WO2014189095A1 - 双方向非接触給電装置 - Google Patents

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power
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富夫 保田
勇美 乗越
砂金　富保
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株式会社 テクノバ
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Definitions

  • the present invention relates to a non-contact power feeding device that feeds power to a secondary battery of a mobile object such as an electric vehicle in a non-contact manner.
  • the power supply is realized.
  • a primary coil (power transmission coil) 31 installed on the ground side and a secondary coil mounted on the vehicle side
  • a non-contact power feeding method that uses electromagnetic induction with the (power receiving coil) 32 to supply power in a non-contact manner.
  • the high frequency alternating current supplied to the power transmission coil 31 is generated from the alternating current of the commercial power source 1 by the inverter 20.
  • the high frequency alternating current received by the power receiving coil 32 is converted into direct current by the charging circuit 22 and stored in the secondary battery 21.
  • the accumulated direct current is converted into alternating current by the inverter 23 in order to drive the motor 24.
  • V2H Vehicle to Home
  • V2G Vehicle to Grid
  • Non-Patent Document 1 listed below is capable of bidirectional non-contact power feeding at G2V and V2G with minimal changes to the non-contact power feeding device for "G2V" (Grid to Vehicle: from distribution network to vehicle)
  • G2V Grid to Vehicle: from distribution network to vehicle
  • An apparatus is disclosed.
  • a series capacitor Cs33 is connected to one primary coil 31 of a non-contact power supply transformer, and a parallel capacitor Cp34 and a series reactor L35 are connected to the other secondary coil 32 ( This non-contact power supply transformer is referred to as an “SPL non-contact power supply transformer”.
  • Inverters 20 and 40 are respectively connected to the system side and the vehicle side of the SPL-type non-contact power supply transformer 30, and further to the system side, a bridge type inverter 10 that converts AC of the commercial power source 1 into DC at G2V. Are connected via a smoothing capacitor 2.
  • a battery 4 is connected to the vehicle side via a smoothing capacitor 3.
  • the inverter 20 converts the direct current converted by the bridge type inverter 10 into high frequency alternating current.
  • the inverter 40 on the power receiving side has all IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) turned off, functions as a full-wave rectifier using only a diode, and rectifies the high-frequency alternating current received by the secondary coil 32.
  • the inverter 40 converts the direct current output from the battery 4 into high frequency alternating current.
  • the inverter 20 on the system side functions as a full-wave rectifier that rectifies high-frequency alternating current received by the primary coil 31 with all IGBTs turned off.
  • the bridge type inverter 10 converts the direct current output from the inverter 20 into alternating current having the frequency of the commercial power source 1.
  • bidirectional non-contact power feeding with high power feeding efficiency can be achieved simply by adding a series reactor L to the SP-type non-contact power feeding transformer.
  • the present invention has been made in view of the above, and the system configuration can be further simplified as compared with the device of Non-Patent Document 1, and charging control at G2V and power supply control at V2G are easy. It aims at providing a bidirectional non-contact electric power feeder.
  • a primary side coil to which a primary side resonance capacitor is connected in series and a secondary side coil to which a secondary side resonance capacitor is connected in series are arranged with an air gap between the primary side coil and the secondary side coil.
  • a bidirectional non-contact power feeding device for supplying electric power from the secondary coil to the primary coil by electromagnetic induction, wherein the first power conversion is connected to the primary coil via a primary resonance capacitor , A second power converter connected to the first power converter, a third power converter connected to the secondary coil via a secondary resonance capacitor, and a first power converter
  • a control unit for controlling the second power converter and the third power converter, respectively, and the first power converter, the second power converter, and the third power converter are controlled by the control unit.
  • the second power converter converts the alternating current supplied from the commercial power source into direct current
  • the first power converter The direct current input from the power converter 2 is converted to high frequency alternating current and output to the primary coil
  • the third power converter converts the high frequency alternating current input from the secondary coil to direct current and supplies it to the electricity storage device.
  • the third power converter converts the direct current supplied from the power storage device into a high frequency alternating current and outputs the high frequency alternating current to the secondary coil.
  • the power converter converts the high frequency alternating current input from the primary side coil into direct current
  • the second power converter converts the direct current input from the first power converter into alternating current at the frequency of the commercial power source and outputs it.
  • Supplying power from the primary coil to the secondary coil In the case where the first power converter is driven at a constant voltage by the control unit and supplies power from the secondary side coil to the primary side coil, the third power converter is driven at a constant current by the control unit. It is characterized by that.
  • An SS-type non-contact power transformer with a series resonant capacitor connected to each of the primary side coil and the secondary side coil has a constant current on the secondary side and a constant current on the primary side when the primary side is driven with a constant voltage.
  • the secondary side becomes a constant voltage when driven.
  • the primary side is driven at a constant voltage to charge the power storage device with a constant current.
  • the secondary side is driven with a constant current to supply constant-voltage electric power to the outside.
  • the power storage device is a lithium secondary battery or an electric double layer capacitor.
  • the power supply efficiency will not be increased unless the resistance load value is lowered (if the receiving voltage is not lowered), but the internal resistance of the lithium secondary battery and the electric double layer capacitor is small Therefore, the constant current charging can be performed with high power supply efficiency by the SS type non-contact power supply transformer.
  • the primary side coil and the secondary side coil are provided with a pair of parallel magnetic pole parts and a connecting part that connects the pair of magnetic pole parts at an intermediate position between the magnetic pole parts. It is desirable that the wire is wound around the connecting portion of the H-shaped core.
