(57)【要約】  受電装置（１０２）に対して非接触で電力を送電する非接触給電装置（１０１）であり、送電コイル（Ｌ１１）と送電側コンデンサ（Ｃ２）を有し受電装置に電力を送電する送電コイルユニット（１１）と、交流電力を出力するインバータ装置（３１）を備え、且つ、インダクタ（Ｌ１）と電力出力側コンデンサ（Ｃ１）の直列接続回路を備え、電力供給ケーブル（１２ａ、１２ｂ）を介して送電コイルユニットと接続されて、該送電コイルユニットに電力を供給する電力変換ユニット（１３）を有する。電力変換回路より出力される交流電力の周波数と、誘導性素子のインダクタンス及び電力出力側コンデンサの静電容量による共振周波数と、が一致するように電力出力側コンデンサの容量を設定する。更に、送電側コンデンサと電力出力側コンデンサとの合成の静電容量が、送電側共振回路として送電コイルに対して設置するべき共振コンデンサの静電容量と一致するように設定する。
2016121030.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電側共振回路を有する受電装置に対して前記受電側共振回路と共振する送電側共振回路を有し、非接触で電力を送電する非接触給電装置であって、
送電コイルと、送電側コンデンサを有し、前記受電装置に電力を送電する送電コイルユニットと、
交流電力を出力する電力変換回路を備え、且つ、誘導性素子と電力出力側コンデンサの直列接続回路を備え、接続用電線を介して前記送電コイルユニットと接続されて、該送電コイルユニットに電力を供給する電力変換ユニットと、を有し、
前記電力変換回路より出力される交流電力の周波数と、前記誘導性素子のインダクタンス及び前記電力出力側コンデンサの静電容量による共振周波数と、が一致するように前記電力出力側コンデンサの容量が設定され、
更に、前記送電側コンデンサと前記電力出力側コンデンサとの合成の静電容量が、前記送電側共振回路として前記送電コイルに対して設置するべき共振コンデンサの静電容量と一致するように設定されていること
を特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
前記電力変換ユニットは、複数の電力出力側コンデンサを備え、各電力出力側コンデンサの合成の静電容量と、前記送電側コンデンサの静電容量と、の合成の静電容量が、前記送電側共振回路として前記送電コイルに対して設置するべき共振コンデンサの静電容量と一致するように設定されていること
を特徴とする請求項１に記載の非接触給電装置。
【請求項３】
前記電力変換ユニットは、前記電力変換回路の２つの出力部と、前記接続用電線をなす２本の電線と、の間にそれぞれ、誘導性素子と電力出力側コンデンサとの直列接続回路を備え、
２つの誘導性素子の合成のインダクタンスと、２つの電力出力側コンデンサとの合成の静電容量と、による共振周波数が、前記電力変換回路より出力される交流電力の周波数と一致するように設定され、
２つの電力出力側コンデンサの合成の静電容量と、前記送電側コンデンサの静電容量と、の合成の静電容量が、前記送電側共振回路として前記送電コイルに対して設置するべき共振コンデンサの静電容量と一致するように設定されていること
を特徴とする請求項２に記載の非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、受電装置に設けられる負荷に非接触で電力を供給する非接触給電装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両に搭載されるバッテリ等の負荷に対して非接触で電力を供給するために、非接触給電装置が提案されている。非接触給電装置は、送電コイルと共振コンデンサを備える送電コイルユニットと、この送電コイルユニットに送電用の電力を供給する電力変換ユニットを備えている。そして、送電コイルユニットと電力変換ユニットは、離れた場所に設けられることが多く、両者間は電力供給ケーブルを介して電気的に接続されている。【０００３】
一方、電力変換ユニットに設けられるインバータ装置（電力変換回路）は、半導体素子の損失を低減するために、出力側のインピーダンスが誘導性であることが必要である。特許文献１には、電力変換ユニット内のインバータ装置の出力側にインダクタ（誘導性素子）と可変コンデンサを設け、可変コンデンサを用いてインダクタとの間でインピーダンスマッチングを行い、出力側のインピーダンスを誘導性にすることが開示されている。【０００４】
しかし、インバータ装置の出力側にインダクタを設けると、電力変換ユニットと送電コイルユニットとの間を接続するための電力供給ケーブルに生じる電圧が上昇するので、高電圧の対策を採る必要が発生する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２０１２−５０４３８７号公報
【発明の概要】
【０００６】
上述したように、インバータ装置の出力側にインダクタ（誘導性素子）を設けると、電力変換ユニットと送電コイルユニットとの間を接続するための電力供給ケーブルに生じる電圧が上昇するので、高電圧の対策を採らなければならないという問題が発生する。
【０００７】
本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、電力供給ケーブルに生じる電圧を低減することが可能な非接触給電装置を提供することにある。
【０００８】
