JPWO2006022365A1 - 非接触電力伝送装置 - Google Patents

Abstract

高効率で小型化を図ることができ、１次側コイルから不要輻射する高調波成分を低減させることのできる非接触電力伝送装置を得る。結合トランスの１次側と２次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる１次側ユニットと２次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置であって、１次側コイルＬ１と共振するコンデンサＣ１を、１次側コイルＬ１に直列に接続して１次側直列共振回路を形成し、この１次側直列共振回路と駆動回路との間に、コイルＬ３及びこのコイルＬ３に共振するコンデンサＣ７を有するＬ形共振回路を挿入し、このＬ形共振回路と前記１次側直列共振回路とを直列に接続した。

Description

本発明は、非接触電力伝送装置に関し、特に、電力伝送効率を向上させ、小型化、高効率化を図ることができ、１次側コイルから不要輻射される高調波成分を低減させることのできる非接触電力伝送装置に関する。

従来の結合トランスの１次側と２次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる１次側ユニットと２次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置においては、装置を大型化させることなく、電力伝送効率を向上させることが要求されている。
この目的を達成するために、従来は専ら、非接触トランスの結合係数を大きくすることで対処していた（例えば、特許文献１，２参照）。
特許公開２００２−１９９５９８号公報 特許公開２０００−２６９０５８号公報

しかし、結合トランスの１次コアと２次コア間のギャップが１０ｍｍ近くになると、結合係数を大きくすることは容易でない。これが高出力電力非接触電力伝送装置を実現する際における第１の阻害要因である。

また、非接触電力伝送装置において結合トランスの２次側共振回路に従来用いられている並列共振回路を用いた場合、負荷インピーダンスが低いほど負荷に供給出来る電力が少なくなるという問題があった。これが低インピーダンス負荷における非接触電力伝送装置の高出力電力実現化の第２の阻害要因である。
これを、図６を参照しながら説明する。
図６に示すような２次側並列共振回路と負荷を接続した等価回路においては、共振回路に並列に接続された負荷Ｒ_Ｌに流れる電流Ｉ_２は、角周波数をω、２次側回路の負荷をＱ_Ｌ、１次側回路のコイル電流をＩ_１、結合トランスの相互インダクタンスをＭ、二次側コイルのインダクタンスをＬ_２として以下の式で表される。

（式１）
ここで、

（式２）

であるから、式（１）に式（２）のＱ_Ｌを代入して、

（式３）

を得る。
この（式３）よれば、１次電流Ｉ_１が一定であれば、負荷Ｒ_Ｌに関係なく負荷電流Ｉ₂は一定になる。２次側は等価的に定電流電源で表される。そのため、負荷を小さくしても負荷電流が一定であるので、負荷に供給できる電力は減少することになる。

また、結合トランスの１次側を矩形波で駆動すると、結合トランスの１次側コイルＬ_１から空間に高調波成分が不要輻射され周囲の電子機器を妨害するおそれがあった。
そこで、非接触給電装置において、１次側給電線（１次側コイル）の高調波電流を低減するために、１次側給電線の手前にローパスフイルターを接続した回路が提案されている（例えば、特許文献３参照）。
特開平１１−２２４８２２号 公報

この文献に記載の回路では、コイルとコンデンサとからなるローパスフイルターの後段に、１次側給電電線を直列に接続している。この文献に記載の技術によっても、ある程度は１次側給電電線の不要輻射を低減させることができるが、全体の共振回路のＱの大きさが不十分で、１次側コイルにおいて未だ歪み率が大きいという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、小型かつ高効率で、１次側コイルから不要輻射する高調波成分を低減させることのできる非接触電力伝送装置の提供を目的とする。

本発明の発明者は、装置を大型化することなく高効率に電力の伝送を行うことができるようにするために、１次側と２次側の相互インダクタンスに着目した。
結合トランスの相互インダクタンスＭは、結合係数をｋ、１次側コイルのインダクタンスをＬ_１，２次側コイルのインダクタンスをＬ_２として、
Ｍ＝ｋ√（Ｌ_１・Ｌ_２） （式４）
で表される。