  • the power supply efficiency and resistance load which are regarded as weak points of the SS system, can be improved by increasing the number of turns of the non-contact power supply transformer, and if the H-shaped core is used, the number of turns of the coil can be easily increased.
  • the bidirectional non-contact power feeding device of the present invention can simplify the system configuration.
  • constant-current charging of the power storage device is possible by driving the high-frequency power supply at a constant voltage at G2V
  • constant-voltage power supply to the system side is possible by driving the high-frequency power supply at a constant current at V2G. is there.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a bidirectional contactless power feeding device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the bidirectional contactless power supply device according to the embodiment of the present invention at G2V.
  • FIG. 3 is a diagram showing a configuration of the bidirectional contactless power supply device according to the embodiment of the present invention at V2G.
  • FIG. 4 is a diagram showing a T-type equivalent circuit of the SS-type non-contact power supply transformer.
  • FIG. 5 is a diagram showing the specifications of the coil used in the experiment.
  • FIG. 6 is a plan view of the coil shown in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing a winding state of the electric wire of the coil shown in FIG. FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a state in which the cases storing the coils face each other.
  • FIG. 9 is a diagram showing the transformer constant of the coil.
  • FIG. 10 is a diagram showing measurement results.
  • FIG. 11 is a diagram showing the power supply efficiency when the resistance load fluctuates.
  • FIG. 12 is a diagram showing input / output voltage current waveforms at G2V.
  • FIG. 13 is a diagram showing input / output voltage current waveforms at V2G.
  • FIG. 14 is a diagram showing the power supply efficiency when the gap length is changed.
  • FIG. 15 is a diagram showing a result of measuring the relationship between the load resistance and the charging current while changing the gap length and the front / rear / left / right positional deviation.
  • FIG. 16 is a diagram illustrating a system that performs non-contact power feeding to a secondary battery of a vehicle.
  • FIG. 17 is a diagram illustrating a conventional bidirectional contactless power feeding device.
  • FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a bidirectional contactless power feeding device according to an embodiment of the present invention.
  • a resonance capacitor 53 is connected in series to the primary side coil 51 of the non-contact power supply transformer of this device, and a resonance capacitor 54 is connected in series to the secondary side coil 52.
  • the non-contact power supply transformer including the primary side coil 51 and the secondary side coil 52 in which the resonance capacitors 53 and 54 are connected in series is referred to as an “SS-type non-contact power supply transformer”.
  • the first power converter 61 is connected to the primary side of the SS-type non-contact power supply transformer, and the second power converter 62 is connected to the first power converter 61. Further, a third power converter 63 is connected to the secondary side.
  • the first power converter 61 and the second power converter 62 are controlled by the control unit 71, and the third power converter 63 is controlled by the control unit 72.
  • the first power converter 61, the second power converter 62, and the third power converter 63 convert the direct current into alternating current under the control of the control units 71 and 72, and the alternating current is converted into direct current. Perform the operation to convert to.
  • the second power converter 62 converts the alternating current supplied from the commercial power source into direct current
  • the first power converter 61 is the second power converter 62.
  • the converted high-frequency alternating current is input to the primary coil 51 of the SS-type non-contact power supply transformer, and high-frequency alternating current is induced in the secondary coil 52 facing the primary coil 51 with a gap.
  • the third power converter 63 converts high-frequency alternating current input from the secondary coil 52 into direct current.
  • the converted direct current is supplied to and stored in a power storage device of the vehicle.
  • the third power converter 63 converts the direct current supplied from the power storage device into a high frequency alternating current.
  • the converted high-frequency alternating current is input to the secondary coil 52 of the SS-type non-contact power supply transformer, and high-frequency alternating current is induced in the primary coil 51.
  • the first power converter 62 converts the high frequency alternating current input from the primary coil 51 into direct current
  • the second power converter 62 converts the direct current input from the first power converter 61 to the frequency of the commercial power supply. Convert to alternating current.
  • the commercial frequency alternating current converted by the second power converter 62 is supplied to a power distribution network or supplied to home appliances and the like.
  • FIG. 2 and 3 show a bidirectional contactless power feeding device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a configuration at G2V
  • FIG. 3 shows a configuration at V2G.
  • the second power converter 62 of this device is a converter that operates as a PWM rectifier at G2V and operates as a full bridge inverter at V2G, and includes a switching element made of IGBT and a feedback connected in reverse parallel to the switching element. It has four switching units composed of diodes.
  • the first power converter 61 is a converter that operates as a full-bridge inverter at G2V and operates as a full-bridge rectifier at V2G, and includes four switching units each composed of an IGBT and a feedback diode.
  • the third power converter 63 is a converter that operates as a full-bridge rectifier at G2V, and operates as a full-bridge inverter at V2G, and has four switching units composed of IGBTs and feedback diodes.
  • the second power converter 62 is connected to the first power converter 61 via the smoothing capacitor 64, and in order to suppress the intrusion of noise to the system side, the commercial power supply is provided via the reactor 65 and the filter 66. 67 and AC load 73.
  • the third power converter 63 is connected to the power storage device 69 or the load 70 via the smoothing capacitor 68. 2 and 3, the display of the control unit is omitted.
  • the second power converter 62 generates direct current from the alternating current of the commercial power supply 67 under the PWM control of the control unit 71.
  • the generated direct current is smoothed by the smoothing capacitor 64 and input to the first power converter 61.
  • the first power converter 61 generates a high-frequency alternating current with a frequency f 0 from the input direct current under the PWM control of the control unit 71.
