WO2010131732A1 - 非接触給電装置 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の第1実施形態に係る非接触電源回路装置の一例として、電気自動車等の車両用電池及び電力負荷と共に用いられる非接触給電装置20を説明する。
図1は、非接触給電装置20の電気回路図を示している。本第1実施形態に係る非接触給電装置20は、高周波交流電源回路6と、高周波交流電源回路6から出力された電力の非接触給電を行う非接触給電部10と、非接触給電部10により電力が供給される負荷7とを備えている。
図10は、本発明の第2実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第2実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の送電回路部100の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第2実施形態で適宜援用する。
図12は、本発明の第3実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第3実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の送電回路部100の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第3実施形態で適宜援用する。
図14は、本発明の第4実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第4実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の送電回路部100の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第4実施形態で適宜援用する。
図16は、本発明の第5実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第5実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の受電回路部200の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第5実施形態で適宜援用する。
図18は、本発明の第6実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第6実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の受電回路部200の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第6実施形態で適宜援用する。
図20は、本発明の第7実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第7実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の受電回路部200の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第7実施形態で適宜援用する。
図22は、本発明の第8実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第8実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の受電回路部200の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第8実施形態で適宜援用する。
図24は、本発明の第9実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第9実施形態では上述した第1実施形態に対して、図1の受電回路部200の回路と異なる回路を用いる点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第9実施形態で適宜援用する。
図26は、本発明の第10実施形態に係る非接触給電装置20を示す回路部である。本第10実施形態では上述した第1実施形態に対して、一次巻線101と二次巻線201のインダクタンスの大きさと、コンデンサ102、202、203の容量の大きさの条件を規定する点が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第10実施形態で適宜援用する。
C1p=1/(L1(2πf0)2) (式1)
次に、図27に示す、1次側の回路のインピーダンス特性(Z)及び位相特性(Φ)を図28に示す。図28は、周波数に対する、1次側の回路のインピーダンス特性(Z)及び位相特性(Φ)を示すグラフである。
C2p<(L1/L2)C1p (式2)
図26の回路の2次側の回路のインピーダンス特性(Z)及び位相特性(Φ)を図30に示しつつ、式2について、説明する。図30は、周波数に対する、2次側の回路のインピーダンス特性(Z)及び位相特性(Φ)を示すグラフである。
f0<fb (式4)
式4に対して、式1及び式3を代入することで、式2が導かれる。すなわち、式4を満たすように、基本波周波数(f0)を第2共振周波数(fb)より低い周波数に設定するように、回路設計することで、式2の条件が満たされる。
(C2s+C2p)>(L1/L2)C1p (式5)
図31の回路の2次側の回路のインピーダンス特性(Z)及び位相特性(Φ)を図30に示しつつ、式5について、説明する。
f0>fa (式7)
式7に対して、式1及び式6を代入することで、式5が導かれる。すなわち、式7を満たすように、基本波周波数(f0)を第1共振周波数(fa)より高い周波数に設定するように、回路設計することで、式5の条件が満たされる。
