(57)【要約】【課題】地上側の設置工事が容易であって、且つ、長い給電区間が確保できる走行中非接触給電システムを提供する。【解決手段】地上側には、Ｈ字形コアに巻線が巻回された両側巻コイルを備える複数の一次側給電トランス１、２、３、４が、磁極３１、３２の長手方向を車両進行方向に合わせて、離間して設置される。車両側には、Ｈ字形コアを備える二次側給電トランス２０が磁極３１、３２の長手方向を車両前後方向に合わせて搭載される。一次側給電トランス１、２、３、４の相互間の離間距離は、磁極３１、３２の寸法をＤとするとき、隣り合う一次側給電トランスの磁極中心間の距離が３Ｄを超えない範囲で設定される。一次側給電トランスを飛び石状に配置することが可能であるため、走行路への設置工事が容易であり、少ない数の一次側給電トランスにより長い給電区間が確保できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
走行中の移動体に地上側から非接触で給電する非接触給電システムであって、
地上側は、
移動体の走行路に沿って設置された複数の一次側給電トランスと、
前記一次側給電トランスに電線を介して高周波交流を供給する高周波電源と、
前記一次側給電トランスに直列に接続された一次側直列コンデンサと、
を備え、
移動体は、
前記一次側給電トランスから非接触で給電される二次側給電トランスと、
前記二次側給電トランスで受電した交流を充電用に整流する整流器と、
前記二次側給電トランスと前記整流器との間に直列または並列に接続された二次側共振コンデンサと、
を備え、
前記一次側給電トランス及び二次側給電トランスは、それぞれ、両端に磁極を有するコアの磁極間の部分に巻線が巻回された両側巻コイルから成り、コア両端の磁極に平行する線の方向が前記移動体の進行方向と一致するように前記走行路または移動体に設置され、
前記一次側給電トランスの前記進行方向における前記磁極の寸法をＤとするとき、前記一次側給電トランスの前記磁極の中心位置から隣接する一次側給電トランスの前記磁極の中心位置までの距離が３Ｄを超えない範囲で、前記複数の一次側給電トランスが、前記走行路に沿って離間して設置されていることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電システムであって、前記複数の一次側給電トランスが、前記高周波電源に直列に接続されていることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の非接触給電システムであって、一つの前記一次側直列コンデンサが、前記高周波電源と、該高周波電源に接続する一つの前記一次側給電トランスとの間に直列に接続されていることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項４】
請求項２に記載の非接触給電システムであって、前記一次側直列コンデンサが、前記高周波電源と該高周波電源に接続する一つの前記一次側給電トランスとの間、及び、隣接する前記一次側給電トランスの間に、それぞれ、直列に接続されていることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項５】
請求項１に記載の非接触給電システムであって、前記複数の一次側給電トランスが、前記高周波電源に並列に接続されていることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項６】
請求項５に記載の非接触給電システムであって、一つの前記一次側直列コンデンサが、前記高周波電源と、該高周波電源に並列接続する各一次側給電トランスとの間に接続されていることを特徴とする非接触給電システム。
【請求項７】
請求項１に記載の非接触給電システムであって、前記コアが、Ｈ字形コアから成ることを特徴とする非接触給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走行中の移動体に非接触で給電を行う給電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電気自動車やプラグインハイブリッド車のバッテリーを充電するシステムとして、図１３に示すように、車両の床面に搭載された非接触給電トランスの二次側コイル（受電コイル）１０２と、地上側に設置された一次側コイル（送電コイル）２０２とを対向させて、地上側から停車中の車両に非接触で給電する方式が開発されている。
下記特許文献１には、この充電システムの一次側コイル及び二次側コイル間の位置ずれやギャップ変動の許容量を拡大し、且つ、コイルの小型化を図るために、図１４に示すように、板状のフェライトコア１０の周りに巻線１１を巻回した“両側巻コイル”を用いることが記載されている。この両側巻コイルでは、フェライトコア１０内を通過する主磁束がコア両端の磁極部を通じて出入する。