  • the control unit 71 monitors the DC voltage input to the first power converter 61 and the first power converter 61 and the second power so that the primary coil 51 is driven at a constant voltage.
  • the converter 62 is controlled.
  • the alternating current with the frequency f 0 generated by the first power converter 61 is input to the primary coil 51, and the alternating current with the frequency f 0 is induced in the secondary coil 52.
  • the secondary third power converter 63 converts the high-frequency alternating current input from the secondary coil 52 into direct current under the control of the control unit 72.
  • the control unit 72 turns off all the IGBTs of the third power converter 63 and operates the third power converter 63 as a full-wave rectifier using only a diode.
  • the direct current generated by the third power converter 63 is smoothed by the smoothing capacitor 68 and stored in the power storage device 69.
  • third power converter 63 under the PWM control of the control unit 72, converts the DC input from the power storage device 69 to a high frequency alternating current with a frequency f 0.
  • the control unit 72 controls the third power converter 63 so that the secondary coil 52 is driven with a constant current.
  • the alternating current having the frequency f 0 generated by the third power converter 63 on the secondary side is input to the secondary side coil 52, and the alternating current having the frequency f 0 is induced in the primary side coil 51.
  • the primary first power converter 61 converts the high-frequency alternating current input from the primary coil 51 into direct current under the control of the control unit 71. At this time, the control unit 71 turns off all the IGBTs of the first power converter 61 and operates the first power converter 61 as a full-wave rectifier using only a diode.
  • the direct current generated by the first power converter 61 is smoothed by the smoothing capacitor 64 and input to the second power converter 62.
  • the second power converter 62 converts the input direct current into alternating current at the frequency of the commercial power supply.
  • the commercial frequency alternating current converted by the second power converter 62 is supplied to a power distribution network, a home appliance, or the like.
  • FIG. 4 shows a T-type equivalent circuit converted to the secondary side of the SS-type non-contact power supply transformer.
  • the symbol after conversion of the primary side constant is indicated with “'”.
  • V 11 and I 1 represent the primary side (G side) voltage and current
  • V 22 and I 2 represent the secondary side (V side) voltage and current
  • V 00 and I 0 represent the potential and current that are the reference for the two coils.
  • C 1 G side resonance capacitor
  • C 2 V side resonance capacitor
  • L 1 Self inductance of G side transformer l 1 : Leakage inductance of G side transformer l 01 : Excitation inductance of G side transformer r 0 : G side transformer excitation coil
  • Equivalent series resistance r 1 Equivalent series resistance of G side transformer
  • L 2 Self inductance of V side transformer l 2 : Leakage inductance of V side transformer l 02 : Excitation inductance of V side transformer r 2 : Equivalent series resistance of V side transformer
  • R L Equivalent series resistance of load
  • L 1 l 1 + l 01
  • L 2 l 2 + l 02
  • C ′ 1 and C 2 are determined by (Equation 8) and (Equation 9) so as to resonate with the self-inductances of the G-side transformer coil and the V-side transformer coil at the power supply frequency f 0 , respectively.
  • Equation 10 (Equation 10) (Equation 11) shows that the SS-type non-contact power supply transformer has immittance conversion characteristics, that is, if the primary side is driven with a constant voltage, the secondary side becomes a constant current, and the primary side is driven with a constant current. This indicates that the secondary side has a characteristic of being a constant voltage.
  • the first power converter 61 on the primary side is driven at a constant voltage by using this characteristic at the time of G2V. Therefore, a constant current is output from the third power converter 63, and a special current is output. Even if a charging circuit is not provided, the electric storage device 69 can be charged with a constant current.
  • This constant current charging is suitable for charging a lithium secondary battery or an electric double layer capacitor having a small internal resistance.
  • the third power converter 63 is driven at a constant current at the time of V2G, a constant voltage power can be provided from the second power converter 62 to the system side.
  • the SS-type non-contact power supply transformer does not increase the power supply efficiency unless the resistance load value is reduced (that is, the power reception voltage is not lowered) (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-244635).
  • Equation 17) and (Equation 18) show that the feeding efficiency and the resistance load can be increased by increasing the number of turns of the primary side coil 51 and the secondary side coil 52 to increase the excitation inductances l 01 and l 02. Yes.
  • FIG. 5 shows the specifications of the contactless power transformer used in the experiment.
  • the primary coil and the secondary coil of the transformer include an H-shaped core including a pair of parallel magnetic pole portions and a connecting portion that connects the pair of magnetic pole portions at an intermediate position between the magnetic pole portions. Is used, and a 0.1 mm diameter electric wire (Litz wire) is wound around the connecting portion.
  • the outer shape of the H-shaped core is 240 mm ⁇ 300 mm ⁇ 20 mm, and the connecting portion has a width and length of 150 mm.
  • the electric wire is wound around two turns of the connecting portion by 20 turns, and these windings are electrically connected in parallel.
  • FIG. 10 shows the experimental results measured with the gap set to 70 mm and without positional deviation in the front-rear and left-right directions.
  • the feeding efficiency ⁇ shows a high value for both experimental and calculated values.
  • 11 shows the power supply efficiency (experimental value) when the resistance load fluctuates
  • FIG. 12 shows the input / output voltage current waveform at G2V
  • FIG. 13 shows the input / output voltage current waveform at V2G. Yes.
  • FIG. 14 shows the power supply efficiency when the gap length is changed by ⁇ 30 mm
  • FIG. 15 shows the results of measuring the relationship between the load resistance and the charging current by changing the gap length and the front / rear / left / right positional deviation. Show.
