of FIG. 1. 本発明の実施の形態に係る双方向非接触給電システムを示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the bidirectional | two-way non-contact electric power feeding system which concerns on embodiment of this invention. 図１に示す双方向非接触給電システムにより一方側から他方側へ電力伝送を行う場合の態様を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the aspect in the case of transmitting electric power from one side to the other side by the bidirectional | two-way non-contact electric power feeding system shown in FIG. 図１に示す双方向非接触給電システムにより他方側から一方側へ電力伝送を行う場合の態様を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the aspect in the case of performing electric power transmission from the other side to one side by the bidirectional | two-way non-contact electric power feeding system shown in FIG. 従来技術に係る双方向非接触給電システムを示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the bidirectional | two-way non-contact electric power feeding system which concerns on a prior art.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図３は本発明の実施の形態に係る双方向非接触給電システムを示すブロック線図である。同図に示すように、本形態に係る双方向非接触給電システムは、図６に示す双方向非接触給電システムと同様に、一方側（図中の左側；以下同じ）と他方側（図中の右側；以下同じ）とが分離されて対称に構成されており、図６に示すシステムの非接触トランス３の代わりに非接触電力伝送部３を構成するとともに昇降圧コンバータ７，８を追加したものである。その他の構成は図６に示す双方向非接触給電システムと同様であるので、図６と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。   FIG. 3 is a block diagram showing a bidirectional contactless power feeding system according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, the bidirectional non-contact power feeding system according to this embodiment is similar to the bidirectional non-contact power feeding system shown in FIG. 6 on one side (left side in the figure; the same applies hereinafter) and the other side (in the figure). The right side of the system; the same applies hereinafter) is separated and configured symmetrically, and instead of the non-contact transformer 3 of the system shown in FIG. 6, the non-contact power transmission unit 3 is configured and the buck-boost converters 7 and 8 are added. Is. Since the other configuration is the same as that of the bidirectional non-contact power feeding system shown in FIG. 6, the same parts as those in FIG.

図３に示すように、非接触電力伝送部３は、４個のコイル３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄを隣接するコイル（３Ａ，３Ｃ）、（３Ｃ，３Ｄ）、（３Ｄ，３Ｂ）間に所定の間隔を介して順次並設するとともに、コイル３Ｃ，３ＤとコンデンサＣ５，Ｃ６とでそれぞれ形成する閉回路が共振回路となっている３段の非接触トランス４，５，６を有している。   As shown in FIG. 3, the non-contact power transmission unit 3 has four coils 3A, 3B, 3C, 3D that are arranged between adjacent coils (3A, 3C), (3C, 3D), (3D, 3B). Are arranged in parallel with each other, and the three-stage non-contact transformers 4, 5, and 6 have a closed circuit formed by the coils 3C and 3D and the capacitors C5 and C6 as a resonance circuit. .

ここで、本形態におけるコイル３Ａ〜３Ｄはそれぞれの自己インダクタンスが同一で、かつコイル３Ａ，３Ｃ間、コイル３Ｃ，３Ｄ間、およびコイル３Ｄ，３Ｂ間の結合係数をｋａ，ｋｂ，ｋｃとするとき、比率が２：１：２となるように構成してある。   Here, the coils 3A to 3D in the present embodiment have the same self-inductance, and the coupling coefficients between the coils 3A and 3C, between the coils 3C and 3D, and between the coils 3D and 3B are ka, kb, and kc. The ratio is 2: 1: 2.