【０００３】
また、下記特許文献２には、図１５に示すように、両側巻コイルの一層の小型軽量化を図るために開発された、Ｈ字形のフェライトコアを備えるコイルが記載されている。このコイルでは、Ｈ字形コアの横棒に相当する部分に巻線１１が巻回され、Ｈ字形コアの両側の平行する部分１２が磁極部となる。
また、特許文献２には、位置ずれの許容度について、両方の磁極に直交する線の方向（ｙ方向）よりも、両方の磁極に平行する線の方向（ｘ方向）の方が大きいと記載されている。
【０００４】
現在、電気自動車では、バッテリー性能に起因して、一回の充電で走行できる距離が比較的短いと言う点が課題に挙げられており、それを解決するため、走行中の車両に対して非接触給電を行うシステムが種々考えられている。
下記特許文献３に開示されたシステムでは、交流電源、高周波電力ドライバー、一次コイル、一次自己共振コイル、電力センサ、ＥＣＵ等を備える給電装置が車両の走路に沿って複数設置され、受電コイルを備える走行中の車両に対して給電が行われる。
また、下記非特許文献１では、こうした個々の給電装置の給電区間を長くするため、図１６の等価回路で表される複数の共振器を、図１７に示すように、給電装置のソースコイルに続けて配置し、その特性が検討されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１７２０８４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１７５７９３号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６６９９２号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Jin Wook Kim他”Wireless power transfer for free positioning using compact planar multiple self-resonators”2012 IEEE MTT-S International IMWS-IWPT 2012 pp.127-130
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
非特許文献１では、図１７のように一次側コイルを隙間無く並べた場合でも、図１８に示すように、二次側コイルへの給電が途切れる“デッドゾーン”が一次側コイル上に出現すると報告されている。
【０００８】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、一次側（地上側）の設置工事が容易であって、且つ、長い給電区間が確保できる走行中非接触給電システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、走行中の移動体に地上側から非接触で給電する非接触給電システムであって、地上側は、移動体の走行路に沿って設置された複数の一次側給電トランスと、一次側給電トランスに電線を介して高周波交流を供給する高周波電源と、一次側給電トランスに直列に接続された一次側直列コンデンサと、を備え、移動体は、一次側給電トランスから非接触で給電される二次側給電トランスと、二次側給電トランスで受電した交流を充電用に整流する整流器と、二次側給電トランスと整流器との間に直列または並列に接続された二次側共振コンデンサと、を備え、一次側給電トランス及び二次側給電トランスは、それぞれ、両端に磁極を有するコアの磁極間の部分に巻線が巻回された両側巻コイルから成り、コア両端の磁極に平行する線の方向が移動体の進行方向と一致するように走行路または移動体に設置され、一次側給電トランスの移動体進行方向における磁極の寸法をＤとするとき、一次側給電トランスの磁極の中心位置から隣接する一次側給電トランスの磁極の中心位置までの距離が３Ｄを超えない範囲で、複数の一次側給電トランスが、走行路に沿って離間して設置されていることを特徴とする。
【００１０】
このシステムでは、走行路上に配置する一次側給電トランスを、位置ずれ許容度が大きい両側巻コイルを用いて構成し、且つ、両側巻コイルの位置ずれ許容度が大きい方向（コア両端の磁極に平行する線の方向）に一次側給電トランスを並べているため、一次側給電トランスを飛び石状に配置しても、二次側コイルへの給電の途切れが発生しない。
また、本発明の非接触給電システムでは、複数の一次側給電トランスを、高周波電源に直列に接続することが可能である。
複数の一次側給電トランスを直列接続する場合は、配線が簡単になり、走行路への設置工事が容易である。
【００１１】
また、この場合、一次側直列コンデンサは、高周波電源と、高周波電源に接続する一つの一次側給電トランスとの間にのみ直列に接続することができる。
