(57)【要約】【課題】地上側の複数のソレノイドコイルを通じて移動体への非接触給電を行う安定した動作の非接触給電システムを提供する。【解決手段】地上側ソレノイドコイルは、間隔を空けて設置された複数のソレノイドコイル１、２、３、４から成り、複数のソレノイドコイルは直列接続され、非接触給電の漏れインダクタンスを補償するため、複数のソレノイドコイルにはコンデンサＣ11、Ｃ12、Ｃ13、Ｃ14が直列接続され、移動体ソレノイドコイル２０にはコンデンサＣ2が直列または並列に接続され、複数のソレノイドコイルに高周波交流を供給する高周波電源４０が定電流駆動される。このシステムでは、地上側ソレノイドコイルの配列の端から移動体ソレノイドコイルが外れて、地上側ソレノイドコイルと移動体ソレノイドコイルとが位置ずれしても、電源電流が過大になる事態が回避できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上側に設置された地上側ソレノイドコイルから移動体の側に設置された移動体ソレノイドコイルに非接触で給電が行われる非接触給電システムであって、
前記地上側ソレノイドコイルは、間隔を空けて設置された複数のソレノイドコイルから成り、
前記複数のソレノイドコイルは、電気的に直列接続されており、
前記地上側ソレノイドコイルから前記移動体ソレノイドコイルへの非接触給電の漏れインダクタンスを補償するため、前記複数のソレノイドコイルには補償用のコンデンサが直列に接続され、前記移動体ソレノイドコイルには補償用のコンデンサが直列または並列に接続され、
前記複数のソレノイドコイルに高周波交流を供給する高周波電源が定電流駆動される、
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、前記地上側ソレノイドコイル及び移動体ソレノイドコイルの各々は、Ｈ字形状のコアに巻回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１または２に記載の非接触給電システムであって、前記複数のソレノイドコイルに接続される前記補償用のコンデンサは、前記複数のソレノイドコイルと同数の複数の分割コンデンサから成り、前記複数のソレノイドコイルの各々と前記複数の分割コンデンサの各々とが交互に直列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１から３のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記移動体は、走行しながら前記地上側ソレノイドコイルから前記非接触給電を受け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４に記載の非接触給電システムであって、前記移動体ソレノイドコイルに前記補償用のコンデンサが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６】
請求項１から３のいずれかに記載の非接触給電システムであって、前記移動体は、停車して前記地上側ソレノイドコイルから前記非接触給電を受け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、地上側に複数のソレノイドコイルを配置し、このソレノイドコイルから移動体に搭載されたソレノイドコイルに非接触で給電する非接触給電システムに関し、システムの動作の安定化を図るものである。
【背景技術】
【０００２】
電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載されたバッテリーを非接触給電方式で充電するシステムでは、図１３に示すように、地上側に設置された送電コイル２０２と車両の床裏面に搭載された受電コイル１０２とが対向する状態で、高周波電源２０１より送電コイル２０２に高周波交流が供給され、送電コイル２０２から受電コイル１０２への非接触給電が行われる。
また、車両の走行路に複数の送電コイルを敷き詰めて、走行中の車両に非接触給電を行うシステムも考えられている。
【０００３】
本発明者等は、先に、走行中の車両への非接触給電を低コストで実現するシステムを提案している（下記特許文献１）。
このシステムでは、図１４に示すように、送電コイルを、基板に電線を巻回した複数個のソレノイドコイル１、２、３、４で構成し、この複数個のソレノイドコイルを地上側に飛び石状に配置し、これらのソレノイドコイルを１つの高周波電源で駆動している。また、複数のソレノイドコイルの地上側での間隔は、受電コイルのソレノイドコイル２０が、地上側のソレノイドコイル間の中間位置（２１の位置）にあっても、非接触給電の効率がそれ程落ちない距離に設定している。