昇降圧コンバータ７は、一方側で直流電源ＤＣ１および負荷Ｒ１と電力変換装置１との間に接続され、昇降圧コンバータ８は、他方側で直流電源ＤＣ２および負荷Ｒ２と電力変換装置２との間に接続されている。かくして、一方側から他方側に電力を伝送する場合には、スイッチ手段ＳＷ１がＯＮ状態となって直流電源ＤＣ１を昇降圧コンバータ７の入力側に接続するとともにスイッチ手段ＳＷ４がＯＮ状態となって負荷Ｒ２を昇降圧コンバータ８の出力側に接続する。反対に、他方側から一方側に電力を伝送する場合には、スイッチ手段ＳＷ２がＯＮ状態となって直流電源ＤＣ２を昇降圧コンバータ８の入力側に接続するとともにスイッチ手段ＳＷ３がＯＮ状態となって負荷Ｒ１を昇降圧コンバータ７の出力側に接続するように制御される。   The buck-boost converter 7 is connected on one side between the DC power source DC1 and the load R1 and the power converter 1, and the buck-boost converter 8 is connected on the other side between the DC power source DC2 and the load R2 and the power converter 2. It is connected to the. Thus, when power is transmitted from one side to the other side, the switch means SW1 is turned on to connect the DC power source DC1 to the input side of the buck-boost converter 7 and the switch means SW4 is turned on to load. R2 is connected to the output side of the buck-boost converter 8. Conversely, when power is transmitted from the other side to one side, the switch means SW2 is turned on to connect the DC power source DC2 to the input side of the step-up / down converter 8 and the switch means SW3 is turned on. The load R1 is controlled to be connected to the output side of the step-up / down converter 7.

かかる昇降圧コンバータ７，８はそのスイッチング制御により、電力変換装置１，２に印加する入力電圧を所定の値に調整するとともに、負荷Ｒ２，Ｒ１に印加する入力電圧を所定の値に調整する。   The buck-boost converters 7 and 8 adjust the input voltage applied to the power converters 1 and 2 to a predetermined value and adjust the input voltage applied to the loads R2 and R1 to a predetermined value by switching control.

上述の電力変換装置１，２の所定周波数（例えば１０ｋＨｚ）でのスイッチング、昇降圧コンバータ７，８の電圧調整のためのスイッチングおよびスイッチ手段ＳＷ１〜ＳＷ８の開閉制御は図示しない制御手段により行われる。   The above-described switching of the power converters 1 and 2 at a predetermined frequency (for example, 10 kHz), switching for voltage adjustment of the step-up / down converters 7 and 8, and opening / closing control of the switch means SW1 to SW8 are performed by a control means (not shown).

上述の如き本形態によれば、一方側から他方側へ電力伝送を行う場合には、インバータとして機能させる一方側の電力変換装置１に、スイッチ手段ＳＷ１を介して一方側の直流電源ＤＣ１を接続し、コンバータとして機能させる他方側の電力変換装置２に、スイッチ手段ＳＷ４を介して他方側の負荷Ｒ２を接続するとともに、他方側から一方側に電力を供給する場合には、他方側の機器と一方側の機器の機能が逆転されるように接続することができるので、双方向の電力伝送を良好に行うことができる。   According to the present embodiment as described above, when power is transmitted from one side to the other side, the DC power source DC1 on one side is connected to the power converter 1 on one side that functions as an inverter via the switch means SW1. When the other side power converter 2 that functions as a converter is connected to the other side load R2 via the switch means SW4 and power is supplied from the other side to the one side, Since the connection of the device on one side can be reversed, bidirectional power transmission can be performed satisfactorily.

ここで、本形態の場合には上式（８）が成立している。すなわち、非接触電力伝送部３を介して結合された一方側と他方側とにおいて、一方側の高周波電源から見た他方側の合成インピーダンスＺの実部Ｒｅ（Ｚ）＝Ｒとなり負荷抵抗Ｒ２または負荷抵抗Ｒ１の項を独立に含ませることができる。この結果、結合係数ｋａ，ｋｂ，ｋｃは負荷抵抗Ｒ１，Ｒ２の係数とならない。したがって、非接触電力伝送部３において隣接するコイル３Ａ〜３Ｄ間の間隔を大きくしても充分な効率で電力伝送を行うことができる。   Here, in the case of this embodiment, the above equation (8) is established. That is, on one side and the other side coupled via the non-contact power transmission unit 3, the real part Re (Z) = R of the combined impedance Z on the other side viewed from the high-frequency power source on one side becomes the load resistance R2 or The term of load resistance R1 can be included independently. As a result, the coupling coefficients ka, kb, kc do not become the coefficients of the load resistances R1, R2. Therefore, even if the interval between the adjacent coils 3A to 3D in the non-contact power transmission unit 3 is increased, power transmission can be performed with sufficient efficiency.