一次側直列コンデンサは、二次側共振コンデンサが直列に接続されている場合、一次側回路が直列共振回路を構成するように容量値を設定し、また、二次側共振コンデンサが並列に接続されている場合、一次側電源力率が１となるように容量値を設定する。
【００１２】
また、一次側直列コンデンサを、高周波電源と高周波電源に接続する一つの一次側給電トランスとの間、及び、隣接する一次側給電トランスの間に、それぞれ、分割して直列に接続してもよい。
この場合、一次側直列コンデンサの分割数がｎのとき、分割した各一次側直列コンデンサの容量値をｎ×Ｃ１とし、Ｃ１の容量値を、二次側共振コンデンサが直列に接続されている場合には、一次側回路が共振回路を構成するように設定し、二次側共振コンデンサが並列に接続されている場合には、一次側電源力率が１となるように設定する。
【００１３】
また、本発明のシステムでは、複数の一次側給電トランスを、高周波電源に並列に接続しても良い。
並列接続された一次側給電トランスでは、二次側給電トランスに近接する一次側給電トランスに電流が集中するため、移動体に対向しない位置の一次側給電トランスからの漏れ磁束が抑制できる。
【００１４】
また、この場合、一つの一次側直列コンデンサを、高周波電源と、高周波電源に並列接続する各一次側給電トランスとの間に接続する。
一つの一次側直列コンデンサの容量値は、二次側共振コンデンサが直列に接続されている場合には、一次側回路が直列共振回路を構成するように設定し、二次側共振コンデンサが並列に接続されている場合には、一次側電源力率が１となるように設定する。
【００１５】
また、本発明のシステムでは、両側巻コイルのコアを、Ｈ字形コアとすることが望ましい。
Ｈ字形コアの使用により、一次側給電トランスの小型軽量化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の非接触給電システムでは、一次側給電トランスを飛び石状に配置することが可能であるため、走行路への設置工事が容易である。また、少ない数の一次側給電トランスにより長い給電区間が確保できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触給電システムを示す図
【図２】図１のシステムの回路構成を示す図（一次側給電トランス：直列、Ｃ１：単一、Ｃ２：並列）
【図３】図１のシステムの回路構成を示す図（一次側給電トランス：直列、Ｃ１：分割、Ｃ２：並列）
【図４】図１のシステムの回路構成を示す図（一次側給電トランス：直列、Ｃ１：単一、Ｃ２：直列）
【図５】図１のシステムの回路構成を示す図（一次側給電トランス：直列、Ｃ１：分割、Ｃ２：直列）
【図６】図１のシステムの回路構成を示す図（一次側給電トランス：並列、Ｃ１：単一、Ｃ２：並列）
【図７】図１のシステムの回路構成を示す図（一次側給電トランス：並列、Ｃ１：単一、Ｃ２：直列）
【図８】実験装置の構成を示す図
【図９】実際の実験装置を示す図
【図１０】一次側給電トランスのトランス間隔と二次側出力電力の関係を示す図
【図１１】一次側給電トランスのトランス間隔と給電効率の関係を示す図
【図１２】図１の変形例を示す図
【図１３】プラグインハイブリッド車の給電システムを示す図
【図１４】フェライトコア板に巻線を巻回した両側巻コイルを示す図
【図１５】Ｈ字形コアに巻線を巻回した両側巻コイルを示す図
【図１６】従来の走行中給電を考慮したコイルの等価回路
【図１７】図１６の等価回路を持つコイル構成を示す図
【図１８】図１７のコイル構成を用いたときの解析結果を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電システムを示している。図１（ａ）は、地上の走行路に離間して設置された一次側給電トランス１、２、３、４と、車両に搭載される二次側給電トランス２０とを側面図で示している。符号２１は、二次側給電トランス２０が移動した状態を示している。また、図１（ｂ）は、その平面図を示している。
一次側給電トランス１、２、３、４及び二次側給電トランス２０は、共に、Ｈ字形コアの磁極３１、３２間の部分に巻線３３が巻回された両側巻コイルを有し、また、両側巻コイルにおいて相手コイルとの対向面の反対側に生じる漏洩磁束を遮断するためのアルミシールド板３４を備えている。
【００１９】
一次側給電トランス１、２、３、４は、磁極３１、３２に平行する線の方向（図１５のｘ方向）が走行路の車両進行方向と一致するように走行路に設置され、また、二次側給電トランス２０は、同方向が車両の前後方向と一致するように車両に搭載される。
また、一次側給電トランスは、磁極３１、３２の長さをＤとするとき、隣接する一次側給電トランス間の磁極中心間の距離が３Ｄを超えない範囲（従って、一方の一次側給電トランスの磁極の端部から他方の一次側給電トランスの磁極の端部までの間隔ｌが２Ｄを超えない範囲）で、走行路に沿って離間して設置される。