本発明の一態様に係る非接触給電装置は、受電側共振回路を有する受電装置に対して前記受電側共振回路と共振する送電側共振回路を有し、非接触で電力を送電する非接触給電装置であり、送電コイルと送電側コンデンサを有し、受電装置に電力を送電する送電コイルユニットを有する。また、交流電力を出力する電力変換回路を備え、且つ、誘導性素子と電力出力側コンデンサの直列接続回路を備え、接続用電線を介して送電コイルユニットに電力を供給する電力変換ユニットと、を有する。電力変換回路より出力される交流電力の周波数と、誘導性素子のインダクタンス及び電力出力側コンデンサの静電容量による共振周波数と、が一致するように電力出力側コンデンサの容量が設定される。また、送電側コンデンサと電力出力側コンデンサとの合成の静電容量が、送電側共振回路として送電コイルに対して設置するべき共振コンデンサの静電容量と一致するように設定される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置、及びその周辺機器の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態に係る非接触給電装置が車両に搭載された際の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置の構成を示す回路図である。
【図４】比較例に係る非接触給電装置の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係る非接触給電装置において、電力供給ケーブルに生じる電圧の変化を示す特性図である。
【図６】比較例に係る非接触給電装置において、電力供給ケーブルに生じる電圧の変化を示す特性図である。
【図７】本発明の第１実施形態の変形例に係る非接触給電装置の構成を示す回路図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係る非接触給電装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［第１実施形態の説明］
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る非接触給電装置１０１、及びこの非接触給電装置１０１より電力が給電される受電装置１０２の構成を示すブロック図である。
【００１１】
非接触給電装置１０１は、例えば車両の駐車スペースの地面に設けられる送電コイルユニット１１と、該送電コイルユニット１１と電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ（接続用電線）にて接続された電力変換ユニット１３と、を備えている。また、受電装置１０２は、例えば電動車両に設けられおり、受電コイルユニット２１と、整流器２２、及びバッテリ２３を備えている。受電コイルユニット２１は、共振コイルＬ３１と共振コンデンサＣ３１を備えている。共振コイルＬ３１と共振コンデンサＣ３１により、「受電側共振回路」が構成される。
【００１２】
即ち、図２に示すように、駐車スペースの地面１０３には、送電コイルユニット１１が設けられているので、電動車両Ｖ１がこの駐車スペースに停車されると、電動車両Ｖ１の底面に配置された受電コイルユニット２１と、送電コイルユニット１１が対向することになる。従って、この状態で送電コイルユニット１１に電力を供給すると、該送電コイルユニット１１から受電コイルユニット２１に非接触で電力が送電される。受電コイルユニット２１で受電された電力は、整流器２２で整流された後、バッテリ２３に充電される。
【００１３】
図１に示す電力変換ユニット１３は、半導体スイッチのブリッジ回路からなるインバータ装置３１（電力変換回路）と、インダクタＬ１（誘導性素子）とコンデンサＣ１（電力出力側コンデンサ）の直接接続からなるリアクタンス回路３２と、を含んでいる。インダクタＬ１は、インバータ装置３１の後段側のインピーダンスを誘導性とするために設置している。また、コンデンサＣ１は、送電コイルユニット１１に設けられる送電コイルＬ１１（詳細は後述）との間で共振回路を形成するためのコンデンサの、一部の役割を果たしている。送電コイル１１に設けられるコンデンサＣ２及び送電コイルＬ１１と、リアクタンス回路３２に設けられるコンデンサＣ１により、「送電側共振回路」が構成される。
【００１４】
また、電力変換ユニット１３の上流側には、図示省略の商用電源（例えば、１００Ｖ、５０Ｈｚ）の交流を直流に変換するコンバータ、平滑コンデンサが設けられている。なお以下では、コンデンサＣ１は、その静電容量も同様の記号Ｃ１で示し、インダクタＬ１は、そのインダクタンスも同様の記号Ｌ１で示すことにする。
【００１５】
インバータ装置３１は、複数の半導体スイッチのオン、オフを切り替えることにより、所望周波数の交流電力を生成し、この交流電力を２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂを経由して送電コイルユニット１１に出力する。
【００１６】
送電コイルユニット１１は、送電コイルＬ１１とコンデンサＣ２（送電側コンデンサ）との直列接続回路を備えている。なお、コンデンサＣ２は、その静電容量も同様の記号Ｃ２で示すことにする。そして、リアクタンス回路３２に設けられるコンデンサＣ１と、送電コイルユニット１１に設けられるコンデンサＣ２の合成の静電容量は、送電コイルＬ１１を含む送電側共振回路と受電コイルＬ３１を含む受電側共振回路との間で共振させるために必要な共振コンデンサの容量（これをＣ０とする）と等しくなるように設定されている。つまり、下記（１）式の関係が成立している。