C2p<(L1/L2)C1p<(C2s+C2p) (式8)
これにより、インピーダンス(Z2)の位相特性(Φ)は、位相の傾きが発散する点を二点(図30に示す、第1共振周波数(fa)と第2共振周波数(fb)に相当する。)有し、当該二点(fa),(fb)の間で、周波数軸と平行になる部分を有し、基本波周波数成分(f0)が第1共振周波数(fa)と第2共振周波数(fb)との間にある、特性を有する。その結果、1次側から2次側へ供給される電力の効率が向上する。
図33は、インピーダンス特性(Zin)の極軌跡を示す。図33は、式9の極のうち、回路特性に影響が大きい2つの代表特性根、すなわち、虚軸Im(Imaginary)側に最も近い極1及び虚軸Im側に2番目に近い極2を示す。一次巻線101と二次巻線201との結合係数kを0付近から増加させると、極1及び極2は、図33に示すような、軌跡を描く。すなわち、極1は、結合係数kの増加に伴い、虚軸Imから離れ、極2は、結合係数kの増加に伴い、極1に近づく特性を示す。
図36は、本発明の第11実施形態に係る非接触給電装置20を示す電気回路図である。本第11実施形態では上述した第1実施形態に対して、高周波交流電源回路6から非接触給電部10への出力電圧波形が異なる。これ以外の構成は上述した第1実施形態と同じであるため、第1実施形態の記載を本第11実施形態で適宜援用する。
スイッチS1 キャリア≦Vx/2のときON
キャリア>Vx/2のときOFF
スイッチS2 キャリア≦Vx/2のときOFF
キャリア>Vx/2のときON
スイッチS3 キャリア≦Vrefかつキャリア≦Vref+Vx/2のときON
キャリア<Vref又はキャリア>Vref+Vx/2のときOFF
スイッチS4 キャリア≧Vrefかつキャリア≦Vref+Vx/2のときOFF
キャリア<Vref又はキャリア>Vref+Vx/2のときON
上記の条件により、図39(b)に示す、スイッチングパルス(SW1)が形成される。
T=Ton+Toff=Ton1+Ton2+Toff1+Toff2 (式10)
そして、Tonをトランジスタ63cのオン期間とし、Toffをトランジスタ63cのオフ期間としDをデューティ比とすると、
(数12)
Ton=Tn1+Ton2,Toff=Toff1+Toff2,D=Ton/T (式11)
となる。デューティ比Dは電圧振幅指令設定部82aにより設定される振幅指令値(Vref)により決まり、周期Tは周波数指令設定部81aにより設定される周波数指令値(fref)により決定される。
a=Toff1/2,b=tb,c=Toff2/2,d=Ton1-tb
e=Ton2/2,f=tb,g=Ton2/2,h=Toff2-tb
ここで、休止期間tbは、トランジスタ(スイッチング素子)63a~63dのスイッチングのオン及びオフを制御することにより、非接触給電部10への供給電圧を休止させるための期間であり、周期(T)及びデューティ比(D)に基づき、制御部8により設定される。周期(T)、デューティ比(D)及び休止期間(tb)には、予め設定されている関係をもち、周期(T)又はデューティ比(D)が変化すれば、休止期間(tb)も変化する特性を有する。制御部8には、予め、周期(T)、デューティ比(D)及び休止期間(tb)の関係が、例えばテーブル等により格納されている。
tb=0.015・T/D (式12)
上記のように本第11実施形態は、周期(T)と、休止期間(tb)及びデューティ比(D)は、(式12)の条件を満たす。これにより、EMIレベルの最大値を減少させつつ、効率をよくすることができる。
日本国特許出願2009-117527(出願日2009年5月14日)・日本国特許出願2010-101755(出願日2010年4月27日)の全内容がここに援用され、誤訳や記載漏れから保護される。
Claims (25)
- 交流電源により一次巻線から電力が供給される二次巻線を備え、
Z1の周波数に対するインピーダンス特性は前記交流電源の基本波成分の周波数の付近に極大値を有し、
Z2の周波数に対するインピーダンス特性は、前記基本波成分の周波数に最も近く、極大値をとる周波数と、前記基本波成分の周波数に最も近く、極小値をとる周波数との間に前記基本波成分の周波数を有することを特徴とする非接触給電装置であって、
Z1は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が所定の値であり、前記交流電源の出力側から見た一次側のみのインピーダンスを示し、
Z2は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の前記結合係数が前記所定の値であり、前記二次巻線に接続される負荷側から見た二次側のみのインピーダンスを示す。 - 前記一次巻線と前記二次巻線の間の前記結合係数が前記所定の値である、前記交流電源の出力側から見た周波数に対するインピーダンスの位相特性は、
前記基本波成分の周波数に対してゼロの付近の位相をとることを特徴とする
請求項1に記載する非接触給電装置。 - 請求項1に記載する非接触給電装置において、
前記一次巻線と前記二次巻線の間の前記結合係数が前記所定の値である、前記交流電源の出力側から見た周波数に対するインピーダンスの位相特性は、
前記所定の値に対して前記結合係数を一定の範囲内で変化させると、前記基本波成分の周波数に対する位相がゼロ付近の値で変動する特性であること特徴とする
非接触給電装置。 - 前記Z1のインピーダンス特性は、前記極大値以外にさらに極値を有することを特徴とする
請求項1に記載する非接触給電装置。 - 前記Z2のインピーダンス特性は、前記極大値及び前記極小値以外にさらに極値を有することを特徴とする
請求項1又は4に記載する非接触給電装置。 - 前記Z1の周波数に対する位相特性は、前記基本波成分の周波数の付近で、周波数に対する位相の傾きが発散する特性を有し、
前記Z2の周波数に対する位相特性は、周波数に対する位相の傾きが発散する点を周波数軸上に少なくとも二点有し、
