(57)【要約】【課題】通信装置を使わずに一次電圧を制御して、二次電圧の定電圧化を可能にする非接触給電装置を提供する。【解決手段】負荷装置４３への給電に先立ち、負荷装置４３を電気的に切り離して、受動素子５１を並列接続し、可変電圧高周波電源１の出力電圧を測定用の低電圧Ｖmに設定して、そのときの可変電圧高周波電源１の出力電流値Ｉmを測定する。そのＶmとＩmとを用いて、負荷装置４３が二次側コイル３１に接続されたときの二次側コイル３１または整流器４１の出力電圧を目標値に設定するための可変電圧高周波電源１の電圧ＶINを算出する。一次側と二次側との間で通信装置で情報交換をしなくても、可変電圧高周波電源１の電圧を制御して、二次側コイル３１の電圧や整流器４１の出力電圧を目標値に設定することができる。【選択図】図１
2011045195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次側の一次側コイルと二次側の二次側コイルとがギャップを隔てて配置され、
前記一次側で、前記一次側コイルが可変電圧高周波電源に接続され、前記一次側コイルと前記可変電圧高周波電源との間に前記一次側コイルと直列または並列に一次側コンデンサが配置され、
前記二次側で、前記二次側コイルが整流器を介して負荷装置に接続され、前記二次側コイルと前記整流器との間に前記二次側コイルと並列または直列に二次側コンデンサが配置された非接触給電装置であって、
前記二次側に、前記負荷装置が前記二次側コイルから電気的に切り離されたときにのみ前記二次側コイルに並列接続される受動素子と、前記受動素子を前記二次側コイルに接続するときに前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離す測定モード切替手段とを備え、
前記一次側に、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の出力電圧と出力電流とを計測して、計測結果に基づいて、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧を設定する一次電圧制御手段を備え、
前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記二次側コイルの電圧または前記整流器の出力電圧が、予め定められた値になるように前記可変電圧高周波電源の電圧を設定することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コイルと前記一次側コンデンサとで構成される回路の共振周波数、または、前記二次側コイルと前記二次側コンデンサとで構成される回路の共振周波数の少なくとも一方が前記可変電圧高周波電源の周波数に一致することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の非接触給電装置であって、前記一次側コイルが一次側コアの周りに巻回され、前記二次側コイルが二次側コアの周りに巻回され、前記一次側コアが、第１の平面上に間隔を空けずに、または間隔を空けて、配置された複数個のコアから成り、前記二次側コアが、第２の平面上に間隔を空けずに、または間隔を空けて、配置された複数個のコアから成り、前記一次側コイルと前記二次側コイルとが対向するように配置されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
請求項２または３に記載の非接触給電装置であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときに前記可変電圧高周波電源の出力電圧をＶmに設定して計測した前記可変電圧高周波電源の出力電流の値をＩm、前記二次側コイルの電圧の予め定められた値をＶ2とするとき、前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを、
ＶIN＝α×Ｖ2，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
と設定することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項２または３に記載の非接触給電装置であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときに前記可変電圧高周波電源の出力電圧をＶmに設定して計測した前記可変電圧高周波電源の出力電流の値をＩm、前記整流器の出力電圧の予め定められた値をＶL、前記二次側コイルの電圧Ｖ2と前記整流器の出力電圧ＶLとの比をβ＝ＶL／Ｖ2とするとき、前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを、
ＶIN＝（α／β）×ＶL，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