  • the total efficiency including the inverter when the gap is changed from 40 to 100 mm is 94.7% at the maximum, and the maximum total efficiency when the gap is changed in the range of ⁇ 40 mm in the x direction and ⁇ 150 mm in the y direction is 94. 3%.
  • the result of the same power supply efficiency was obtained also at the time of V2G. From this experiment, it was confirmed that the SS type non-contact power supply transformer can obtain high power supply efficiency by increasing the number of turns of the transformer and increasing the excitation inductance.
  • the coil using the H-shaped core is advantageous in increasing the number of windings of the electric wire because the electric wire is wound around the connecting portion having a narrow width. Also, through this experiment, it was confirmed that secondary-side constant current charging was performed by constant-voltage driving of the primary-side voltage converter.
  • the first power converter 61, the second power converter 62, and the third power converter 63 use IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) as switching elements, but GOT (Gate Turn) Other switching elements such as Off Thyristor and MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) can also be used.
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistors
  • GOT Gate Turn
  • Other switching elements such as Off Thyristor and MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) can also be used.
  • the bidirectional non-contact power feeding device of the present invention can be widely used for a mobile body equipped with a secondary battery, such as an electric vehicle, an electric forklift, and an automatic guided vehicle.

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  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

　一次側コイル（５１）、二次側コイル（５２）に共振コンデンサ（５３，５４）が直列接続するＳＳ方式の双方向非接触給電装置であって、一次側に第１電力変換器（６１）、第２電力変換器（６２）が接続し、二次側に第３電力変換器（６３）が接続する。Ｇ２Ｖ時、第２電力変換器（６２）が商用交流を直流に変換し、第１電力変換器（６１）が高周波交流に変換し、第３電力変換器（６３）が高周波交流を直流に変換して蓄電デバイスを充電する。この時、第１電力変換器（６１）を定電圧駆動すれば、蓄電デバイスへの定電流充電が行われる。Ｖ２Ｇ時、第３電力変換器（６３）は直流を高周波交流に変換し、第１電力変換器（６１）が高周波交流を直流に変換し、第２電力変換器（６２）が直流を商用交流に変換する。この時、第３電力変換器（６３）を定電流駆動すれば、第１電力変換器（６１）の出力が定電圧になる。

Description

双方向非接触給電装置
　本発明は、電気自動車などの移動体の二次電池に非接触で給電を行う非接触給電装置に関し、二次電池に蓄えられた電力を必要に応じて電力系統や家庭でも利用できる双方向の給電を実現するものである。
　電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池の充電方式として、図１６に示すように、地上側に設置された一次コイル（送電コイル）３１と、車両側に搭載された二次コイル（受電コイル）３２との間の電磁誘導を利用して、非接触で電力を供給する非接触給電方式が知られている。送電コイル３１に供給される高周波交流は、インバータ２０により商用電源１の交流から生成される。受電コイル３２で受電された高周波交流は、充電回路２２で直流に変換されて二次電池２１に蓄積される。蓄積された直流は、モータ２４を駆動するためにインバータ２３で交流に変換される。