この式４は、１次側コイルのインダクタンスＬ_１や２次側コイルのインダクタンスＬ_２を大きくすることで相互インダクタンスＭを大きくでき、これによって結合係数を向上させるのと同様の効果が得られ、電力伝送効率を上げることができることを示している。
また、本発明の発明者は、直列共振回路では、Ｉ_２＝（ω×Ｍ×Ｉ_１）／Ｒ_Ｌであることから、直列共振回路を１次側若しくは１次側及び２次側の双方に設けることで、電力伝送効率を高めることができる点に着目した。

さらに、本発明の発明者は、１次側の直列共振回路と駆動回路との間に、コイルとコンデンサをＬ形に接続してなる共振回路を直列に挿入することで、高周波インバータからの矩形波駆動を、１次側コイルで歪みの少ない正弦波電圧波形にすることができ、空間への高調波成分の不要輻射が低減できることを見出した。

具体的に本発明の非接触電力電送装置は、請求項１に記載するように、結合トランスの１次側と２次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる１次側ユニットと２次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置であって、１次側コイルと共振するコンデンサを、前記１次側コイルに直列に接続して１次側直列共振回路を形成し、この１次側直列共振回路と駆動回路との間に、コイル及びこのコイルに共振するコンデンサを有するＬ形共振回路を挿入し、このＬ形共振回路と前記１次側直列共振回路とを直列に接続した構成としてある。
この場合、請求項２に記載するように、１次側だけでなく２次側についても、２次側コイルと共振するコンデンサを、前記２次側コイルと直列に接続して２次側直列共振回路を形成するとよい。

本発明の非接触電力電送装置において、駆動回路としては高周波インバータを含むものを利用することができ、ハーフブリッジ形、フルブリッジ形のいずれでもあってもよい。
前記したＬ形共振回路は、請求項３に記載するように、ローパスフイルター等のフィルタを構成するものとするとよい。そして、この場合のＬ形共振回路の共振周波数は、請求項４に記載するように、前記駆動回路の駆動周波数よりも５％〜２５％低いものであるとよい。
前記１次側直列共振回路の共振周波数は、請求項５に記載するように、前記駆動回路の駆動周波数と同じにするとよい。同様に、２次側直列共振回路の共振周波数についても、請求項６に記載するように、前記高周波インバータの駆動周波数と同じにするとよい。

なお、本発明の非接触電力電送装置においては、請求項７に記載するように、前記１次側直列共振回路において、他のコンデンサを前記１次側コイルと並列接続してもよい。
このようにすることで、１次側直列共振回路を構成するコンデンサと前記他のコンデンサの値の設定により、２次側出力電圧を加減できるようになる。
本発明におけるＬ形共振回路は、請求項８に記載するように、インピーダンスマッチング回路として構成することも可能である。そして、Ｌ形共振回路を利用して、Ｌ形共振回路側から見た１次側直列共振回路のインピーダンスと、１次側直列共振回路側から見たＬ形共振回路のインピーダンスとが等しくなるようにインピーダンスマッチングを行うことができる。

本発明によれば、１次側又は１次側及び２次側の双方に直列共振回路を設けることで、伝送効率の向上と装置の小型化を図ることができる。
また、１次側コイルを含む１次側直列共振回路とＬ形共振回路とを直列に接続することで、高周波インバータからの矩形波駆動電圧を、１次側コイルで電圧波形の歪みが少ない正弦波電圧波形に変換することが可能になり、１次側コイルから空間への高調波成分の不要輻射を低減することができる。
上記したような本発明の非接触電力伝送装置は、特に高電力の電力伝送において効果的である。