と設定することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の非接触給電装置であって、前記一次電圧制御手段が、前記Ｖmを前記ＶINより小さく設定し、前記測定モード切替手段は、前記二次側コイルの電圧が所定の電圧以下の場合に前記受動素子を前記二次側コイルに接続して前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離すことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項４または５に記載の非接触給電装置であって、前記測定モード切替手段が、前記負荷装置を前記二次側コイルに接続する前の所定時間、前記受動素子を前記二次側コイルに接続し、前記一次電圧制御手段は、前記所定時間の間に、前記可変電圧高周波電源の出力電圧をＶmに設定して前記可変電圧高周波電源の出力電流の値Ｉmを計測することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次側の構成が、移動体に給電を行う給電ステーションに設置され、前記二次側の構成が、前記給電ステーションから給電を受ける前記移動体に設置されることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項９】
一次側の一次側コイルと二次側の二次側コイルとがギャップを隔てて配置され、
前記一次側で、前記一次側コイルが可変電圧高周波電源に接続され、前記一次側コイルと前記可変電圧高周波電源との間に前記一次側コイルと直列または並列に一次側コンデンサが配置され、
前記二次側で、前記二次側コイルが整流器を介して負荷装置に接続され、前記二次側コイルと前記整流器との間に前記二次側コイルと並列または直列に二次側コンデンサが配置された非接触給電装置の非接触給電方法であって、
前記負荷装置への給電に先立ち、前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離して、前記二次側コイルに受動素子を並列接続する測定モードへの切替えステップと、
前記可変電圧高周波電源の出力電圧を、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されているときの当該出力電圧よりも低いＶmに設定して、前記可変電圧高周波電源の出力電流の値Ｉmを測定する測定ステップと、
前記Ｖmと前記Ｉmとを用いて、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記二次側コイルの電圧または前記整流器の出力電圧を予め定められた値に設定するための前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを算出する算出ステップと、
前記二次側で、前記受動素子を前記二次側コイルから電気的に切り離して、前記負荷装置を前記二次側コイルに接続し、前記一次側で、前記可変電圧高周波電源の電圧を、前記算出ステップで算出した電圧ＶINに設定して給電を行う給電ステップと
を備えることを特徴とする非接触給電方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の非接触給電方法であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記二次側コイルの電圧の予め定められた値をＶ2とするとき、
ＶIN＝α×Ｖ2，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを求めることを特徴とする非接触給電方法。
【請求項１１】
請求項９に記載の非接触給電方法であって、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記整流器の出力電圧の予め定められた値をＶL、前記二次側コイルの電圧Ｖ2と前記整流器の出力電圧ＶLとの比をβ＝ＶL／Ｖ2とするとき、
ＶIN＝（α／β）×ＶL，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを求めることを特徴とする非接触給電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電装置と非接触給電方法に関し、給電時に給電側と受電側との間に位置ずれが生じたときの対策を講ずるものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触給電装置は、一次コイルと二次コイルとの間の電磁誘導を利用して一次コイルから二次コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、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を充電するための給電装置として、利用の拡大が見込まれている。
図７は、非接触給電装置を用いたプラグインハイブリッド車の給電システムを示している。
エンジン１０７とともにモータ１０６を駆動源として搭載する車両１００は、モータ１０６用の電源である二次電池１０４と、二次電池１０４の直流を交流に変換してモータ１０６に供給するインバータ１０５と、二次電池１０４の充電回路１０３と、非接触給電装置の二次コイル１０２とを備えており、二次コイル１０２は、車体の床面の外側に設置される。
一方、給電ステーション側（地上側）は、商用電源２００から高周波交流を生成する高周波電源２０１と、非接触給電装置の一次コイル２０２とを備えており、一次コイル２０２は地上に設置される。
運転者は、二次コイル１０２が一次コイル２０２の真上に来るように車両１００を停止させて、二次電池１０４への給電を開始する。
【０００３】
図８は、この非接触給電装置の基本回路を示している。
地上側は、商用周波数の交流から高周波交流を生成する高周波電源１０と、一次コイル２１と、一次コイル２１に接続された共振コンデンサ２２とを備え、高周波電源１０は、商用周波数の交流を供給する商用電源１１と、この交流を直流に変換する整流器１２と、整流器１２から出力される直流を平滑化する平滑コンデンサ１３と、直流から高周波交流を生成するインバータ１４とを備えている。