本形態では、電力変換装置１，２のスイッチング周波数をｋＨｚのオーダーとしたが、結合係数ｋａ〜ｋｃが小さくても充分な伝送効率が担保されているので、充分効率の良い電力伝送を行うことができる。   In this embodiment, the switching frequency of the power converters 1 and 2 is set to the order of kHz, but sufficient transmission efficiency is ensured even when the coupling coefficients ka to kc are small, so that sufficiently efficient power transmission is performed. Can do.

また、本形態では昇降圧コンバータ７，８を具備するので、結合係数ｋａ，ｋｂ，ｋｃの影響で電圧が変動しても電力変換装置１，２の入力電圧または出力電圧を任意に調整することができる。この結果、直流電源ＤＣ１，ＤＣ２や負荷Ｒ１，Ｒ２の性能にかかわらず電力変換装置１，２に対する所望の入出力電圧に調整し得る。この結果、副次的な効果として、複数のバッテリーをユニット化したモジュールで直流電源を形成した場合等、その冗長性を確保し得る。すなわち、例えばバッテリーの放電に伴い出力電圧が単調減少した場合でもその出力電圧の昇圧により定格通りの性能を発揮させることが可能になる。   In addition, since the step-up / down converters 7 and 8 are provided in this embodiment, the input voltage or the output voltage of the power converters 1 and 2 can be arbitrarily adjusted even if the voltage fluctuates due to the influence of the coupling coefficients ka, kb, and kc. Can do. As a result, it can be adjusted to a desired input / output voltage for the power converters 1 and 2 regardless of the performance of the DC power supplies DC1 and DC2 and the loads R1 and R2. As a result, as a secondary effect, when a DC power source is formed by a module in which a plurality of batteries are unitized, the redundancy can be secured. That is, for example, even when the output voltage monotonously decreases as the battery is discharged, it is possible to exhibit the performance as rated by boosting the output voltage.

また、一方側および他方側の具体的な構成は、上述の如き構成を備えていれば、それ以上特別な制限はないが、例えば一方側を家等の固定部とし、他方側を車両とした場合の双方向非接触給電システムとして有用なものとなる。この場合、非接触電力伝送部３のコイル３Ａを家側に、コイル３Ｂを車両側に搭載し、車両の移動によりコイル３Ｃとコイル３Ｄとを相対向させれば良い。ここで、車載側の機器はハイブリッド電気自動車や電気自動車に装備されている機器をそのまま流用できる。特に、車載用のバッテリーは車両走行用のモーターが主な負荷となる。   Further, the specific configuration on one side and the other side is not particularly limited as long as it has the above-described configuration. For example, one side is a fixed part such as a house and the other side is a vehicle. This is useful as a bidirectional non-contact power feeding system. In this case, the coil 3A of the non-contact power transmission unit 3 is mounted on the house side, the coil 3B is mounted on the vehicle side, and the coil 3C and the coil 3D may be opposed to each other by moving the vehicle. Here, as a vehicle-mounted device, a hybrid electric vehicle or a device equipped in an electric vehicle can be used as it is. In particular, an in-vehicle battery is mainly loaded with a vehicle driving motor.