本発明の一実施形態にかかり、非接触電力伝送装置の回路構成を説明する図である。 図１の非接触電力伝送装置の変形例にかかり、その回路構成を説明する図である。 結合トランスの一例にかかる、その構成を説明する概略図である。 この実施形態の非接触電力伝送装置の作用を説明するタイムチャートである。 直列共振回路を１次側及び２次側に設けた場合に残存する問題点を説明する回路図である。 従来の非接触電力伝送装置における第２の問題点を説明するための回路（等価回路）図である

符号の説明

Ｌ_１：１次側コイル
Ｌ_２：２次側コイル
Ｃ_１：１次側直列共振用のコンデンサ
Ｃ_２：２次側直列共振用のコンデンサ
Ｌ_３：Ｌ形共振回路のコイル
Ｃ_７：Ｌ形共振回路のコンデンサ

以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
まず、図３を参照しながら、この実施形態における結合トランスの構成を説明する。
図３に示すように、１次側ユニット（紙面左側のユニット）に設けたＵ字型の１次コアの胴部に１次巻き線を巻き回して１次側コイルＬ_１を形成する。また、２次側ユニット（同右側のユニット）に設けたＵ字型の２次コアの胴部に巻き線を巻き回して２次側コイルＬ_２を形成する。この２次側コイルＬ_２を用いて、１次側コイルＬ_１の磁力線から高周波電力を取り出す。
結合トランスの１次側ユニット１と２次側ユニットとの間には、１次側ユニットの樹脂製外郭と２次側ユニットの樹脂製外郭が介在している。そして、結合トランスの１次側ユニットのＵ字型コアの脚部の先端と２次側Ｕ字型コアの脚部の先端とが、これら樹脂製外郭により、数ｍｍのギャップを隔てて対向している。

次に、本発明の非接触電力伝送装置の回路構成を、図１及び図２を参照しながら説明する。
図１に示すように、１次側コイルＬ_１と直列にコンデンサＣ₁を接続し、１次側直列共振回路を形成する。また、２次側コイルＬ_２にコンデンサＣ_２を直列に接続して、２次側直列共振回路を形成する。
そして、結合トランスの１次側コイルＬ_１と直列に接続しているコンデンサＣ_１の共振周波数が、インバータの駆動周波数と同じになるように、また、結合トランスの２次側コイルＬ_２と直列に接続してあるコンデンサＣ_２の共振周波数が、インバータの駆動周波数と同じになるように設定する。

１次側ユニット１のインバータは、図１に示すように、１次側整流回路の直流出力を電源とする。前記インバータはハーフブリッジ接続され２相発振器により駆動される。この２相発振器は、インバータを構成する電界効果トランジスタＱ_１のゲート−ソース（Ｇ−Ｓ）間及び電界効果トランジスタＱ_２のＧ−Ｓ間にデットタイムを設けて、交互に電圧駆動する固定周波数の発振器である。

また、インバータにおいては、電界効果トランジスタＱ₁のドレインＤを１次側整流回路のＶＣＣ側に接続し、電界効果トランジスタＱ_１のソースＳと電界効果トランジスタＱ_２のドレインＤを直列に接続し、電界効果トランジスタＱ_２のソースＳを１次側整流回路のＧＮＤ側に接続している。
この実施形態では、前記したインバータ、１次側整流器及び２相発信器が駆動回路を構成する。

上記のように、１次側及び２次側に直列共振回路を設けることで、高効率で電力を２次側に供給することができる。しかし、直列共振回路を設けただけでは、高調波成分の不要輻射という問題が依然残存する。
すなわち、図５に示すように、１次側コイルにコンデンサを直列接続して直列共振回路を形成すると、１次側コイルに印可する駆動電圧は歪が多い正弦波であることから、１次側コイルの駆動電圧の高調波成分が空間に不要輻射されることになる。

そこで、この実施形態では、図１に示すように、電界効果トランジスタＱ_１のソースＳと電界効果トランジスタＱ_２のドレインＤの接続点にコイルＬ_３を接続し、さらに、このコイルＬ_３と共振するコンデンサＣ_７を、図示するように逆Ｌ字形に直列接続して、共振回路（本明細書において「Ｌ形共振回路」という）を形成している。