１／Ｃ０＝（１／Ｃ１）＋（１／Ｃ２）      …（１）
【００１７】
図３は、本実施形態に係る非接触給電装置１０１の回路図、図４は、本実施形態の比較例に係る非接触給電装置２０１の回路図である。以下、本実施形態に係る非接触給電装置１０１の作用を、比較例と対比して説明する。
【００１８】
図４に示すように、比較例に係る非接触給電装置２０１では、電力変換ユニット１１３に設けられるリアクタンス回路１３２がインダクタＬ１のみとされ、且つ、送電コイルユニット１１１には、送電コイルＬ１１と共振コンデンサとしてのコンデンサＣ０が設けられている。なお、共振コンデンサＣ０は、その静電容量も同一の記号Ｃ０で示すことにする。
【００１９】
上述したように、インダクタＬ１を設けることにより、インバータ装置３１の後段側のインピーダンスを誘導性にしている。インダクタＬ１を設けることにより電力変換ユニット１１３の後段側のインピーダンスが大きくなるので、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧が高まる。従って、電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間の耐圧を大きくする必要があり、装置規模が増大し、更には、ノイズが発生する等の問題が生じる。
【００２０】
これに対して、図３に示すように、本実施形態に係る非接触給電装置１０１では、リアクタンス回路３２にインダクタＬ１とコンデンサＣ１（電力出力側コンデンサ）を設けており、これらは直列接続されている。そして、インバータ装置３１より出力される交流電力の周波数をｆ１とした場合、以下の（２）式が成立するように、インダクタンスＬ１及び静電容量Ｃ１を設定している。
【数１】
2016121030.tif 000003
【００２１】
つまり、インダクタンスＬ１と静電容量Ｃ１による共振周波数が周波数ｆ１になるように設定する。そして、静電容量Ｃ１を、上述した（２）式に基づいて設定することにより、電力変換ユニット１３の後段側のインピーダンスを小さくすることができる。よって、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧を低減することができる。
【００２２】
また、上述したように、コンデンサＣ１（電力出力側コンデンサ）は、送電コイルユニット１１に設けられるコンデンサＣ２（送電側コンデンサ）との間に、上記（１）式の関係を有している。即ち、送電側コンデンサＣ２と電力出力側コンデンサＣ１との合成の静電容量が、送電側共振回路として送電コイルＬ１１に対して設置するべき共振コンデンサＣ０の静電容量と一致するように設定されている。従って、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２により、送電コイルＬ１１を共振させることができるので、インバータ装置３１で発生した電力を安定的に、受電装置１０２（図１参照）へ非接触で送電することができる。
【００２３】
図５は、図３に示した本実施形態に係る非接触給電装置１０１に設けられる２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧のシミュレーション結果を示す波形図、図６は、図４に示した比較例に係る非接触給電装置２０１に設けられる２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧のシミュレーション結果を示す波形図である。そして、図５、図６を対比して理解されるように、本実施形態のように、共振コンデンサＣ０を２つのコンデンサＣ１、Ｃ２に分割し、このうちコンデンサＣ１（電力出力側コンデンサ）を電力変換ユニット１３内に設置することにより、コンデンサＣ０を分割しない場合と対比して、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧のピークがほぼ半分に低減していることが判る。即ち、図５に示す曲線ｑ１のピーク値は、図６に示す曲線ｑ２に示すピーク値のほぼ半分程度となっている。
【００２４】
このようにして、本実施形態に係る非接触給電装置１０１では、リアクタンス回路３２内にコンデンサＣ１を設置し、該コンデンサＣ１の静電容量と、インダクタＬ１のインダクタンスにより、上述した（２）式が成立するようにしている。その結果、電力変換ユニット１３と送電コイルユニット１１との間を接続するための２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧を低減することができる。このため、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間の耐圧性能を高める必要が無い。その結果、装置の大規模化を抑えることができ、コストの低下を図ることが可能となる。
【００２５】
［第１実施形態の変形例の説明］
次に、第１実施形態の変形例について説明する。図７は、変形例に係る非接触給電装置１０１ａの構成を示す回路図である。該変形例では、電力変換ユニット１３ａに設けられるリアクタンス回路３２ａ内に、２つのコンデンサＣ１１、Ｃ１２が設けられている点で図３に示した非接触給電装置１０１と相違している。そして、各コンデンサＣ１１、Ｃ１２の合成の静電容量が、図３に示したコンデンサＣ１の静電容量と等しくなるように設定されている。２つのコンデンサＣ１１、Ｃ１２の並列接続により「電力出力側コンデンサ」が構成される。
【００２６】