前記二点の間に位相特性が周波数軸と平行になる部分を有し、
前記基本波成分の周波数が前記二点の間にあることを特徴とする
請求項1に記載する非接触給電装置。 - 第1のコンデンサを前記一次巻線に並列に接続することを特徴とする
請求項1~6のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 前記一次巻線及び前記第1のコンデンサに対し直列に第1のインダクタを接続することを特徴とする
請求項7に記載する非接触給電装置。 - 前記一次巻線と前記第1のコンデンサとの並列回路に対し直列に第2のコンデンサを接続することを特徴とする
請求項7に記載する非接触給電装置。 - 前記一次巻線と前記第1のコンデンサとの並列回路の一端に第1のインダクタを、他端に第2のコンデンサを接続することを特徴とする
請求項7に記載する非接触給電装置。 - 前記二次巻線と第3のコンデンサとの並列回路に第4のコンデンサを直列に接続することを特徴とする
請求項1~10のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 前記二次巻線と直列に第5のコンデンサを接続し、
前記二次巻線と前記第5のコンデンサとの直列回路に対して並列に第3のコンデンサを接続することを特徴とする
請求項1~10のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 前記二次巻線の一端と前記第5のコンデンサとの接続点と、前記二次巻線の他端との間に第6のコンデンサを接続することを特徴とする
請求項12に記載する非接触給電装置。 - 前記第5のコンデンサと前記第3のコンデンサとの接続点に第4のコンデンサを接続することを特徴とする
請求項12に記載する非接触給電装置。 - 前記二次巻線と直列に第5のコンデンサを接続し、
前記二次巻線と前記第5のコンデンサとの直列回路に対して並列に第3のインダクタを接続することを特徴とする
請求項1~10のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 前記第5のコンデンサと前記第3のインダクタとの接続点に第4のコンデンサを接続することを特徴とする
請求項15に記載する非接触給電装置。 - 前記二次巻線と直列に第4のインダクタを接続し、
前記二次巻線と前記第4のインダクタとの直列回路に対して並列に第3のコンデンサを接続することを特徴とする
請求項1~10のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 請求項1~17のいずれか一項に記載する非接触給電装置を含む車両において、
前記二次巻線は車両に搭載され、
前記車両の駐車位置に応じて、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が設定されることを特徴とする車両。 - 第1のコンデンサを前記一次巻線に並列に接続し、
前記二次巻線と第3のコンデンサとの並列回路に第4のコンデンサを直列に接続し、
前記基本波成分の周波数は、
前記Z1の共振周波数の付近に設定され、かつ、
前記Z2の第1共振周波数と、前記第1共振周波数より高い、前記Z2の第2共振周波数との間に設定される
ことを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 第1のコンデンサを前記一次巻線に並列に接続し、
前記二次巻線と第3のコンデンサとの並列回路に第4のコンデンサを直列に接続し、
C1p=1/(L1(2πf0)2)、及び、
C2p<(L1/L2)C1p<(C2s+C2p)を満たす
ことを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載する非接触給電装置であって、
C1pは、前記第1のコンデンサの電気容量を示し、
L1は、前記一次巻線のインダクタンスを示し、
f0は、前記基本波成分の周波数を示し、
C2pは、前記第3のコンデンサの電気容量を示し、
C2sは、前記第4のコンデンサの電気容量を示し、
L2は、前記二次巻線のインダクタンスを示す。 - 第1のコンデンサを前記一次巻線に並列に接続し、
前記二次巻線と第3のコンデンサとの並列回路に第4のコンデンサを直列に接続し、
前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数が所定の値である、前記交流電源の出力側から見たインピーダンス特性を複素平面で示した場合に、
虚軸に最も近い第1の極は、前記一次巻線と前記二次巻線の間の結合係数の増加に伴い、虚軸から離れ、
虚軸に2番目に近い第2の極は、前記結合係数の増加に伴い、前記第1の極に近づく
ことを特徴とする請求項1~6のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 前記交流電源から一次巻線に所定の周期で供給される供給電圧は、
1周期あたり、複数の正電圧出力期間及び複数の負電圧出力期間を含み、かつ、
前記複数の正電圧出力期間の間に設けられる第1の休止期間及び前記複数の負電圧出力期間の間に設けられる第2の休止期間を含む
ことを特徴とする請求項1~21のいずれか一項に記載する非接触給電装置。 - 前記第1の休止期間と前記第2の休止期間は同じ長さの時間であることを特徴とする請求項22に記載する非接触給電装置。
- 前記供給電圧は、1周期あたり、前記第1の休止期間及び前記第2の休止期間をそれぞれ1回のみ含むことを特徴とする請求項22又は23に記載する非接触給電装置。
- 前記所定の周期をT、前記第1の休止期間をtb1、前記第2の休止期間をtb2、及び、前記供給電圧のデューティ比をDとした場合、
tb1=0.015・T/D
又は、
tb2=0.015・T/D
を満たすことを特徴とする請求項22~24のいずれか一項に記載する非接触給電装置。
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