そして、このＬ形共振回路のコイルＬ_３とコンデンサＣ_７の接続点にコンデンサＣ_１を接続するとともに、コンデンサＣ_１の他端を１次側コイルＬ_１に接続する。また、１次側コイルＬ_１の他端を電界効果トランジスタＱ_２のソースＳに接続する。電界効果トランジスタＱ_１のドレインＤとソースＳに並列にコンデンサＣ_３を、電界効果トランジスタＱ_２のドレインＤとソースＳに並列にコンデンサＣ_４を接続する。
なお、符号Ｄ_１、Ｄ_２は、電界効果トランジスタＱ_１、Ｑ_２のボディダイオードである。

上記したＬ形共振回路のコイルＬ_３は、インバータの駆動周波数において結合トランスの１次側コイルＬ_１に流す電流を決める目的で設置される。すなわち、１次側コイルＬ_１に流れる電流が所望の値になるように、コイルＬ_３のインダクタンスを決定し、しかる後、コイルＬ_３とコンデンサＣ_７の共振周波数が、前記駆動周波数より５％〜２５％低くなるように、好ましくは１０％〜２０％低くなるように、コンデンサＣ_７の値を決定する。

このように、本発明の非接触電源伝送装置では、インバータの駆動周波数より共振周波数が１０％〜２０％程度低く設定されたＬ形共振回路と、結合トランスの１次側コイルＬ_１とコンデンサＣ_１とから構成されインバータの駆動周波数に合わせた共振周波数の１次側直列共振回路とが、２段直列に接続された構成となっている。
この実施形態におけるＬ形共振回路は、フィルター（ローパスフィルター）としての機能も併せ持ち、１次側コイルＬ_１からの高調波成分の不要輻射を低減することができる。
また、上記のＬ形共振回路を利用して、Ｌ形共振回路から見た１次側コイルＬ_１及び１次側コイルＬ_１と直列に接続されたコンデンサＣ_１のインピーダンスと、１次側コイルＬ_１及びコンデンサＣ_１から見たＬ形共振回路のインピーダンスが等しくなるように、インピーダンスマッチングを行っている。

図２は、図１に示す非接触電力伝送装置の変形例である。この実施形態では、図１の１次側コイルＬ_１にコンデンサＣ_８をさらに並列接続している。
図２のコンデンサＣ_１とコンデンサＣ_８を加算したキャパシタンスの値は、図１の非接触電力伝送装置におけるコンデンサＣ_１の値と同じに設定する。
この実施形態によれば、コンデンサＣ_８を追加することで、電界効果トランジスタＱ_１、Ｑ_２のドレイン電流を、図１における電界効果トランジスタＱ_１、Ｑ_２のドレイン電流より少なくでき、また、コンデンサＣ_１，Ｃ_８の値の設定により、２次側出力電圧を加減できるという利点がある。

本発明の作用を、図４のタイミングチャートを参照しながら説明する。
図４のタイミングチャートにおいて電界効果トランジスタＱ_１のＧ−Ｓ間を駆動する電圧をＱ_１Ｖ_ＧＳと表し、電界効果トランジスタＱ_２のＧ−Ｓ間を駆動する電圧をＱ_２Ｖ_ＧＳと表す。
同様に、図４のタイミングチャートにおいて電界効果トランジスタＱ_１の電圧Ｑ_１Ｖ_ＧＳと電界効果トランジスタＱ_２の電圧Ｑ_２Ｖ_ＧＳ間のデットタイムを、Ｄtと表す。
図１又は図２の回路図及び図４のタイムチャートにおいて、Ｑ_１のＯＦＦ直前をＴ_０とする。

