(57)【要約】【課題】  一次側に複数の送電コイルを設置するＷＰＴシステムにおいて、待機状態の送電コイルに流れる電流を更に抑制できるシステムを提供する。【解決手段】  高周波電源３００に並列に接続された複数の送電コイル１０１〜１０３と、移動体に搭載された受電コイル２００とを備える移動体用ワイヤレス給電システムであって、高周波電源３００と送電コイル１０１〜１０３との間に、高周波電源から送電コイルに流れる電流が閾値未満のとき、高周波電源から送電コイルに流れる電流を抑制するためにインピーダンスが上昇し、高周波電源から送電コイルに流れる電流が閾値以上のとき、高周波電源から送電コイルに流れる電流を抑制しないようにインピーダンスが低下する電流制御素子１１１〜１１３が配置されている。受電コイルと対向していない送電コイルへの電流供給が抑制される。【選択図】図１
2019071719.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波電源に並列に接続された複数の送電コイルと、移動体に搭載された受電コイルとを備え、前記送電コイルから前記受電コイルに給電が行われる移動体用ワイヤレス給電システムであって、
前記高周波電源と少なくとも一つの前記送電コイルとの間に、前記高周波電源から該送電コイルに流れる電流が閾値未満のとき、前記高周波電源から該送電コイルに流れる電流を抑制するようにインピーダンスが上昇し、前記高周波電源から該送電コイルに流れる電流が前記閾値以上のとき、前記高周波電源から該送電コイルに流れる電流を抑制しないようにインピーダンスが低下する電流制御素子が配置されている移動体用ワイヤレス給電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の移動体用ワイヤレス給電システムであって、
前記電流制御素子は、閉じた磁気回路を構成するコアと、前記コアに巻回された第一の巻線と、前記コアに巻回された第二の巻線とを備える可飽和リアクトルを有し、前記高周波電源から前記送電コイルに流れる交流電流が前記第一の巻線を通過し、前記第二の巻線に前記交流電流を制御するための直流電流が供給される移動体用ワイヤレス給電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の移動体用ワイヤレス給電システムであって、
前記第一の巻線を通過する交流電流の検出手段をさらに有し、前記検出手段の検出結果に基づいて前記第二の巻線に供給される直流が制御される移動体用ワイヤレス給電システム。
【請求項４】
請求項３に記載の移動体用ワイヤレス給電システムであって、
前記検出手段は、閉じた磁気回路を構成する検出用コアと、前記検出用コアに巻回された第三の巻線と、前記検出用コアに巻回された第四の巻線とを有し、前記可飽和リアクトルから前記送電コイルに流れる交流電流が前記第三の巻線を通過し、それによって前記第四の巻線に誘起された交流電流が整流されて前記可飽和リアクトルの前記第二の巻線に供給される移動体用ワイヤレス給電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地上側に離間して配置された複数の送電コイルから、走行中又は駐車中の移動体に搭載されている受電コイルに非接触で給電を行う移動体用ワイヤレス給電システムに関し、複数の送電コイルの内で、給電に寄与していない送電コイルに流れる電流を抑制できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
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ワイヤレス給電（Wireless Power Transmission :ＷＰＴ）を行うシステムが種々考えられている。
【０００３】
下記特許文献１には、図１５に示すように、直列又は並列に電気接続した複数の送電コイル１〜４を車両の走行路に沿って離間して設置し、これらの送電コイルに一つの高周波電源４０から高周波交流を供給して、走行車両に搭載された受動コイル２０にＷＰＴを行うシステムが開示されている。
【０００４】
また、下記特許文献２には、図１６に示すように、車両の駐車エリアに直列又は並列に電気接続した複数の送電コイル２１、２２、２３を設置して、駐車車両に搭載された受動コイル３１にＷＰＴを行うシステムが開示されている。
このシステムにより、ＷＰＴを受ける車両の停車位置の規制が緩和される。また、受電コイル３１の搭載位置が異なる車種に対してもＷＰＴが容易に実行できる。