　近年、電気自動車（ＥＶ）の二次電池で蓄えた余剰電力を家庭や配電網で利用する“Ｖ２Ｈ”（Vehicle　to　Home：車両から家へ）や“Ｖ２Ｇ”（Vehicle　to　Grid：車両から配電網へ）に対する関心が高まっている。
　下記非特許文献１には、“Ｇ２Ｖ”（Grid　to　Vehicle：配電網から車両へ）用の非接触給電装置の変更を最小限に止めて、Ｇ２Ｖ時及びＶ２Ｇ時の双方向非接触給電を可能にした装置が開示されている。
　この装置では、図１７に示すように、非接触給電トランスの一方の一次コイル３１に直列コンデンサＣｓ３３が接続し、他方の二次コイル３２に並列コンデンサＣｐ３４と直列リアクトルＬ３５とが接続している（この非接触給電トランスを“ＳＰＬ方式の非接触給電トランス”と呼ぶ。）。
　ＳＰＬ方式の非接触給電トランス３０の系統側及び車両側には、それぞれインバータ２０、４０が接続し、系統側には、更に、Ｇ２Ｖ時に商用電源１の交流を直流に変換するブリッジ型インバータ１０が、平滑コンデンサ２を介して接続している。また、車両側には、平滑コンデンサ３を介して電池４が接続している。
　Ｇ２Ｖ時に、インバータ２０は、ブリッジ型インバータ１０で変換された直流を高周波交流に変換する。一方、受電側のインバータ４０は、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）が全てオフにされ、ダイオードのみによる全波整流器として機能し、二次コイル３２で受電された高周波交流を整流する。
　Ｖ２Ｇ時に、インバータ４０は、電池４から出力された直流を高周波交流に変換する。一方、系統側のインバータ２０は、ＩＧＢＴが全てオフにされ、一次コイル３１で受電された高周波交流を整流する全波整流器として機能する。ブリッジ型インバータ１０は、インバータ２０から出力された直流を商用電源１の周波数の交流に変換する。
　この装置では、ＳＰ方式の非接触給電トランスに直列リアクトルＬを追加するだけで、給電効率が高い双方向非接触給電が可能になる。
保田富夫・井田和彦・阿部　茂・金子裕良・仲達　崇一郎「双方向非接触給電システム」自動車技術会秋季学術講演会85-20125755（2012年10月3日）
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、非特許文献１の装置に比較して、システム構成を更に簡略化でき、Ｇ２Ｖ時の充電制御やＶ２Ｇ時の電力供給制御が容易である双方向非接触給電装置を提供することを目的としている。
　本発明は、一次側の共振コンデンサが直列接続する一次側コイルと、二次側の共振コンデンサが直列接続する二次側コイルとを空隙を隔てて配置し、一次側コイルから二次側コイルに、及び、二次側コイルから一次側コイルに、電磁誘導作用で電力を供給する双方向非接触給電装置であって、一次側コイルに一次側の共振コンデンサを介して接続する第１の電力変換器と、第１の電力変換器に接続する第２の電力変換器と、二次側コイルに二次側の共振コンデンサを介して接続する第３の電力変換器と、第１の電力変換器、第２の電力変換器及び第３の電力変換器をそれぞれ制御する制御部と、を有し、第１の電力変換器、第２の電力変換器及び第３の電力変換器は、制御部の制御の下に、直流を交流に変換する動作と交流を直流に変換する動作とを行い、一次側コイルから二次側コイルに電力を供給するとき、第２の電力変換器が、商用電源から供給される交流を直流に変換し、第１の電力変換器が、第２の電力変換器から入力する直流を高周波交流に変換して一次側コイルに出力し、第３の電力変換器が、二次側コイルから入力する高周波交流を直流に変換して蓄電デバイスに供給し、二次側コイルから一次側コイルに電力を供給するとき、第３の電力変換器が、蓄電デバイスから供給される直流を高周波交流に変換して二次側コイルに出力し、第１の電力変換器が、一次側コイルから入力する高周波交流を直流に変換し、第２の電力変換器が、第１の電力変換器から入力する直流を商用電源の周波数の交流に変換して出力し、一次側コイルから二次側コイルに電力を供給する場合、第１の電力変換器が、制御部により定電圧駆動され、二次側コイルから一次側コイルに電力を供給する場合、第３の電力変換器が、制御部により定電流駆動される、ことを特徴とする。
　一次側コイル及び二次側コイルのそれぞれに直列共振コンデンサが接続するＳＳ方式の非接触給電トランスは、一次側を定電圧で駆動すれば二次側は定電流になり、一次側を定電流で駆動すれば二次側は定電圧になる、と言う“イミタンス変換特性”を有している。本発明の双方向非接触給電装置では、二次側の蓄電デバイスを充電するＧ２Ｖ時に、一次側を定電圧駆動して、蓄電デバイスを定電流で充電する。また、二次側の蓄電デバイスに蓄積された電力を外部で利用するＶ２Ｇ時に、二次側を定電流駆動して、外部に対し定電圧の電力を供給する。
　また、本発明の双方向非接触給電装置では、前記蓄電デバイスが、リチウム二次電池または電気二重層キャパシタであることが望ましい。
　ＳＳ方式の非接触給電トランスでは、抵抗負荷の値を下げないと（受電電圧を低くしないと）給電効率が上がらないとされているが、リチウム二次電池や電気二重層キャパシタは内部抵抗が小さいため、それらの定電流充電を、ＳＳ方式の非接触給電トランスにより高い給電効率で行うことができる。
　また、本発明の双方向非接触給電装置では、一次側コイル及び二次側コイルを、並行する一対の磁極部と、この磁極部の中間位置で一対の磁極部を連結する連結部とを備えるＨ字形のコアの連結部に電線を巻回して構成することが望ましい。
　ＳＳ方式の弱点とされた給電効率や抵抗負荷は、非接触給電トランスの巻数を上げることで改善することができ、Ｈ字形コアを用いれば、コイルの巻数を上げることが容易である。