Ｔ_０以前はＱ_１のゲート−ソース間にゲート電圧が加えられている。この状態を
Ｑ_１Ｖ_ＧＳＯＮとする。Ｑ_１Ｖ_ＧＳＯＮの期間Ｑ_１Ｖ_DＳに電流が流れＯＮ状態である。この状態をＱ_１ＯＮとする。
Ｑ_１ＯＮの期間中にＱ_２のドレインには電源電圧ＶＣＣが印可されている。この間、Ｑ_１のドレイン電流Ｉ_DSが暫時増加している。Ｌ_３の電流はＴ_０の時点でＱ_１のドレイン電流Ｉ_DSと同じ大きさになっている。

Ｔ_０の時点でＱ_１をＯＦＦにすると、Ｌ_３の自己誘導作用によりＬ_３に流れていた電流がＣ_３、Ｃ_４に分岐して流れ、Ｑ_２Ｖ_DＳを暫減させＴ_１の時点で零ボルトにいたる。この時点でＱ_２がまだＯＮしていない場合、コンデンサＣ_３，Ｃ_４に流れていた電流はＤ_２に移行する。
コンデンサＣ_４，ドレインＤ_２の電流はＱ_２のソース側からドレイン側に流れている。

Ｔ_２の時点でＱ_２がＯＮすると、ドレインＤ_２に流れていた電流はＱ_２に移行する。電流はＱ_２のソース側からドレイン側に流れている。コイルＬ_３の電流はＴ_０の時点から暫減しており、１次側コイルＬ_１の電流が０Ａを下回ると、Ｑ_２の電流がソースからドレインへと流れ時間と共に増加していく。Ｔ_３の時点でＱ_２がＯＦＦすると、Ｑ_１がＯＦＦした時と同じような動作を行いＱ_２Ｖ_ＤＳは増加していきＶＣＣ電圧に達する。Ｑ_１、Ｑ_２は交互にＯＮ−ＯＦＦを繰り返しＬ形共振回路に高周波電流を供給する事となる。
本発明によれば、２次側において、２次側コイルＬ_２には１次側コイルＬ_１と同様の正弦波の電圧波形が表れ、このときの１次側から２次側への総合電力伝送効率は８０％以上の高効率にすることができる。また、結合トランスの１次側コイルＬ_１の電圧、電流は歪みの少ない正弦波になり、駆動周波数の高調波成分が空間に不要輻射されるのを低減できる。
本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、上記の説明では、１次側と２次側の両方に直列共振回路を設けるものとして説明したが、１次側の一方だけであってもよい。

本発明の非接触電力伝送装置は、車両やロボット、その他の電動機器に用いられるバッテリーへの充電や、これら機器への電源供給に適用が可能である。

Claims (8)

1. 結合トランスの１次側と２次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる１次側ユニットと２次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置であって、
   １次側コイルと共振するコンデンサを、前記１次側コイルに直列に接続して１次側直列共振回路を形成し、この１次側直列共振回路と駆動回路との間に、コイル及びこのコイルに共振するコンデンサを有するＬ形共振回路を挿入し、このＬ形共振回路と前記１次側直列共振回路とを直列に接続したこと、
   を特徴とする非接触電力伝送装置。
2. ２次側コイルと共振するコンデンサを、前記２次側コイルと直列に接続して２次側直列共振回路を形成したことを特徴とする請求項１に記載の非接触電力伝送装置。
3. 前記Ｌ形共振回路がフイルターを構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の非接触電力伝送装置。
4. 前記Ｌ形共振回路の共振周波数を、前記駆動回路の駆動周波数よりも５％〜２５％低くしたことを特徴とする請求項３に記載の非接触電力伝送装置。
5. 前記１次側直列共振回路の共振周波数を、前記駆動回路の駆動周波数に合わせたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
6. 前記２次側直列共振回路の共振周波数を、前記駆動回路の駆動周波数に合わせたことを特徴とする請求項２に記載の非接触電力伝送装置。
7. 前記１次側直列共振回路において、他のコンデンサを前記１次側コイルと並列に接続したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。
8. 前記Ｌ形共振回路がインピーダンスマッチング回路を構成することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。

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