【０００５】
図１７は、こうしたシステムの基本的な回路構成を示している。ここでは、地上側（一次側）に設置される複数の送電コイル１０１、１０２、１０３が電気的に並列接続され、これらの送電コイルに対して高周波電源３００から高周波交流が供給されるシステムを示している。車両側（二次側）に搭載される受電コイル２００は、一つの送電コイルに対向する位置においてその送電コイルからＷＰＴを受け、または、二つの送電コイルの中間位置においてその二つの送電コイルからＷＰＴを受けることになる。受電コイル２００で受電された交流は、整流回路２０１で整流されて電池（負荷）２０２に供給される。
【０００６】
また、このシステムでは、ギャップ長が大きい送電コイル及び受電コイル間のＷＰＴの効率を補償するため、一次側には、各送電コイルと並列にコンデンサＣｐが配置され、二次側には、受電コイルと直列にコンデンサＣｓが配置されている。一次側並列コンデンサＣｐの値は、送電コイルのインダクタンスと共振するように設定され、二次側直列コンデンサＣｓの値は、一次側電源力率が１となるように設定されている。
【０００７】
図１８は、受電コイル２００が送電コイル１０１に対向し、それらの間でＷＰＴが行われる状態での等価回路を示している。一次側並列コンデンサＣｐ及び二次側直列コンデンサＣｓの値を前述するように設定した場合、この回路は、（数１）（数２）に示す理想変圧器特性となる。
【数１】
2019071719.tif 000003
【数２】
2019071719.tif 000004
【０００８】
一方、図１９は、送電コイル１０２に対して受電コイル２００が対向していない状態（待機状態）にあるときの等価回路を示している。この場合、高周波電源から供給される電流ＩNは、一次電流Ｉ1無効分と一次側並列コンデンサＣｐ電流ＩP1とが相殺されるため、（数３）に示すように一次電流Ｉ1の有効分のみとなる。
【数３】
2019071719.tif 000005
【０００９】
ここで、送電コイルの自己インダクタンスＬ１、送電コイルのＱ、及び、高周波電源の周波数に設定される共振周波数の角速度ω0を用いて（ｘ0＋ｘ1）＝ω0Ｌ1，Ｑ1＝ω0Ｌ1／ｒ1と変形すると、ＩNは（数４）のように表せる。
【数４】
2019071719.tif 000006
（数４）は、待機状態のとき、高周波電源から供給される電流ＩNが一次電流Ｉ1の約１／Ｑ1に減少することを示している。
【００１０】
なお、下記非特許文献１には、図１７の回路構成を有するＷＰＴシステムにおいて、受電コイルと送電コイルとの距離が十分離れた「無負荷時」の入力電流ＩNと、受電コイルと送電コイルとの位置ずれが無い「標準時」の入力電流ＩNとを測定した結果が示されており、それらを比較すると、「無負荷時」の入力電流ＩNが、「標準時」の入力電流ＩNより減少していることが分かる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１４−１４７１６０号公報
【特許文献２】特開２０１５−１３９２６３号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】平成２９年電気学会全国大会講演論文集（4-183）津田和真他「走行中非接触給電システムに適した回路方式の検討」（Ｐ．３２０−３２１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
一次側に複数の送電コイルを設置するＷＰＴシステムでは、このように、受電コイルに対向していない待機状態の送電コイルに流れる電流を少なくすることが、システムの効率向上を図る上からも、漏洩磁束による人体への影響を避ける上からも望ましい。
【００１４】
本発明は、こうした観点から、一次側に複数の送電コイルを設置するＷＰＴシステムにおいて、待機状態の送電コイルに流れる電流を更に抑制できる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】
【００１５】
本発明は、高周波電源に並列に接続された複数の送電コイルと、移動体に搭載された受電コイルとを備え、送電コイルから受電コイルに給電が行われる移動体用ワイヤレス給電システムであって、高周波電源と少なくとも一つの送電コイルとの間に、高周波電源から送電コイルに流れる電流が閾値未満のとき、高周波電源から送電コイルに流れる電流を抑制するようにインピーダンスが上昇し、高周波電源から送電コイルに流れる電流が閾値以上のとき、高周波電源から送電コイルに流れる電流を抑制しないようにインピーダンスが低下する電流制御素子が配置されていることを特徴とする。