　本発明の双方向非接触給電装置は、システム構成を簡略化できる。また、Ｇ２Ｖ時に、高周波電源を定電圧駆動することにより、蓄電デバイスへの定電流充電が可能であり、Ｖ２Ｇ時に、高周波電源を定電流駆動することにより、系統側への定電圧給電が可能である。
図１は、本発明の実施形態に係る双方向非接触給電装置を示すブロック図である。 図２は、本発明の実施形態に係る双方向非接触給電装置のＧ２Ｖ時の形態を示す図である。 図３は、本発明の実施形態に係る双方向非接触給電装置のＶ２Ｇ時の形態を示す図である。 図４は、ＳＳ方式の非接触給電トランスのＴ型等価回路を示す図である。 図５は、実験に用いたコイルの仕様を示す図である。 図６は、図５に示すコイルの平面図である。 図７は、図５に示すコイルの電線の巻回状態を示す図である。 図８は、コイルを収納したケースが対向する状態を示す図である。 図９は、コイルのトランス定数を示す図である。 図１０は、測定結果を示す図である。 図１１は、抵抗負荷変動時の給電効率を示す図である。 図１２は、Ｇ２Ｖ時の入出力電圧電流波形を示す図である。 図１３は、Ｖ２Ｇ時の入出力電圧電流波形を示す図である。 図１４は、ギャップ長を変化させたときの給電効率を示す図である。 図１５は、負荷抵抗と充電電流との関係をギャップ長及び前後左右の位置ずれを変えて測定した結果を示す図である。 図１６は、車両の二次電池に非接触給電を行うシステムを示す図である。 図１７は、従来の双方向非接触給電装置を示す図である。
　図１は、本発明の実施形態に係る双方向非接触給電装置の構成をブロック図で示している。
　この装置の非接触給電トランスの一次側コイル５１には共振コンデンサ５３が直列接続し、二次側コイル５２には共振コンデンサ５４が直列接続している。この共振コンデンサ５３、５４が直列接続した一次側コイル５１及び二次側コイル５２から成る非接触給電トランスを“ＳＳ方式の非接触給電トランス”と呼ぶことにする。
　ＳＳ方式の非接触給電トランスの一次側には、第１の電力変換器６１が接続し、第１の電力変換器６１に第２の電力変換器６２が接続している。また、二次側には、第３の電力変換器６３が接続している。第１の電力変換器６１及び第２の電力変換器６２は制御部７１で制御され、第３の電力変換器６３は制御部７２で制御される。第１の電力変換器６１、第２の電力変換器６２及び第３の電力変換器６３は、各制御部７１、７２の制御の下に、直流を交流に変換する動作、及び、交流を直流に変換する動作を行う。
　この双方向非接触給電装置では、Ｇ２Ｖ時に、第２の電力変換器６２が、商用電源から供給される交流を直流に変換し、第１の電力変換器６１が、第２の電力変換器６２から入力する直流を高周波交流に変換する。変換された高周波交流は、ＳＳ方式の非接触給電トランスの一次側コイル５１に入力し、空隙を隔てて一次側コイル５１に対向する二次側コイル５２に、電磁誘導作用で高周波交流が誘起される。第３の電力変換器６３は、二次側コイル５２から入力する高周波交流を直流に変換する。変換された直流は、車両の蓄電デバイスに供給され、蓄えられる。
　一方、Ｖ２Ｇ時に、第３の電力変換器６３が、蓄電デバイスから供給される直流を高周波交流に変換する。変換された高周波交流は、ＳＳ方式の非接触給電トランスの二次側コイル５２に入力し、一次側コイル５１に、高周波交流が誘起される。第１の電力変換器６２は、一次側コイル５１から入力する高周波交流を直流に変換し、第２の電力変換器６２は、第１の電力変換器６１から入力する直流を商用電源の周波数の交流に変換する。第２の電力変換器６２で変換された商用周波数の交流は、配電網に供給され、あるいは、家電製品等に供給される。
　図２、図３は、本発明の実施形態に係る双方向非接触給電装置を示している。図２は、Ｇ２Ｖ時の構成を示し、図３はＶ２Ｇ時の構成を示している。
　この装置の第２の電力変換器６２は、Ｇ２Ｖ時にＰＷＭ整流器として動作し、Ｖ２Ｇ時にフルブリッジインバータとして動作する変換器であり、ＩＧＢＴから成るスイッチング素子と、スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとで構成されたスイッチングユニットを４個有している。
　第１の電力変換器６１は、Ｇ２Ｖ時にフルブリッジインバータとして動作し、Ｖ２Ｇ時にフルブリッジ整流器として動作する変換器であり、ＩＧＢＴと帰還ダイオードとで構成されたスイッチングユニットを４個有している。
　第３の電力変換器６３は、Ｇ２Ｖ時にフルブリッジ整流器として動作し、Ｖ２Ｇ時にフルブリッジインバータとして動作する変換器であり、ＩＧＢＴと帰還ダイオードとで構成されたスイッチングユニットを４個有している。
　第２の電力変換器６２は、平滑コンデンサ６４を介して第１の電力変換器６１に接続し、また、ノイズの系統側への侵入を抑えるために、リアクトル６５及びフィルタ６６を介して商用電源６７や交流負荷７３に接続する。
　また、第３の電力変換器６３は、平滑コンデンサ６８を介して蓄電デバイス６９、或いは負荷７０に接続する。
　なお、図２、図３では、制御部の表示を省略している。
　Ｇ２Ｖ時に、第２の電力変換器６２は、制御部７１のＰＷＭ制御の下で、商用電源６７の交流から直流を生成する。生成された直流は平滑コンデンサ６４で平滑化されて第１の電力変換器６１に入力する。第１の電力変換器６１は、制御部７１のＰＷＭ制御の下に、入力する直流から周波数ｆ０の高周波交流を生成する。
　このとき、制御部７１は、第１の電力変換器６１に入力する直流の電圧を監視して、一次側コイル５１が定電圧駆動するように、第１の電力変換器６１及び第２の電力変換器６２を制御する。
　第１の電力変換器６１で生成された周波数ｆ０の交流は一次側コイル５１に入力し、二次側コイル５２に周波数ｆ０の交流が誘起される。
　二次側の第３の電力変換器６３は、二次側コイル５２から入力する高周波交流を、制御部７２の制御の下に直流に変換する。このとき、制御部７２は、第３の電力変換器６３のＩＧＢＴを全てオフにし、ダイオードのみによる全波整流器として第３の電力変換器６３を動作させる。