また、車両側は、二次コイル３１と、二次コイル３１に接続された共振コンデンサ３２と、二次コイル３１から出力される交流を直流に変換する整流器４１と、整流器４１から出力される直流を平滑化する平滑コンデンサ４２と、負荷装置（二次電池）４３とを備えている。
【０００４】
一次コイル２１及び二次コイル３１に接続する共振コンデンサ２２、３２は、給電効率を高めるため、一次側、二次側の各コイル２１、３１と共振回路を構成する位置に配置されている。非接触給電装置は、トランスと同じ等価回路で表すことができるが、密結合のトランスと違って、一次側と二次側との間に空隙が存在するため、結合係数が低く、漏れインダクタンスが大きくなる。これを解決するため、共振回路を用いて給電効率の改善を図っている。
この共振コンデンサの配置の仕方には、図９に示すように、（ａ）一次コイルに直列、二次コイルに並列に接続する方式（ＳＰ方式）、（ｂ）一次コイルに並列、二次コイルに並列に接続する方式（ＰＰ方式）、（ｃ）一次コイルに並列、二次コイルに直列に接続する方式（ＰＳ方式）、（ｄ）一次コイルに直列、二次コイルに直列に接続する方式（ＳＳ方式）、が知られている。
この内、ＳＰ方式は、本発明者等が下記特許文献１で提案している。このＳＰ方式は、高い給電効率が得られ、システム設計が容易である、等の利点を有している。
【０００５】
図１０（ａ）は、ＳＰ方式の非接触給電装置の等価回路を示している。なお、二次側整流器は省略し、二次電池は充電時の端子電圧と電流で決まる抵抗で近似している。ここでは、一次コイルの巻数をＮ1、二次コイルの巻数をＮ2、巻数比ａ＝Ｎ1／Ｎ2とし、二次側に換算した一次側の入力電圧をＶ’IN（＝ＶIN／ａ）、入力電流をＩ’IN（＝ａ×ＩIN）、一次側コンデンサＣの容量リアクタンスをｘ’S（＝ｘS／ａ2）、一次巻線の一次漏れリアクタンスをｘ’1（＝ｘ1／ａ2）、励磁リアクタンスをｘ’0（＝ｘ0／ａ2）で表している。また、二次漏れリアクタンスをｘ2、二次側コンデンサの容量リアクタンスをｘP、出力電圧をＶ2、出力電流をＩ2Lで表している。
このＳＰ方式の非接触給電装置では、二次側の並列コンデンサの容量Ｃpが次式（数１）を満たすように設定される。ここで、ω0＝２πｆ0、ｆ0は高周波電源１０の周波数である。
１／（ω0×Ｃp）＝ｘP＝ｘ’0＋ｘ2                              （数１）
また、一次側の直列コンデンサの容量Ｃs（＝ＣS’／ａ2）が次式（数２）を満たすように設定される。
１／（ω0×Ｃs’）＝ｘ’S
＝(ｘ’0×ｘ’1+ｘ’1×ｘ2＋ｘ2×ｘ’0)／（ｘ’0＋ｘ2）    （数２）
そうすると、ＳＰ方式の非接触給電装置の等価回路は、図１０（ｂ）に示すように、巻数比ｂがｂ＝ｘ’0／（ｘ’0＋ｘ2）の理想変圧器と等価になり、次式（数３）及び（数４）が成り立つ。
Ｖ2＝Ｖ’IN／ｂ                                                （数３）
Ｉ2L＝ｂＩ’IN                                                  （数４）
（数３）（数４）から明らかなように、一次コイルと二次コイルとの前後左右の位置ずれや、コイル間のギャップ長の拡がりにより、結合係数が低下すると、ｂが低下し、一次電圧が一定の場合は二次電圧が増大する。結合係数が変動する場合は一次・二次電圧比の変動が避けられない。これは位置ずれやギャップ長変動の許容量の大きな非接触給電共通の課題である。
【０００６】
本発明者等は、位置ずれやギャップ長変動に対して許容量が大きいコイルを下記非特許文献１及び特許文献２で提案している。
このコイルは、図１１（ａ）（断面図）、図１１（ｂ）（斜視図）に示すように、一次側フェライトコア６１の周りに巻回された一次側コイル６２と、二次側フェライトコア６３の周りに巻回された二次側コイル６４とを有し、また、一次側コイル６２と二次側コイル６４とが対向する側の反対側に、それぞれ、外部への磁界の漏洩を防止するアルミ板６５、６６を備えている。点線６７は磁力線を表している。
【０００７】
また、下記特許文献２では、このフェライトコアを、図１２に示すように、複数枚の細長い板１４１で形成し、図１２（ａ−１）（ａ−２）に示すように、間隔を空けて“すのこ状”に細長い板１４１を配列したものをコアにしてコイル１４２を巻回したり、図１２（ｂ−１）（ｂ−２）に示すように、間隔を空けずに配列した細長い板１４１をコアにしてコイル１４２を巻回したりすることを提案している。この場合、大型の一枚板のコアを必要としないため、製造コストの削減を図ることができる。
【０００８】
しかし、これらのコイルを使用する場合でも、位置ずれやギャップ長変動による二次電圧の変化は避けられない。
二次電池４３への充電電圧は、定電圧であることが望ましい。それを実現するため、図１３に示すように、降圧チョッパ４４を配置して、結合係数の低下により上昇した二次電圧を定電圧まで下げることも提案されているが、降圧チョッパ４４の追加は、受電装置の小型軽量化の妨げとなる。
【０００９】
ところで、（数３）から、一次電圧を制御すれば、二次電圧を一定にできることが分かる。そのためには、非接触状態の一次側に二次側の情報を伝えなければならない。
下記特許文献３には、一次側コイル及び二次側コイルに通信装置を設けて、コイル間で要求電力等の給電情報を送受信し、それに基づいて、給電コイルから受電コイルに電力を給電する方式が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】ＷＯ２００７−０２９４３８号公報