複数の送電コイルが並列接続されている場合、高周波電源からの交流電流は、受電コイルに対向している送電コイルには多く供給され、対向していない送電コイルには少なく供給される。電流制御素子を備えるこのシステムでは、この傾向がさらに強められ、交流電流の供給が閾値未満の送電コイルに対して、電流供給がさらに抑制される。交流電流の供給が閾値以上の送電コイルに対しては、電流供給の抑制が行われない。
【００１６】
また、本発明の移動体用ワイヤレス給電システムでは、電流制御素子として、閉じた磁気回路を構成するコアと、コアに巻回された第一の巻線と、コアに巻回された第二の巻線とを備える可飽和リアクトルを用いており、第一の巻線を通じて、高周波電源から送電コイルに交流電流が流され、第二の巻線には、交流電流を制御するための直流電流が供給される。
可飽和リアクトルでは、第二の巻線の直流電流が小さく、コアが磁気飽和していない状態では、コアに巻回された第一の巻線のインダクタンスが高い。この直流電流が閾値以上に増加し、コアが磁気飽和すると、第一の巻線のインダクタンスが急激に低下する。
【００１７】
また、本発明の移動体用ワイヤレス給電システムでは、第一の巻線を通過する交流電流の検出手段をさらに有し、検出手段の検出結果に基づいて第二の巻線に供給する直流を制御する。
第一の巻線を通過する交流電流が少ないとき、第二の巻線に供給する直流電流を少なくして、コアに巻回された第一の巻線のインピーダンスを高い状態に維持し、第一の巻線を通過する交流電流が多いとき、第二の巻線に供給する直流電流を多くしてコアを磁気飽和させ、コアに巻回された第一の巻線のインピーダンスを低下させる。
【００１８】
また、本発明の移動体用ワイヤレス給電システムでは、検出手段を、閉じた磁気回路を構成する検出用コアと、検出用コアに巻回された第三の巻線と、検出用コアに巻回された第四の巻線とで構成し、可飽和リアクトルから送電コイルに流れる交流電流を第三の巻線を通し、それによって第四の巻線に誘起された交流電流を整流して可飽和リアクトルの第二の巻線に供給することが好ましい。
このシステムでは、第一の巻線に流れる交流電流に応じて、第二の巻線に供給する直流をパッシブ制御することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の移動体用ワイヤレス給電システムでは、複数の送電コイルの内で、給電に寄与していない待機状態の送電コイルに流れる電流をさらに抑制することができ、それによって、システムの効率向上を図ることができ、また、漏洩磁束による人体への影響を減らすことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態に係る移動体用ワイヤレス給電システムの回路構成図
【図２】図１のシステムで用いる電流制御素子の特性を示す図
【図３】電流制御素子に用いる可飽和リアクトルを説明する図、
【図４】可飽和リアクトルの特性を示す図
【図５】可飽和リアクトルを用いた第１の電流制御素子を示す図
【図６】可飽和リアクトルを用いた第２の電流制御素子を示す図
【図７】図６の電流制御素子を組み込んだ測定用装置の回路構成図
【図８】図６の電流制御素子を構成するために用いられた可飽和リアクトル及び制御電流生成コイルを示す図
【図９】電流制御素子の有無による送電コイルの電圧・電流の違いを示す図
【図１０】電流制御素子の有無による損失特性の違いを示す図
【図１１】電流制御素子の有無による漏洩磁束密度の違いを示す図
【図１２】電流制御素子が存在する状態での給電特性を示す図
【図１３】高周波電源の出力電流と電流制御素子の制御電流との関係を示す図
【図１４】電流制御素子の制御電流の切替えに伴う電源出力電流・負荷電流の変化を示す図
【図１５】従来の走行中給電システムを示す図
【図１６】複数の送電コイルを配置した駐車場システムを示す図
【図１７】従来の走行中給電システムの回路構成図
【図１８】図１７の回路構成の等価回路
【図１９】送電コイルが待機状態のときの等価回路
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明の実施形態に係る移動体用ワイヤレス給電（ＷＰＴ）システムの回路構成を図１に示している。
この回路構成は、図１７に示す従来の回路構成と比べて、高周波電源３００から各送電コイル１０１、１０２、１０３に送られる交流電流を制御する電流制御素子１１１、１１２、１１３が、各送電コイル１０１、１０２、１０３に対応して配置されている点だけが相違している。