　第３の電力変換器６３で生成された直流は、平滑コンデンサ６８で平滑化されて蓄電デバイス６９に蓄積される。
　一方、Ｖ２Ｇ時に、第３の電力変換器６３は、制御部７２のＰＷＭ制御の下に、蓄電デバイス６９から入力する直流を周波数ｆ０の高周波交流に変換する。このとき、制御部７２は、二次側コイル５２が定電流駆動するように、第３の電力変換器６３を制御する。
　二次側の第３の電力変換器６３で生成された周波数ｆ０の交流は、二次側コイル５２に入力し、一次側コイル５１に周波数ｆ０の交流が誘起される。
　また、一次側の第１の電力変換器６１は、一次側コイル５１から入力する高周波交流を、制御部７１の制御の下で直流に変換する。このとき、制御部７１は、第１の電力変換器６１のＩＧＢＴを全てオフにし、ダイオードのみによる全波整流器として第１の電力変換器６１を動作させる。
　第１の電力変換器６１で生成された直流は、平滑コンデンサ６４で平滑化されて第２の電力変換器６２に入力する。
　第２の電力変換器６２は、入力した直流を商用電源の周波数の交流に変換する。第２の電力変換器６２で変換された商用周波数の交流は、配電網や家電製品等に供給される。
　図４は、ＳＳ方式の非接触給電トランスの二次側換算したＴ型等価回路を示している。
　一次側定数の換算後の記号は「’」を付けて表示している。
　図４において、Ｖ１１、Ｉ１は、一次側（Ｇ側）の電圧、電流を表し、Ｖ２２、Ｉ２は、二次側（Ｖ側）の電圧、電流を表している。また、Ｖ００、Ｉ０は、二つのコイルの基準となる電位、電流を表している。
　ここで、
Ｃ１：Ｇ側共振キャパシタ
Ｃ２：Ｖ側共振キャパシタ
Ｌ１：Ｇ側トランスの自己インダクタンス
ｌ１：Ｇ側トランスのリーケージインダクタンス
ｌ０１：Ｇ側トランスの励磁インダクタンス
ｒ０：Ｇ側トランス励磁コイルの等価直列抵抗
ｒ１：Ｇ側トランスの等価直列抵抗
Ｌ２：Ｖ側トランスの自己インダクタンス
ｌ２：Ｖ側トランスのリーケージインダクタンス
ｌ０２：Ｖ側トランスの励磁インダクタンス
ｒ２：Ｖ側トランスの等価直列抵抗
ＲＬ：負荷の等価直列抵抗
Ｌ１＝ｌ１＋ｌ０１　
Ｌ２＝ｌ２＋ｌ０２　
a＝n１／n２：トランスコイルの巻数比
とすると、図４に示す各値は、以下の式で表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　
　Ｃ'１とＣ２の値は，電源周波数ｆ０でＧ側トランスコイル及びＶ側トランスコイルの自己インダクタンスとそれぞれ共振するように(式８)（式９）によって決める。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　
　このとき，ｒ０、ｒ１、ｒ２の値は各インダクタンス値と比較して小さいため、無視すると、入出力の電圧電流間に（式１０）（式１１）の関係が成り立つ。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　
　また、トランス効率は、図４の各部電流より（式１２）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　
　ここで、巻線のＱを（式１３）（式１４）で定義し、結合係数ｋを（式１５）で定義する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　
　このとき、（式１６）が成立すれば、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　
トランス最大給電効率ηｍａｘＧ２Ｖ、ηｍａｘＶ２Ｇは（式１７）で近似できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 　
　また、そのときの負荷抵抗ＲＬｍａｘＧ２Ｖ、ＲＬｍａｘＶ２Ｇは（式１８）で近似できる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 　
　（式１０）（式１１）は、ＳＳ方式の非接触給電トランスが、イミタンス変換特性、即ち、一次側を定電圧で駆動すれば二次側は定電流になり、一次側を定電流で駆動すれば二次側は定電圧になると言う特性、を有していることを示している。
　本実施形態では、この特性を利用して、Ｇ２Ｖ時に、一次側の第１の電力変換器６１を定電圧駆動しているため、第３の電力変換器６３から定電流が出力され、特別の充電回路を設けなくても、蓄電デバイス６９の定電流充電が可能になる。この定電流充電は、内部抵抗が小さいリチウム二次電池や電気二重層キャパシタの充電に適している。
　また、Ｖ２Ｇ時に、第３の電力変換器６３を定電流駆動しているため、第２の電力変換器６２から定電圧の電力を系統側に提供することができる。
　また、ＳＳ方式の非接触給電トランスは、抵抗負荷の値を下げないと（即ち、受電電圧を低くしないと）給電効率が上がらないと言われている（特開２０１２－２４４６３５号公報参照）が、（式１７）（式１８）は、一次側コイル５１及び二次側コイル５２の巻数を上げて励磁インダクタンスｌ０１、ｌ０２を大きくすることにより、給電効率及び抵抗負荷を大きくできることを示している。
　その点を確かめるために行った実験の結果について説明する。
　図５は、実験に用いた非接触給電トランスの仕様を示している。このトランスの一次側コイル及び二次側コイルは、図６に示すように、並行する一対の磁極部と、この磁極部の中間位置で一対の磁極部を連結する連結部とを備えるＨ字形コアを使用し、この連結部に０．１ｍｍ径の電線（リッツ線）を巻いて構成している。Ｈ字形コアの外形は、２４０ｍｍ×３００ｍｍ×２０ｍｍであり、連結部は、幅及び長さが１５０ｍｍである。電線は、図７に示すように、連結部の二箇所に２０ターンずつ巻回し、それらの巻線を並列に電気接続している。