【特許文献２】特願２００９−０１０９９７
【特許文献３】特開２００８−２８８８８９号公報
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】岩田卓也・江原夏樹・金子裕良・阿部 茂・保田富夫・井田和彦：「電気自動車用非接触給電装置のトランス巻線方式による特性比較」，電気学会半導体電力変換研究会資料,SPC-09-39,pp.109-114 (2009)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の非接触給電装置を用いる給電システムの多くは、一次コイルと二次コイルの結合係数が変動しないように、車両の停止位置を機械的に規制して、給電コイルと受電コイルとの位置ずれやギャップ長変化の範囲を制限している。こうしたシステムでは、一次電圧と二次電圧との電圧比が変動する問題は発生しない。しかし、車両を決められた位置に正確に止めることは困難であり、それを強いるシステムの普及は期待できない。
【００１３】
これに対して、コイル間の位置ずれやギャップ長変動に対する許容量が大きい給電システムは、厳しい運転操作を問われないので、利用者は利用し易い。しかし、このシステムでは、給電コイルと受電コイルとの位置ずれやギャップ長変化に伴う一次・二次電圧比の変動を如何に解決するか、という課題がある。
【００１４】
この課題のために従来から提案されている、給電側コイルと受電側コイルとの間の通信で給電情報を交換する方式は、通信の混信や通信エラー、電力伝送磁場による通信ノイズ等の問題があり、また、通信装置の設置が受電装置の小型軽量化を妨げる、という問題がある。
【００１５】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、通信装置を使わずに、一次電圧を制御して、二次電圧の定電圧化を可能にする非接触給電装置、及び、非接触給電方法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】
【００１６】
本発明の非接触給電装置は、一次側の一次側コイルと二次側の二次側コイルとがギャップを隔てて配置され、前記一次側で、前記一次側コイルが可変電圧高周波電源に接続され、前記一次側コイルと前記可変電圧高周波電源との間に前記一次側コイルと直列または並列に一次側コンデンサが配置され、前記二次側で、前記二次側コイルが整流器を介して負荷装置に接続され、前記二次側コイルと前記整流器との間に前記二次側コイルと並列または直列に二次側コンデンサが配置された非接触給電装置であって、前記二次側に、前記負荷装置が前記二次側コイルから電気的に切り離されたときにのみ前記二次側コイルに並列接続される受動素子と、前記受動素子を前記二次側コイルに接続するときに前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離す測定モード切替手段とを備え、前記一次側に、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の出力電圧と出力電流とを計測して、計測結果に基づいて、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧を設定する一次電圧制御手段を備え、前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記二次側コイルの電圧または前記整流器の出力電圧が、予め定められた値になるように前記可変電圧高周波電源の電圧を設定することを特徴とする。
この非接触給電装置は、負荷装置への給電に先立って、二次側コイルにインピーダンスが既知の受動素子（例えば抵抗）を接続し、このときの一次側の高周波電源の電圧と電流との値を測定し、演算によって一次側コイルと二次側コイルとの電圧比の補正量を推定する。この電圧比補正量に基づいて、二次側コイルの出力、あるいは二次側コイルに接続された整流器の出力電圧が目標値になるように、一次側コイルを駆動する高周波電源の電圧を制御する。
【００１７】
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次側コイルと前記一次側コンデンサとで構成される回路の共振周波数、または、前記二次側コイルと前記二次側コンデンサとで構成される回路の共振周波数の少なくとも一方が前記可変電圧高周波電源の周波数に一致するように構成する。
電源周波数に共振する共振回路の存在により、給電効率が向上し、前記可変電圧高周波電源の出力力率が改善される。
【００１８】
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次側コイルが一次側コアの周りに巻回され、前記二次側コイルが二次側コアの周りに巻回され、前記一次側コアが、第１の平面上に間隔を空けずに、または間隔を空けて、配置された複数個のコアから成り、前記二次側コアが、第２の平面上に間隔を空けずに、または間隔を空けて、配置された複数個のコアから成り、前記一次側コイルと前記二次側コイルとが対向するように配置されていることが望ましい。
このコイルは、コイル間の位置ずれやギャップ長変動に対する許容度が大きい故に、それらに伴う二次電圧の変化が生じるが、この装置では、通信装置を用いずに、それを解決できる。
【００１９】