【００２０】
図２は、この非接触給電システムの回路構成の一例を示している。
地上側は、一次側給電トランス１、２、３、４に高周波交流を供給する高周波電源４０と、一次側給電トランスに直列に接続された一次側直列コンデンサＣ１とを備えており、一次側給電トランス１、２、３、４は、高周波電源４０に直列に接続されている。高周波電源４０は、商用電源の交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣコンバータ４１と、変換された直流から高周波交流を生成するインバータ４２とを有している。
車両側は、二次側給電トランス２０で受電された交流を整流する整流回路５１と、整流された電流で蓄電素子５３を充電する充電回路５２と、二次側給電トランス２０と整流回路５１との間に並列に接続された二次側共振コンデンサＣ２とを備えている。
【００２１】
二次側共振コンデンサＣ２の容量は、二次側に並列共振回路が形成されるように、（数１）のように設定する。
【数１】
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ここで、ω＝２πｆ、ｆ：電源周波数、Ｌ2：二次側自己インダクタンス、である。
【００２２】
また、一次側直列コンデンサＣ１の容量は、一次側電源力率が１となるように、（数２）のように設定する。
【数２】
2014147160.tif 000004
ここで、ａ：巻数比（＝一次巻数／二次巻数）、ｌ0：励磁インダクタンス、ｌ1：励磁インダクタンス、ｌ2：励磁インダクタンス、である。
このように、複数の一次側給電トランス１、２、３、４を直列接続する場合は、配線が簡単であり、走行路への設置工事が容易である。
【００２３】
また、一次側直列コンデンサＣ１は、図３に示すように、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４に分割し、高周波電源４０と一次側給電トランス１との間、一次側給電トランス１と一次側給電トランス２との間、一次側給電トランス２と一次側給電トランス３との間、及び、一次側給電トランス３と一次側給電トランス４との間に、それぞれ直列に接続しても良い。
この場合、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４の容量は、Ｃ１１＝Ｃ１２＝Ｃ１３＝Ｃ１４＝４Ｃ１とし、Ｃ１を（数２）のように設定する。
【００２４】
また、図４は、車両側の二次側共振コンデンサＣ２を二次側給電トランス２０と整流回路５１との間に直列に接続する回路を示している。この場合、二次側共振コンデンサＣ２の容量は、二次側に直列共振回路が形成されるように、（数１）のように設定する。
また、一次側直列コンデンサＣ１は、一次側に直列共振回路が形成されるように、（数３）のように設定する。
【数３】
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ここで、Ｌ1：一次側自己インダクタンス、である。
このように、一次側に直列コンデンサＣ１を接続し、二次側に直列共振コンデンサＣ２を接続する“一次直列二次直列コンデンサ方式”の場合は、一次側の高周波電源４０のインバータ４２を定電圧で駆動することにより、二次側の整流回路５１の出力が定電流になる。そのため、充電回路を介さずに、整流回路５１と蓄電素子５３とを接続して蓄電素子５３を充電することができる。
【００２５】
また、図４の一次側直列コンデンサＣ１は、図５に示すように、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４に分割し、高周波電源４０と一次側給電トランス１との間、一次側給電トランス１と一次側給電トランス２との間、一次側給電トランス２と一次側給電トランス３との間、及び、一次側給電トランス３と一次側給電トランス４との間に、それぞれ直列に接続しても良い。
この場合、Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４の容量は、Ｃ１１＝Ｃ１２＝Ｃ１３＝Ｃ１４＝４Ｃ１とし、Ｃ１を（数３）のように設定する。
【００２６】
また、図６に示すように、一次側給電トランス１、２、３、４は、高周波電源４０に並列に接続することも可能である。この場合、一次側直列コンデンサとして、一つの一次側直列コンデンサＣ１を、高周波電源４０と一次側給電トランス１、２、３、４のそれぞれとの間で直列となるように接続する。