したがって、一方側を家側とし、他方側を車両として通常は家側から車載バッテリーに充電を行い、非常時に車載バッテリーを電源として家側の負荷の電力を賄う等の使用態様に適用して有用なシステムを構築することができる。また、この場合、車載バッテリーは、通常多数のバッテリーをユニット化したモジュールで形成されているので、その冗長性も確保し得る。   Therefore, it is useful to apply to usage modes where one side is the house side, the other side is the vehicle, and the in-vehicle battery is normally charged from the house side, and the in-vehicle battery is used as a power source to cover the load on the house side in an emergency. System can be constructed. Further, in this case, since the vehicle-mounted battery is usually formed by a module in which a large number of batteries are unitized, the redundancy can be ensured.

図４は、図３に示す双方向非接触給電システムにより一方側から他方側へ電力伝送を行う場合の態様の一例を示すブロック線図である。同図に示す例では直流電源ＤＣ１の出力電圧を昇降圧コンバータ７で昇圧して電力変換装置１に印加するとともに非接触電力伝送部３を介して他方側に伝送された電力をそのまま（必要に応じ昇降圧コンバータ８により電圧調整を行っても良い）負荷Ｒ２に供給している。   FIG. 4 is a block diagram illustrating an example of a mode in which power transmission is performed from one side to the other side by the bidirectional contactless power feeding system illustrated in FIG. 3. In the example shown in the figure, the output voltage of the DC power supply DC1 is boosted by the buck-boost converter 7 and applied to the power converter 1, and the power transmitted to the other side via the non-contact power transmission unit 3 is used as it is (necessary. In response, the voltage may be adjusted by the step-up / down converter 8).

一方、図５は、図３に示す双方向非接触給電システムにより逆に（他方側から一方側へ）電力伝送を行う場合の態様の一例を示すブロック線図である。同図に示す例では直流電源ＤＣ２の出力電圧を昇降圧コンバータ８で昇圧して電力変換装置２に印加するとともに非接触電力伝送部３を介して一方側に伝送された電力をそのまま（必要に応じ昇降圧コンバータ７により電圧調整を行っても良い）負荷Ｒ１に供給している。   On the other hand, FIG. 5 is a block diagram illustrating an example of a mode in which power transmission is performed in reverse (from the other side to one side) by the bidirectional non-contact power feeding system illustrated in FIG. In the example shown in the figure, the output voltage of the DC power source DC2 is boosted by the step-up / down converter 8 and applied to the power converter 2, and the power transmitted to one side via the non-contact power transmission unit 3 is used as it is (necessary. In response, the voltage may be adjusted by the step-up / step-down converter 7).

このように昇降圧コンバータ７，８を有する場合には、各部の電圧を任意に調節することができ、種々の定格の直流電源ＤＣ１，ＤＣ２や負荷Ｒ１，Ｒ２に柔軟に対応することができるという固有の効果は発揮される。これら昇降圧コンバータ７，８は受電側の電圧値を問わなければ必ずしも必要ではない。   As described above, when the step-up / step-down converters 7 and 8 are provided, the voltage of each part can be arbitrarily adjusted, and the DC power sources DC1 and DC2 of various ratings and the loads R1 and R2 can be flexibly handled. An inherent effect is exhibited. These step-up / down converters 7 and 8 are not necessarily required unless the voltage value on the power receiving side is questioned.

また、結合係数ｋａ，ｋｂ，ｋｃの比率は２：１：２である必要はない。ｋａまたはｋｃとｋｂとの比が一定であればよい。さらに、各コイル３Ａ〜３Ｄの自己インダクタンスが同じである必要もない。   Further, the ratio of the coupling coefficients ka, kb, and kc is not necessarily 2: 1: 2. The ratio of ka or kc and kb may be constant. Furthermore, the self-inductances of the coils 3A to 3D do not have to be the same.