このような構成においても、前述した第１実施形態と同様に、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧を低減できるので、耐圧性能を高める必要が無い。このため、装置の大規模化を抑えることができ、コストの低減を図ることが可能となる。また、小容量のコンデンサを２個（複数個）で構成できるので、コンデンサを分散して配置することができる。
【００２７】
［第２実施形態の説明］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態に係る非接触給電装置は、前述した第１実施形態に示した非接触給電装置１０１と対比して、図３に示した送電コイルユニット１１に設けるコンデンサＣ２を２分割にした点、及びリアクタンス回路３２に設けたインダクタＬ１、及びコンデンサＣ１をそれぞれ２分割にした点で相違する。
【００２８】
図８に示すように、第２実施形態に係る非接触給電装置１０１ｂは、リアクタンス回路３２ｂに、インダクタＬ２１とコンデンサＣ１３との直列接続回路、及びインダクタＬ２２とコンデンサＣ１４の直列接続回路を備えている。インダクタＬ２１及びＬ２２は同一のインダクタンスを有しており、コンデンサＣ１３とＣ１４は同一の静電容量を有している。
【００２９】
送電コイルユニット１１ｂは、送電コイルＬ１１と、該送電コイルＬ１１の両端にそれぞれ接続されたコンデンサＣ２１、Ｃ２２を備えている。コンデンサＣ２１、Ｃ２２は同一の静電容量を有している。ここで、コンデンサＣ１３、Ｃ１４により「電力出力側コンデンサ」が構成され、コンデンサＣ２１、Ｃ２２により「送電側コンデンサ」が構成される。
【００３０】
即ち、電力変換ユニット１３ｂは、インバータ装置３１（電力変換回路）の２つの出力部と、２本の電線（電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ）との間にそれぞれ、インダクタＬ２１、Ｌ２２（誘導性素子）と、コンデンサＣ１３、Ｃ１４（電力出力側コンデンサ）との直列接続回路を備えている。
【００３１】
そして、２つのインダクタＬ２１とＬ２２の合成のインダクタンスが、第１実施形態で示したインダクタＬ１（図３参照）のインダクタンスと等しくなるように設定されている。また、２つのコンデンサＣ１３、Ｃ１４の合成の静電容量が、第１実施形態で示したコンデンサＣ１（図３参照）の静電容量と等しくなるように設定されている。更に、２つのコンデンサＣ２１、Ｃ２２の合成の静電容量が、第１実施形態で示したコンデンサＣ２（図３参照）の静電容量と等しくなるように設定されている。
【００３２】
従って、上述した（１）式、及び（２）式が成立することになる。このため、第１実施形態と同様に、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧を低減することができる。２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間の耐圧を大きくする必要がなく、装置の大規模化を抑えることができ、コストの低下を図ることが可能となる。
【００３３】
このようにして、第２実施形態に係る非接触給電装置１０１ｂでは、前述した第１実施形態と同様に、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂ間に生じる電圧を低減できるので、耐圧性能を高める必要がない。このため、装置の大規模化を抑えることができ、コストの低減を図ることが可能となる。更に、２本の電力供給ケーブル１２ａ、１２ｂと、グランドとの間の電圧が安定させることが可能となる。
【００３４】
以上、本発明の非接触給電装置を図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置き換えることができる。
【００３５】
例えば、上述した各実施形態では、車両に搭載するバッテリ等の負荷に非接触で電力を給電する非接触給電装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、その他の負荷に非接触で電力を給電する場合においても適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１１、１１ｂ  送電コイルユニット
１２ａ、１２ｂ  電力供給ケーブル（接続用電線）
１３、１３ａ、１３ｂ  電力変換ユニット
２１  受電コイルユニット
２２  整流器
２３  バッテリ
３１  インバータ装置
３２、３２ａ、３２ｂ  リアクタンス回路
１０１、１０１ａ、１０１ｂ  非接触給電装置
１０２  受電装置
１０３  地面
１１１  送電コイルユニット
１１３  電力変換ユニット
１３２  リアクタンス回路
２０１  非接触給電装置
Ｃ０  共振コンデンサ
Ｃ１  コンデンサ（電力出力側コンデンサ）
Ｃ２  コンデンサ（送電側コンデンサ）
Ｌ１  インダクタ
Ｌ１１  送電コイル
Ｌ３１  受電コイル
Ｖ１  電動車両
【図１】
2016121030.tif 000004
【図２】
2016121030.tif 000005
【図３】
2016121030.tif 000006
【図４】
2016121030.tif 000007
【図５】
2016121030.tif 000008
【図６】
2016121030.tif 000009
【図７】
2016121030.tif 000010
【図８】
2016121030.tif 000011
【国際調査報告】
2016121030.tif 000012
2016121030.tif 000013