【００２２】
この電流制御素子１１１、１１２、１１３は、図２に示すように、電流制御素子に入力する電流（ＩIN）が閾値（Ｚ0）未満のとき高インピーダンスとなり、閾値（Ｚ0）以上のとき低インピーダンスとなる特性を有している。
前述するように、受電コイル２００に対向していない送電コイル１０２、１０３では、高周波電源３００から供給される交流電流が少ない。そのため、送電コイル１０２、１０３に対応して配置された電流制御素子１１２、１１３は高インピーダンスとなり、その結果、送電コイル１０２、１０３への交流電流の供給はさらに抑制される。
一方、受電コイル２００に対向している送電コイル１０１は、高周波電源３００から供給される交流電流が多いため、電流制御素子１１１は低インピーダンスを維持する。そのため、送電コイル１０１への交流電流の供給は抑制されない。
【００２３】
こうした特性を持つ電流制御素子は、例えば可飽和リアクトルを用いて構成することができる。
可飽和リアクトルは、図３に示すように、閉磁気回路を構成する環状の鉄心５０と、鉄心に巻回された第一の巻線５１と、鉄心に巻回された第二の巻線５２とを有しており、第一の巻線５１に制御対象の交流電流が供給され、その交流電流を制御するための直流電流が第二の巻線５２に供給される。
なお、図３では、第一の巻線５１側の交番磁束の変化により誘起される第二の巻線５２側の起電力を打ち消すように、二つの可飽和リアクトルを接続して用いているが、一つの可飽和リアクトルだけで交流電流を制御しても良い。
【００２４】
図４は、第二の巻線５２に供給される直流電流（制御電流ＩC）の変化に伴う第一の巻線５１側のインピーダンスの変化を示している。制御電流ＩCが閾値未満のときは、第一の巻線５１の鉄心５０が磁気飽和していない状態にあり、高インピーダンスを示す。制御電流ＩCが閾値を超えると、鉄心５０が磁気飽和し、第一の巻線５１側のインピーダンスが急激に低下する。
【００２５】
この実施形態では、この可飽和リアクトルを用いて、高周波電源３００から送電コイル１０１、１０２、１０３に供給される交流電流に応じてインピーダンスを変える電流制御素子１１１、１１２、１１３を構成している。
図５は、その一例を示している。
【００２６】
この電流制御素子は、一方の可飽和リアクトルの第一の巻線５１から他方の可飽和リアクトルの第一の巻線５１に送られる交流電流を検出する電流検出部５５と、電流検出部５５で検出された検出量に基づいて、第二の巻線５２に供給する直流電流（制御電流）の大きさを制御する電流制御部５６とを備えている。
この構成により、高周波電源３００から送電コイル１０１、１０２、１０３に供給される交流電流に応じて第一の巻線５１側のインピーダンスを制御することができる。
【００２７】
また、図６は、電流制御素子の他の例を示している。
この電流制御素子は、二つの可飽和リアクトルとは別に、可飽和リアクトルから送電コイル１０１、１０２、１０３に送られる交流電流から制御用の直流電流（制御電流）を生成するための制御電流生成コイル６０を備えている。この制御電流生成コイル６０には、可飽和リアクトルから送電コイル１０１、１０２、１０３に送られる交流電流を流す第三の巻線６１と、第三の巻線６１に流れる交流電流に応じて誘起電流を発生する第四の巻線６２とが巻回されている。第四の巻線６２に発生した誘起電流は、整流器６３で直流に変換され、可飽和リアクトルの第二の巻線５２に供給される。
この電流制御素子は、コイルとダイオードだけで構成することができ、低コストでの実現が可能である。
【００２８】
これらの電流制御素子は、図１に示す電流制御素子１１１、１１２、１１３として組み込まれる。
図７は、実施形態のＷＰＴシステムの特性を測定するために図６の電流制御素子を組み込んだ測定装置の回路構成を示している。図８には、この測定に使用した電流制御素子の可飽和リアクトル及び制御電流生成コイルを示している。
この測定装置では、高周波電源として、ＡＣ／ＤＣコンバータの直流出力から交流を生成する単相直列二重化インバータを用いている。
また、待機状態の送電コイルの特性は、受電コイル側を取り除いて測定している。
【００２９】
図９は、電流制御素子の存在が、待機状態の送電コイルにおける電圧（Ｖ１）及び電流（Ｉ１）に及ぼしている影響について示している。図中の（１）、（２）は、電流制御素子が存在するときの電流（Ｉ１）、電圧（Ｖ１）と高周波出力電圧（ＶIN）との関係を示し、（３）、（４）は、電流制御素子が存在しないときのＩ１、Ｖ１とＶINとの関係を示している。