また、本発明の非接触給電装置では、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときに前記可変電圧高周波電源の出力電圧をＶmに設定して計測した前記可変電圧高周波電源の出力電流の値をＩm、前記二次側コイルの電圧の予め定められた値をＶ2とするとき、前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを、
ＶIN＝α×Ｖ2，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
と設定する。
Ｚ及びＶ2は一次側において既知であり、Ｖm、Ｉmは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側コイルの電圧を目標値に設定することができる。
【００２０】
また、本発明の非接触給電装置では、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記受動素子が前記二次側コイルに接続されたときに前記可変電圧高周波電源の出力電圧をＶmに設定して計測した前記可変電圧高周波電源の出力電流の値をＩm、前記整流器の出力電圧の予め定められた値をＶL、前記二次側コイルの電圧Ｖ2と前記整流器の出力電圧ＶLとの比をβ＝ＶL／Ｖ2とするとき、前記一次電圧制御手段は、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを、
ＶIN＝（α／β）×ＶL，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
と設定する。
Ｚ、β及びＶLは一次側において既知であり、Ｖm、Ｉmは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側の整流器の出力電圧を目標値に設定することができる。
なお、Ｖm、Ｉmは高調波を含むので、これらの値の算出においては電源周波数成分（基本波）の実効値を用いるのが基本であるが、高調波を含めた実効値を用いても良い。
【００２１】
また、本発明の非接触給電装置では、前記一次電圧制御手段が、前記Ｖmを前記ＶINより小さく設定し、前記測定モード切替手段は、前記二次側コイルの電圧が所定の電圧以下の場合に前記受動素子を前記二次側コイルに接続して前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離すように構成することができる。
この非接触給電装置は、一次側が、計測用の低電圧Ｖmを出力すると、二次側が、それを検知して自動的に、二次側コイルから負荷装置を電気的に切り離して受動素子を二次側コイルに接続する測定モードに切り替わる。
【００２２】
また、本発明の非接触給電装置では、前記測定モード切替手段が、前記負荷装置を前記二次側コイルに接続する前の所定時間、前記受動素子を前記二次側コイルに接続し、前記一次電圧制御手段は、前記所定時間の間に、前記可変電圧高周波電源の出力電圧をＶmに設定して前記可変電圧高周波電源の出力電流の値Ｉmを計測するように構成することができる。
この非接触給電装置は、二次側が、負荷装置への給電に先立って、所定時間、測定モードに切り替わり、一次側は、この間に計測用の低電圧Ｖmを出力してＩmを計測する。
【００２３】
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次側の構成を、移動体に給電を行う給電ステーションに設置し、前記二次側の構成を、前記給電ステーションから給電を受ける前記移動体に設置することができる。
この非接触給電装置は、自動車、ロボット、電車などの移動体の給電に用いることができる。
【００２４】
また、本発明の非接触給電方法は、一次側の一次側コイルと二次側の二次側コイルとがギャップを隔てて配置され、前記一次側で、前記一次側コイルが可変電圧高周波電源に接続され、前記一次側コイルと前記可変電圧高周波電源との間に前記一次側コイルと直列または並列に一次側コンデンサが配置され、前記二次側で、前記二次側コイルが整流器を介して負荷装置に接続され、前記二次側コイルと前記整流器との間に前記二次側コイルと並列または直列に二次側コンデンサが配置された非接触給電装置の非接触給電方法であって、前記負荷装置への給電に先立ち、前記負荷装置を前記二次側コイルから電気的に切り離して、前記二次側コイルに受動素子を並列接続する測定モードへの切替えステップと、前記可変電圧高周波電源の出力電圧を、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されているときの当該出力電圧よりも低いＶmに設定して、前記可変電圧高周波電源の出力電流の値Ｉmを測定する測定ステップと、前記Ｖmと前記Ｉmとを用いて、前記負荷装置が前記二次側コイルに接続されたときの前記二次側コイルの電圧または前記整流器の出力電圧を予め定められた値に設定するための前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを算出する算出ステップと、前記二次側で、前記受動素子を前記二次側コイルから電気的に切り離して、前記負荷装置を前記二次側コイルに接続し、前記一次側で、前記可変電圧高周波電源の電圧を、前記算出ステップで算出した電圧ＶINに設定して給電を行う給電ステップとを備えることを特徴とする。
この方法により、一次側と二次側との間で情報交換をしなくても、一次側の出力電圧を制御して、二次側コイルの電圧や二次側コイルに接続された整流器の出力電圧を目標値に設定することができる。
【００２５】