また、上記実施の形態における非接触電力伝送部３は４個のコイル３Ａ〜３Ｄで３段の非接触トランス４〜６を構成するようにしたが、少なくとも４個のコイルで、少なくとも３段の非接触トランスが形成されていれば良い。   Moreover, although the non-contact electric power transmission part 3 in the said embodiment comprised 3 steps | paragraphs of non-contact transformers 4-6 by four coils 3A-3D, at least 3 steps | paragraphs were comprised by at least 4 coils. A non-contact transformer may be formed.

本発明は電気自動車と家等の固定設備との間で双方向に電力伝送を行うシステムを構築する産業分野において利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in the industrial field of constructing a system for bidirectional power transmission between an electric vehicle and a fixed facility such as a house.

１、２ 電力変換装置
３ 非接触電力伝送部
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄ コイル
４，５，６ 非接触トランス
７，８ 昇降圧コンバータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Power converter 3 Non-contact electric power transmission part 3A, 3B, 3C, 3D Coil 4, 5, 6 Non-contact transformer 7, 8 Buck-boost converter

Claims (5)

それぞれの自己インダクタンスＬが等しい４個のコイルを、隣接するコイル間に所定の間隔を介して順次並設するとともに、両端部以外の各コイルと各コイルの両端に接続された各コンデンサでそれぞれ形成する閉回路が共振回路となっている３段の非接触トランスを有する非接触電力伝送部と、
直流電源が接続され、該直流電源の直流出力電圧を交流電圧に変換するとともに、変換した交流電圧が前記非接触電力伝送部の一端側のコイルに印加されるように前記一端側のコイルが接続されてインバータとして駆動される一方の電力変換装置と、
前記非接触電力伝送部の他端側のコイルに接続され、該他端側のコイルを介して印加される交流電圧を直流出力電圧に変換し、該直流出力電圧を直流負荷に印加するコンバータとして駆動される他方の電力変換装置とを有する非接触給電システムであって、
前記一端側のコイルとこれに隣接するコイル、該コイルとこれに隣接するコイル、該コイルと前記他端側のコイルの結合係数をＡ，Ｂ，Ｃとするとき、Ａ＝Ｃで、かつＡまたはＣとＢとの比が一定になるように構成するとともに、この場合の当該非接触給電システムの等価回路において、１番目と２番目の前記コイル間および３番目と４番目の前記コイル間の結合係数をともにｋａとし、２番目と３番目の前記コイル間の結合係数をｋｂとするときの前記結合係数ｋａ，ｋｂに対応する相互インダクタンスＭａ，Ｍｂのうち、相互インダクタンスＭｂがＭｂ＜＜Ｌとなる条件のもとで、前記等価回路の高周波電源側から見たインピーダンスＺが、
Ｚ≒２ｊω（Ｌａ＋Ｌｂ）＋Ｒ＋（ｋａ／ｋｂ）ｊω（２ｋｂ−ｋａ）Ｌと、表される（ただし、Ｌａ，Ｌｂは、前記等価回路における漏れインダクタンス、ω＝高周波電源の周波数、Ｒは負荷抵抗）ことを利用して前記インピーダンスの虚部の（ｋａ／ｋｂ）ｊω（２ｋｂ−ｋａ）Ｌの項の値を小さくするために（２ｋｂ−ｋａ）≒０が成立するように前記結合係数ＡまたはＣとＢとの比を構成したことを特徴とする非接触給電システム。 Four coils having the same self-inductance L are sequentially arranged in parallel with each other at a predetermined interval between adjacent coils, and each coil other than both ends and each capacitor connected to both ends of each coil are formed. A non-contact power transmission unit having a three-stage non-contact transformer whose closed circuit is a resonance circuit;
A DC power supply is connected, and the DC output voltage of the DC power supply is converted into an AC voltage, and the coil on one end side is connected so that the converted AC voltage is applied to the coil on one end side of the non-contact power transmission unit. One of the power conversion devices driven as an inverter,
As a converter that is connected to a coil on the other end side of the non-contact power transmission unit, converts an AC voltage applied through the coil on the other end side into a DC output voltage, and applies the DC output voltage to a DC load. A non-contact power feeding system having the other power converter to be driven,
When the coupling coefficients of the coil on one end side and the coil adjacent thereto, the coil and the coil adjacent thereto, and the coil and the coil on the other end side are A, B, and C, A = C and A Alternatively, the ratio of C and B is configured to be constant, and in this case the equivalent circuit of the non-contact power feeding system, between the first and second coils and between the third and fourth coils. Of the mutual inductances Ma and Mb corresponding to the coupling coefficients ka and kb when the coupling coefficient is ka and the coupling coefficient between the second and third coils is kb, the mutual inductance Mb is Mb << L The impedance Z seen from the high-frequency power source side of the equivalent circuit under the conditions