【００３０】
図１０は、電流制御素子の存在が、送電コイルの損失特性に及ぼしている影響について示している。図中の（１）、（２）は、電流制御素子が存在するときのコイル当たりの損失を示し、（３）は、電流制御素子が存在しないときのコイル当たりの損失を示している。
【００３１】
図１１は、電流制御素子の存在が、待機状態の送電コイルの漏洩磁束密度に及ぼしている影響について示している。図中の（１）、（２）は、電流制御素子が存在するときの待機状態の送電コイルにおけるｚ方向（コイル中央磁極部垂直方向）の漏洩磁束密度を示し、（３）は、電流制御素子が存在しないときの同方向の漏洩磁束密度を示している。
図９、図１０、図１１から、電流制御素子が待機状態の送電コイルの電圧、電流を抑制し、それにより給電損失や漏洩磁束密度が減っていることが見て取れる。
【００３２】
図１２は、電流制御素子が存在する状態での給電特性を示している。図中の（１）は、一次側のＡＣ入力電力を示し、（２）、（３）、（４）は、二次側のＤＣ出力電力、ＤＣ出力電圧、ＤＣ出力電流を示している。また、（５）は、給電効率を示している。図１２から、電流制御素子が給電特性に影響を与えていないことが見て取れる。
【００３３】
図１３は、電流制御素子を構成する可飽和リアクトルの制御電流（ＩC）が、高周波電源の出力電流（ＩIN）に追随して受動的に変化する様子を示している。図中の（１）は、制御電流（ＩC）を示し、（２）は、高周波電源の出力電流（ＩIN）を示している。また（３）、（４）は、二次側の負荷電流（Ｉ0）、負荷電力（Ｐｏ）を示している。
図１３から、可飽和リアクトルの制御電流（ＩC）が、高周波電源の出力電流（ＩIN）に伴ってパッシブ的に変化し、この制御電流（ＩC）の増加に伴って二次側の負荷電流（Ｉ0）、負荷電力（Ｐｏ）が大きく増加することが見て取れる。
【００３４】
また、図１４は、可飽和リアクトルの制御電流（ＩC）が切り替わることに伴って、高周波電源の出力電流（ＩIN）及び二次側の負荷電流（Ｉ0）が切り替わる様子を可視的に示している。（ａ）は、制御電流（ＩC）が増加に転じるときの状態を示し、（ｂ）は、制御電流（ＩC）が減少に転じるときの状態を示している。いずれの場合も、高周波電源の出力電圧（ＶINV）は変わらない。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の移動体用ワイヤレス給電システムは、複数の送電コイルを設置して移動体へのＷＰＴを行う際の給電効率を高め、漏洩磁束を減らすことができるものであり、道路上に複数の送電コイルを設置する走行中給電システムや、複数の送電コイルを駐車場に設置する駐車システムなどに広く利用することができる。
【符号の説明】
【００３６】
５０    鉄心
５１    第一の巻線
５２    第二の巻線
５３    高周波電源
５５    電流検出部
５６    電流制御部
６０    制御電流生成コイル
６１    第三の巻線
６２    第四の巻線
６３    整流器
１０１  送電コイル
１０２  送電コイル
１０３  送電コイル
１１１  電流制御素子
１１２  電流制御素子
１１３  電流制御素子
２００  受電コイル
３００  高周波電源
【図１】
2019071719.tif 000007
【図２】
2019071719.tif 000008
【図３】
2019071719.tif 000009
【図４】
2019071719.tif 000010
【図５】
2019071719.tif 000011
【図６】
2019071719.tif 000012
【図７】
2019071719.tif 000013
【図８】
2019071719.tif 000014
【図９】
2019071719.tif 000015
【図１０】
2019071719.tif 000016
【図１１】
2019071719.tif 000017
【図１２】
2019071719.tif 000018
【図１３】
2019071719.tif 000019
【図１４】
2019071719.tif 000020
【図１５】
2019071719.tif 000021
【図１６】
2019071719.tif 000022
【図１７】
2019071719.tif 000023
【図１８】
2019071719.tif 000024
【図１９】
2019071719.tif 000025