また、本発明の非接触給電方法では、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記二次側コイルの電圧の予め定められた値をＶ2とするとき、
ＶIN＝α×Ｖ2，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを求める。
Ｚ及びＶ2は一次側において既知であり、Ｖm、Ｉmは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側コイルの電圧を目標値に設定することができる。
【００２６】
また、本発明の非接触給電方法では、前記二次側の前記受動素子のインピーダンスをＺ、前記整流器の出力電圧の予め定められた値をＶL、前記二次側コイルの電圧Ｖ2と前記整流器の出力電圧ＶLとの比をβ＝ＶL／Ｖ2とするとき、
ＶIN＝（α／β）×ＶL，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2
により前記可変電圧高周波電源の電圧ＶINを求める。
Ｚ、β及びＶLは一次側において既知であり、Ｖm、Ｉmは一次側で測定する値であるから、一次側は、二次側と通信しなくても、二次側の整流器の出力電圧を目標値に設定することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明の非接触給電装置及び非接触給電方法では、通信装置を使わずに、一次側を制御して、二次側の電圧を目標値に設定することができる。そのため、受電側装置に複雑な構成を付加する必要が無く、小型軽量化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触給電装置の構成を示す図
【図２】本発明の実施形態に係る非接触給電方法を示すフロー図
【図３】本発明の実施形態に係る非接触給電装置の電圧比補正量測定用回路を示す図
【図４】本発明の実施形態に係る非接触給電装置の他の構成を示す図
【図５】電圧変動特性の測定実験に用いた装置を示す図
【図６】電圧変動特性の実験結果を示す図
【図７】プラグインハイブリッド車の給電システムを示す図
【図８】非接触給電装置の基本回路図
【図９】非接触給電装置の共振コンデンサの配置例を示す図
【図１０】ＳＰ方式の非接触給電装置の等価回路を示す図
【図１１】非接触給電装置のコイルとコアの構成例を示す図
【図１２】複数枚の細長い板状コアを用いたコイルを示す図
【図１３】降圧チョッパを追加した非接触給電装置を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置を示している。
この装置は、給電ステーション（地上側）から車両へ非接触給電を行うために用いられる。
地上側には、商用周波数の交流から高周波交流を生成する可変電圧高周波電源１と、一次コイル２１と、共振コンデンサ２２とを備える。可変電圧高周波電源１は、商用周波数の交流を供給する商用電源１１と、この交流を直流に変換する整流器１２と、整流器１２から出力される直流を平滑化する平滑コンデンサ１３と、直流から高周波交流を生成するフルブリッジインバータ１４とを有する。フルブリッジインバータ１４は、広く知られているように、スイッチと帰還ダイオードとの組み合わせを４個有しており、これらスイッチのスイッチング位相を制御して出力電圧の大きさを変えることができる。
地上側には、さらに、可変電圧高周波電源１の出力電流を検出する電流検出部７４と、可変電圧高周波電源１の出力電圧を検出する電圧検出部７３と、フルブリッジインバータ１４のスイッチング位相を変えて出力電圧を所定値に設定する電圧設定部７１と、電流検出部７４及び電圧検出部７３の検出結果を用いて後述する電圧補正量を算出する電圧補正量算出部７２と、電圧設定部７１を通じて可変電圧高周波電源１の出力電圧を制御する一次電圧制御部７５とを備えている。なお、特許請求の範囲で言う「一次電圧制御手段」は、電流検出部７４、電圧検出部７３、電圧設定部７１、電圧補正量算出部７２及び一次電圧制御部７５を総称している。
なお、可変電圧高周波電源は、整流器１２の代わりにサイリスタ整流回路を用いて平滑コンデンサ１３の直流電圧を可変にし、フルブリッジインバータ１４は位相制御せずに方形波出力とするＰＡＭ方式でもよい。
【００３０】
一方、車両側には、二次コイル３１と、共振コンデンサ３２と、二次コイル３１に並列する測定用抵抗５１と、測定用抵抗５１の電気的な接続／切離しを選択する電子スイッチ（トライアック）５２と、二次コイル３１から出力される交流を直流に変換する整流器４１と、整流器４１から出力される直流を平滑化する平滑コンデンサ４２と、負荷装置（二次電池）４３と、負荷装置４３の電気的な接続／切離しを選択するスイッチ５３とを備え、さらに、電子スイッチ５２及びスイッチ５３を連動して操作する測定モード切替部７６を備えている。
測定モード切替部７６は、測定モードのとき、スイッチ５３で負荷装置４３を電気的に切離し、電子スイッチ５２で測定用抵抗５１を電気的に接続する。また、給電モードのとき、スイッチ５３で負荷装置４３を接続し、電子スイッチ５２で測定用抵抗５１を電気的に切離す。測定モード切替部７６は、自動で動作し、あるいは、人が操作する。なお、測定用抵抗５１の抵抗値Ｒbは、地上側に既知である。
【００３１】
図２は、この非接触給電装置の動作をフロー図で示している。なお、ここでは、車両側の動作を点線の枠で示し、給電ステーション側（地上側）の動作を実線の枠で示している。
給電を希望する車両のユーザは、給電ステーションの給電位置に車両を止める（ステップ１）。