Z≈2jω (La + Lb) + R + (ka / kb) jω (2 kb−ka) L (where La and Lb are leakage inductances in the equivalent circuit, ω = frequency of the high-frequency power source, and R is load resistance) ) To reduce the value of the term (ka / kb) jω (2 kb−ka) L of the imaginary part of the impedance, the coupling coefficient A or so that (2 kb−ka) ≈0 is established. A non-contact power feeding system characterized in that a ratio of C and B is configured . 請求項１に記載する非接触給電システムにおいて、
前記結合係数Ａ，Ｂ，Ｃの比を２：１：２としたことを特徴とする非接触給電システム。 In the non-contact electric power feeding system described in Claim 1,
A non-contact power feeding system, wherein the ratio of the coupling coefficients A, B, and C is 2: 1: 2. 請求項１または請求項２に記載する非接触給電システムにおいて、
前記一方および他方の電力変換装置は、インバータまたはコンバータの何れか一方として駆動されるとともに、スイッチ手段を介して直流電源および直流負荷がそれぞれ接続されており、インバータ駆動される一方または他方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して前記直流電源が接続され、コンバータ駆動される他方または一方の電力変換装置には前記スイッチ手段を介して直流負荷が接続されるように構成されていることを特徴とする非接触給電システム。 In the non-contact electric power feeding system according to claim 1 or 2,
The one and the other power conversion devices are driven as either an inverter or a converter, and a DC power source and a DC load are connected to each other via a switch means, and the one or the other power conversion driven by the inverter The apparatus is configured such that the DC power supply is connected to the apparatus via the switch means, and a DC load is connected to the other or one of the power converters driven by the converter via the switch means. Non-contact power supply system. 請求項１〜請求項３の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、
一方および他方の前記電力変換装置と、前記直流負荷および直流電源との間に昇降圧コンバータを配設するとともに、
一方側から他方側に電力を供給する際には、一方側の昇降圧コンバータを昇圧コンバータとして動作させるとともに他方側の昇降圧コンバータを必要に応じて降圧コンバータとして動作させるように制御する一方、他方側から一方側に電力を供給する際には逆の動作になるように制御するように構成したことを特徴とする非接触給電システム。 In the non-contact electric power feeding system as described in any one of Claims 1-3,
While arranging a buck-boost converter between the one and the other power conversion device and the DC load and the DC power supply,
When supplying power from one side to the other side, the one side buck-boost converter is controlled to operate as a boost converter and the other side buck-boost converter is controlled to operate as a step-down converter as needed, while the other side A non-contact power feeding system configured to perform control so as to perform reverse operation when power is supplied from one side to one side. 請求項１〜請求項４の何れか一つに記載する非接触給電システムにおいて、
前記一端側のコイルおよび前記一方の電力変換装置は家側に設置され、
前記他端側のコイルおよび前記他方の電力変換装置は車両側に搭載されていることを特
徴とする非接触給電システム。 In the non-contact electric power feeding system as described in any one of Claims 1-4,
The one end side coil and the one power conversion device are installed on the house side,
Contactless power supply system wherein the other end of the coil and the other of the power converter, characterized in that mounted on the vehicle side.
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