　これらのコイルは、図８に示すケースに収容し、７０ｍｍのギャップを空けて対向させた。また、実験では、ギャップ長を±３０ｍｍ変化させた場合や、前後方向（Ｈ字形コアの横方向）の対向位置を±４０ｍｍ、左右方向（Ｈ字形コアの縦方向）の対向位置を±１５０ｍｍずらした場合の特性も測定している。
　周波数ｆ０は５０ｋＨｚ、出力は３ｋＷに設定している。また、負荷抵抗ＲＬにはＧ２Ｖ、Ｖ２Ｇ共に２５Ωを用いた。
　一次側コイル、二次側コイルのトランス定数を図９に示している。
　図１０は、ギャップを７０ｍｍに設定し、前後・左右方向の位置ずれが無い状態で測定した実験結果を示している。給電効率ηは、実験値・計算値とも高い値を示している。
　また、図１１は、抵抗負荷変動時の給電効率（実験値）を示し、図１２は、Ｇ２Ｖ時の入出力電圧電流波形を示し、図１３は、Ｖ２Ｇ時の入出力電圧電流波形を示している。
　また、図１４は、ギャップ長を±３０ｍｍ変化させたときの給電効率を示し、図１５は、負荷抵抗と充電電流との関係を、ギャップ長及び前後左右の位置ずれを変えて測定した結果を示している。
　Ｇ２Ｖ時には、ギャップを４０～１００ｍｍ変化させた場合のインバータを含む総合効率が最大で９４．７％であり、ｘ方向±４０ｍｍ、ｙ方向±１５０ｍｍの範囲で変化させた時の最大総合効率が９４．３％であった。また、Ｖ２Ｇ時にも同等の給電効率の結果が得られた。
　この実験から、ＳＳ方式の非接触給電トランスでは、トランスの巻数を上げ、励磁インダクタンスを上げることで高い給電効率が得られることを確認できた。
　Ｈ字形コアを用いるコイルは、狭い幅の連結部に電線を巻回しているため、電線の巻回数を増やす上で有利である。
　また、この実験を通じて、一次側の電圧変換器の定電圧駆動により二次側の定電流充電が行われることを確かめた。
　なお、ここでは、第１の電力変換器６１、第２の電力変換器６２及び第３の電力変換器６３がスイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）を使用しているが、ＧＯＴ（Gate　Turn　Off　Thyristor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal　Oxide　Semiconductor　Field　Effect　Transistor）など、その他のスイッチング素子を使用することも可能である。
　本発明の双方向非接触給電装置は、電気自動車や、電動フォークリフト、無人電動搬送車など、二次電池を搭載する移動体に広く用いることができる。
　１　　商用電源
　２　　平滑コンデンサ
　３　　平滑コンデンサ
　４　　電池
　１０　ブリッジ型インバータ
　２０　インバータ
　２３　インバータ
　２４　モータ
　３０　非接触給電トランス
　３１　一次コイル
　３２　二次コイル
　３３　直列コンデンサＣｓ
　３４　並列コンデンサＣｐ
　３５　直列リアクトルＬ
　４０　インバータ
　５１　一次側コイル
　５３　共振コンデンサ
　５４　共振コンデンサ
　６１　第１の電力変換器
　６２　第２の電力変換器
　６３　第３の電力変換器
　６４　平滑コンデンサ
　６５　リアクトル
　６６　フィルタ
　６７　商用電源
　６８　平滑コンデンサ
　６９　蓄電デバイス
　７０　負荷
　７１　制御部
　７２　制御部
　７３　交流負荷

Claims (3)

  1. 　一次側の共振コンデンサが直列接続する一次側コイルと、二次側の共振コンデンサが直列接続する二次側コイルとを空隙を隔てて配置し、前記一次側コイルから前記二次側コイルに、及び、前記二次側コイルから前記一次側コイルに、電磁誘導作用で電力を供給する双方向非接触給電装置であって、
    　前記一次側コイルに前記一次側の共振コンデンサを介して接続する第１の電力変換器と、該第１の電力変換器に接続する第２の電力変換器と、前記二次側コイルに前記二次側の共振コンデンサを介して接続する第３の電力変換器と、前記第１の電力変換器、第２の電力変換器及び第３の電力変換器をそれぞれ制御する制御部と、を有し、
    　前記第１の電力変換器、第２の電力変換器及び第３の電力変換器は、前記制御部の制御の下に、直流を交流に変換する動作と交流を直流に変換する動作とを行い、
    　前記一次側コイルから前記二次側コイルに電力を供給するとき、前記第２の電力変換器が、商用電源から供給される交流を直流に変換し、前記第１の電力変換器が、前記第２の電力変換器から入力する直流を高周波交流に変換して前記一次側コイルに出力し、前記第３の電力変換器が、前記二次側コイルから入力する高周波交流を直流に変換して蓄電デバイスに供給し、
    　前記二次側コイルから前記一次側コイルに電力を供給するとき、前記第３の電力変換器が、前記蓄電デバイスから供給される直流を高周波交流に変換して前記二次側コイルに出力し、前記第１の電力変換器が、前記一次側コイルから入力する高周波交流を直流に変換し、前記第２の電力変換器が、前記第１の電力変換器から入力する直流を商用電源の周波数の交流に変換して出力し、
    　前記一次側コイルから前記二次側コイルに電力を供給する場合、前記第１の電力変換器が、前記制御部により定電圧駆動され、前記二次側コイルから前記一次側コイルに電力を供給する場合、前記第３の電力変換器が、前記制御部により定電流駆動される双方向非接触給電装置。
  2. 　請求項１に記載の双方向非接触給電装置であって、
    　前記蓄電デバイスが、リチウム二次電池または電気二重層キャパシタである双方向非接触給電装置。
  3. 　請求項１に記載の双方向非接触給電装置であって、
    　前記一次側コイル及び二次側コイルは、
    　並行する一対の磁極部と、該磁極部の中間位置で前記一対の磁極部を連結する連結部とを備えるＨ字形のコアと、
    　該Ｈ字形のコアの前記連結部に巻回された電線と、
    を有する双方向非接触給電装置。
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