ユーザは、給電開始前に、測定モード切替部７６を操作して、測定用抵抗５１を二次コイル３１に並列接続し、負荷装置４３を電気的に切離す“測定モード”への切替えを行う（ステップ２）。
このとき、非接触給電装置の回路（図１）は、ｃ−ｃ’より後が無視できる。そのため、測定用回路は、図３に示すように、二次側が測定用抵抗５１の負荷Ｒbのみの回路となり、理想変圧器特性が成り立つ。
なお、測定モード切替部７６は、測定に必要な所定時間が経過した時点で（ステップ８）、測定用抵抗５１を電気的に切離し、負荷装置４３を接続する“受電モード”への切替えを行う（ステップ９）。
【００３２】
車両の停車をセンサ等（不図示）で検知した地上側では、一次電圧制御部７５が、電圧設定部７１を制御して、可変電圧高周波電源１の出力電圧を測定用電圧に設定する。この測定用電圧は、給電時の電圧の数分の１程度の大きさである。電圧検出部７３は、この可変電圧高周波電源１の出力電圧Ｖmを検出して検出結果を電圧補正量算出部７２に送り、また、電流検出部７４は、可変電圧高周波電源１の出力電流Ｉmを検出して検出結果を電圧補正量算出部７２に送る（ステップ３）。
このとき、図３の測定用回路では、理想変圧器特性から、
Ｚ＝ｂ2Ｒb                  （数５）
Ｖm’＝ＺＩm’              （数６）
Ｖm’＝Ｖm／ａ＝ｂＶ2       （数７）
Ｉm’＝Ｉ2L／ｂ             （数８）
が成り立つ（Ｚは可変電圧高周波電源１から見たインピーダンス。Ｖ2、Ｉ2L、ｂについては（数３）（数４）参照）。
（数５）（数６）から、
ｂ2＝Ｖm’／（Ｉm’×Ｒb）      （数９）
となる。また、αを電圧比補正量とし、目標の二次側出力電圧Ｖ2を得るために必要な一次側電源の出力電圧を（α×Ｖ2）で表すこととすると、α＝ａｂとなる。ここでａは一次・二次コイルの巻数比Ｎ1／Ｎ2である。
【００３３】
一次電圧制御部７５は、電圧補正量算出部７２に電圧比補正量αの算出を指示し、電圧補正量算出部７２は、検出された電圧Ｖm、電流Ｉm、既知の測定用抵抗５１の負荷Ｒbから電圧比補正量αを次式（数１０）により算出する。
α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｒb）｝1/2                    （数１０）
そして、算出したαを一次電圧制御部７５に送る（ステップ４）。
一次電圧制御部７５は、予め指令された二次側コイルの出力電圧の目標値Ｖ2にαを乗算して給電電圧（α×Ｖ2）を算出し（ステップ５）、電圧設定部７１を制御して、可変電圧高周波電源１の出力電圧ＶINを（α×Ｖ2）に設定し、給電を開始する（ステップ６）。
こうして、一次側電圧の制御により、二次側コイルの出力電圧が目標値Ｖ2に設定され、給電の終了するまで、目標値Ｖ2が維持される（ステップ７）。
このように、この非接触給電装置では、通信装置を用いずに、二次側電圧を一次側で制御することができる。
【００３４】
なお、ここでは、一次電圧制御部７５に対する指令値として、二次側コイル３１の出力電圧の目標値が設定され、一次側電圧を制御して二次側コイル３１の出力電圧を調整する場合について説明したが、指令値として、二次側整流器４１の出力電圧の目標値ＶLと、整流器４１の入出力電圧比β（＝ＶL／Ｖ2、但し、Ｖ2は二次側コイル３１の出力電圧）とを設定し、一次側電圧を制御して二次側整流器４１の出力電圧を調整することも可能である。この場合、一次電圧制御部７５は、次式（数１１）により給電電圧ＶINを算出する。
ＶIN＝（α／β）×ＶL，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｒb）｝1/2    （数１１）
また、ここでは、測定用抵抗５１を用いて測定を行っているが、抵抗成分以外にＬ成分を含む受動素子を用いても良い。この場合、受動素子のインピーダンスをＺとして、（数１０）は、
α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2                            （数１２）
となり、（数１１）は、
ＶIN＝（α／β）×ＶL，α＝｛（Ｖm／Ｉm）×（１／Ｚ）｝1/2    （数１３）
となる。
【００３５】
また、ここでは、ユーザが測定モード切替部７６を操作する場合について説明したが、図４に示すように、二次側コイル３１の出力電圧を検出する電圧検出部７７を設けて、測定モード切替部７６の操作を自動化することもできる。この場合、一次電圧制御部７５が可変電圧高周波電源１の出力電圧を測定用電圧Ｖmに設定すると、電圧検出部７７がそれを検出して測定モード切替部７６に伝え、測定モード切替部７６は、二次側コイル３１の出力電圧が閾値より低下したので“測定モード”と判断し、スイッチ５３で負荷装置４３を電気的に切離し、電子スイッチ５２で測定用抵抗５１を接続する。また、一次電圧制御部７５が可変電圧高周波電源１の出力電圧を給電電圧ＶINに設定すると、電圧検出部７７がそれを検出して測定モード切替部７６に伝え、測定モード切替部７６は、二次側コイル３１の出力電圧が閾値を超えたので“給電モード”と判断し、スイッチ５３で負荷装置４３を接続し、電子スイッチ５２で測定用抵抗５１を電気的に切離す。
なお、図１３のように二次側整流器の後に降圧チョッパを用いる場合は、スイッチ５３を降圧チョッパのスイッチ素子（図１３ではＩＧＢＴ）で代替可能である。即ち、スイッチ素子をオフにすれば（降圧チョッパを運転停止すれば）、負荷装置５３を切り離すことができる。