一次側直列コンデンサＣ１の容量は、図６のように、二次側共振コンデンサＣ２が二次側給電トランス２０と整流回路５１との間に並列に接続されている場合は、一次側電源力率が１となるように、（数２）のように設定する。また、図７のように、二次側共振コンデンサＣ２が二次側給電トランス２０と整流回路５１との間に直列に接続されている場合は、一次側直列コンデンサＣ１の容量を、一次側に直列共振回路が形成されるように、（数３）のように設定する。
このように、一次側給電トランス１、２、３、４を高周波電源４０に並列に接続すると、二次側給電トランス２０に近接する一次側給電トランス２に電流が集中するため、車両に対向しない位置の一次側給電トランス１、３、４からの漏れ磁束が抑制できる。
【００２７】
次に、本発明の非接触給電システムの特性を確認した実験結果について説明する。
この実験では、図８に示すように、直列接続された複数の一次側給電トランス６１、６２、６３と二次側給電トランス７０とが対向する状態で二次側給電トランス７０の位置を移動し、一次側給電トランス相互間の間隔を変えたときの二次側出力の変化や効率の変化を測定した。図９は、実際の実験装置を示している。一次側給電トランス及び二次側給電トランスは、磁極の長さが３００ｍｍ、磁極間の距離が２５０ｍｍのＨ字形コアに巻線を巻回した両側巻コイルで構成し、図１と同様の向きに配置している。
【００２８】
図１０は、二つの一次側給電トランスの間隔を変えたときの二次側給電トランスの出力の変化を示している。ここでは、ＤＣ入力２１０Ｖ、高周波電源の出力周波数ｆ＝３０ｋＨｚ、一次側給電トランスと二次側給電トランスとのギャップ＝７０ｍｍ、の条件で測定している。
図１０の横軸は二次側給電トランスの移動位置（ｍｍ）を示し、縦軸は二次側給電トランスからの出力電力（Ｗ）を示している。同図において曲線（１）は、二つの一次側給電トランスの磁極端部間の距離（以下、トランス間隔と言う。）が３００ｍｍの場合、曲線（２）はトランス間隔が３５０ｍｍの場合、曲線（３）はトランス間隔が４００ｍｍの場合、曲線（４）はトランス間隔が４５０ｍｍの場合、曲線（５）はトランス間隔が５００ｍｍの場合、曲線（６）はトランス間隔が５５０ｍｍの場合、そして、曲線（７）はトランス間隔が６００ｍｍの場合を示している。
また、図１１は、この場合の給電効率（一次側給電トランスへの入力電力と二次側給電トランスからの出力電力の比）を示している。
【００２９】
これらの測定結果から、トランス間隔が６００ｍｍ（即ち、一次側給電トランスの磁極長さの２倍の距離）であっても、二次側給電トランスへの給電が可能であることが確認できる。なお、“トランス間隔が一次側給電トランスの磁極長さの２倍”と言うことは、一次側給電トランスの磁極の中心から隣接する一次側給電トランスの磁極の中心までの距離が磁極長さの３倍であることを意味している。
【００３０】
従って、本発明の非接触給電システムでは、一次側給電トランスの磁極寸法をＤとするとき、一次側給電トランスの磁極の中心位置から隣接する一次側給電トランスの磁極の中心位置までの距離が３Ｄを超えない範囲であれば、複数の一次側給電トランスが飛び石状に離間していても、二次側給電トランスへの給電が途切れずに実行できる。
なお、ここでは、一次側給電トランス及び二次側給電トランスを構成する両側巻コイルのコアがＨ字形状である場合について説明したが、図１２に示すように、板状のコア１０の周りに巻線１１を巻回した両側巻コイルを用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明の非接触給電システムは、移動体の走行路への設置工事が容易であると共に、走行中の移動体に対して長い区間に渡って給電することが可能であり、電気自動車やプラグインハイブリッド車等、各種移動体の走行中給電に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１      一次側給電トランス
２      一次側給電トランス
３      一次側給電トランス
１０    板状コア
１１    巻線
１２    Ｈ字形コアの磁極部
２０    二次側給電トランス
２１    二次側給電トランス
３１    磁極
３２    磁極
３３    巻線
３４    アルミシールド板
４０    高周波電源
４１    ＡＣ／ＤＣコンバータ
４２    インバータ
５１    整流回路
５２    充電回路
５３    蓄電素子
１０２  二次側コイル（受電コイル）
２０２  一次側コイル（送電コイル）
Ｃ１    一次側直列コンデンサ
Ｃ２    二次側共振コンデンサ
Ｃ１１、Ｃ１２、Ｃ１３、Ｃ１４  分割された一次側直列コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
2014147160.tif 000021
【図１７】
2014147160.tif 000022
【図１８】
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