【００３６】
また、この非接触給電装置では、図１１や図１２に示すように、フェライトコアの周りに巻回したコイルや、そのフェライトコアを複数枚の細長い板で構成し、平面上に間隔を空けずに、または間隔を空けて、配置したコイルを用いることが望ましい。
また、ここでは、共振コンデンサをＳＰ方式で配置した非接触給電装置について示したが、図９に示すように、共振コンデンサを、ＰＰ方式、ＰＳ方式あるいはＳＳ方式で配置しても良い。何れにしろ、一次側コイルと共振コンデンサとで構成する回路の共振周波数や二次側コイルと共振コンデンサとで構成する回路の共振周波数を可変電圧高周波電源の周波数に一致させることで給電効率やインバータの出力力率が向上する。
【００３７】
次に、本発明の非接触給電装置の効果を示す実験結果について説明する。
この実験では、コイル間の位置ずれの大きさやギャップ長を変えたときの二次側電圧の変化を測定し、可変電圧高周波電源１の出力電圧を制御したときに、その変化がどのように変わるかを測定している。
図５は、実験に使用したコイルを示している。
ケース１では、このコイルのギャップ長を５０ｍｍに、ｘ、ｙ方向の位置ずれを０に設定している。
ケース２では、このコイルのギャップ長を７０ｍｍに、ｘ、ｙ方向の位置ずれを０に設定している。
ケース３では、このコイルのギャップ長を９０ｍｍに、ｘ方向の位置ずれを４５ｍｍ、ｙ方向の位置ずれを１２５ｍｍに設定している。
【００３８】
図６（ａ）は、各ケースについて、可変電圧高周波電源１の出力電圧を制御しなかった場合を示している。この図において、各ケースの左側の棒グラフは、図１のａ−ａ’位置での電圧ＶIN、即ち、可変電圧高周波電源１の出力電圧を示し、各ケースの中央の棒グラフは、図１のｂ−ｂ’位置での電圧Ｖ2、即ち、二次側コイルの出力電圧を示し、各ケースの右側の棒グラフは、図１のｄ−ｄ’位置での電圧ＶL、即ち、負荷装置４３への印加電圧を示している。
また、各ケースのＶIN、Ｖ2及びＶLの頂点位置を、それぞれ実線で近似している。図６（ａ）の場合、可変電圧高周波電源１の出力電圧ＶINを制御していないので、各ケースにおいて、ＶINは一定の値を示している。このとき、二次側コイルの出力電圧Ｖ2は、ギャップ長の増加や位置ずれにより増加し、負荷装置４３への印加電圧ＶLは、Ｖ2よりも更に増加している。
【００３９】
一方、図６（ｂ）は、各ケースについて、測定モードによりＶm、Ｉmの波形を測定し、その波形から算出したＶm、Ｉmの値を用いて可変電圧高周波電源１の出力電圧を制御した場合を示している。
なお、Ｖm、Ｉmは高調波を含むので、これらの値の算出においては電源周波数成分（基本波）の実効値を用いている。しかし、高調波を含む波形の実効値を用いてＶm、Ｉmの値を算出しても良い。
この制御により、可変電圧高周波電源１の出力電圧ＶINは、ギャップ長の増加や位置ずれが増える程、低下し、二次側コイルの出力電圧Ｖ2及び負荷装置４３への印加電圧ＶLは、略一定に保たれている。
このように、一次電圧ＶINを制御すれば、二次電圧を略一定にできることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の非接触給電装置及び給電方法は、通信装置を使わずに、一次側を制御して、二次側電圧を目標値に設定することが可能であり、電気自動車、プラグインハイブリッド車、工場内搬送車、移動ロボット、電車など、各種の移動体の非接触給電に利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１      可変電圧高周波電源
１０    高周波電源
１１    商用電源
１２    整流器
１３    平滑コンデンサ
１４    フルブリッジインバータ
２１    一次コイル
２２    共振コンデンサ
３１    二次コイル
３２    共振コンデンサ
４１    整流器
４２    平滑コンデンサ
４３    負荷装置（二次電池）
４４    降圧チョッパ
５１    測定用抵抗
５２    電子スイッチ（トライアック）
５３    スイッチ
６１    一次側フェライトコア
６２    一次側コイル
６３    二次側フェライトコア
６４    二次側コイル
６５    アルミ板
６６    アルミ板
７１    電圧設定部
７２    電圧補正量算出部
７３    電圧検出部
７４    電流検出部
７５    一次電圧制御部
７６    測定モード切替部
７７    電圧検出部
１００  車両
１０２  二次コイル
１０３  充電回路
１０４  二次電池
１０５  インバータ
１０６  モータ
１０７  エンジン
１４１  細長いフェライト板
１４２  コイル
２００  商用電源
２０１  高周波電源
２０２  一次コイル
【図１】
2011045195.tif 000003
【図２】
2011045195.tif 000004
【図３】
2011045195.tif 000005
【図４】
2011045195.tif 000006
【図５】
2011045195.tif 000007
【図６】
2011045195.tif 000008
【図７】
2011045195.tif 000009
【図８】
2011045195.tif 000010
【図９】
2011045195.tif 000011
【図１０】
2011045195.tif 000012
【図１１】
2011045195.tif 000013
【図１２】
2011045195.tif 000014
【図１３】
2011045195.tif 000015