こうした、地上側に複数のソレノイドコイルを飛び石状に配置する構成は、停車中の車両に非接触給電を行うシステムにも応用可能であり、そうすることで、車両に搭載する受電コイルの搭載位置の自由度が増し、また、送電コイルに対する受電コイルの位置ずれが許容され、車両の停車位置に関する規制が緩和される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１４７１６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明者等は、これまで、地上側に複数のソレノイドコイルを配置して移動体への非接触給電を行うシステムの動作の安定化を目指す研究に取り組んできた。
本発明は、こうした研究から生まれたものであり、地上側の複数のソレノイドコイルを通じて移動体への非接触給電を行うシステムであって、動作が安定している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】
【０００６】
本発明は、地上側に設置された地上側ソレノイドコイルから移動体の側に設置された移動体ソレノイドコイルに非接触で給電が行われる非接触給電システムであって、地上側ソレノイドコイルは、間隔を空けて設置された複数のソレノイドコイルから成り、複数のソレノイドコイルは、電気的に直列接続されており、地上側ソレノイドコイルから移動体ソレノイドコイルへの非接触給電の漏れインダクタンスを補償するため、複数のソレノイドコイルには補償用のコンデンサが直列に接続され、移動体ソレノイドコイルには補償用のコンデンサが直列または並列に接続され、複数のソレノイドコイルに高周波交流を供給する高周波電源が定電流駆動されることを特徴とする。
この非接触給電システムは、定電流駆動されているため、地上側ソレノイドコイルの配列の端から移動体ソレノイドコイルが外れ、地上側ソレノイドコイルと移動体ソレノイドコイルとが位置ずれする場合でも、電源電流が過大になる事態を回避できる。
【０００７】
また、本発明の非接触給電システムでは、地上側ソレノイドコイル及び移動体ソレノイドコイルの各々は、Ｈ字形状のコアに巻回されていることが望ましい。
Ｈ字形状コアの磁極部（Ｈ字の縦線部分）の向きを複数のソレノイドコイルの配列方向に一致させることで、地上側ソレノイドコイルと移動体ソレノイドコイルとの位置ずれによる給電効率の低下を少なくできる。
【０００８】
また、本発明の非接触給電システムでは、複数のソレノイドコイルに接続する補償用のコンデンサを、ソレノイドコイルの数と同数の複数の分割コンデンサで構成し、複数のソレノイドコイルの各々と複数の分割コンデンサの各々とを交互に直列接続することが望ましい。
１つのソレノイドコイルと１つの分割コンデンサとを組み合わせてモジュール化することで、走行路等への設置工事が容易になる。
【０００９】
また、本発明の非接触給電システムでは、移動体は、走行しながら地上側ソレノイドコイルから非接触給電を受けることができ、また、移動体は、停車して地上側ソレノイドコイルから非接触給電を受けることもできる。
【００１０】
また、本発明の非接触給電システムでは、移動体が走行しながら地上側ソレノイドコイルから非接触給電を受ける場合、移動体側の補償用のコンデンサを移動体ソレノイドコイルに直列に接続することが好ましい。
補償用のコンデンサを移動体ソレノイドコイルに直列に接続した場合は、走行中に地上側ソレノイドコイルと移動体ソレノイドコイルとのギャップが変化しても、その影響を受けにくい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明により、地上側の複数のソレノイドコイルを通じて移動体への非接触給電を行うシステムの動作を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明のＳＰ方式の非接触給電システムを模式的に示す図
【図２】本発明のＳＳ方式の非接触給電システムを模式的に示す図
【図３】図１の等価回路を示す図
【図４】図２の等価回路を示す図、
【図５】コンデンサＣ1を有するＳＳ方式の非接触給電システムを模式的に示す図
【図６】本発明の実験装置を示す図
【図７】実験のパラメータを示す図
【図８】ＳＰ方式の非接触給電システムでの負荷電力及びトランス効率を示す図
【図９】ＳＳ方式の非接触給電システムでの負荷電力及びトランス効率を示す図
【図１０】ＳＰ方式及びＳＳ方式の非接触給電システムでの電源出力力率を示す図
【図１１】Ｈ字形状のコアに巻回されたソレノイドコイルを示す図
【図１２】矩形状のコアに巻回されたソレノイドコイルを示す図
【図１３】従来の停止車両に給電する非接触給電システムを示す図
【図１４】従来の走行車両に給電する非接触給電システムを示す図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の非接触給電システムを模式的に示している。
地上側には、１つの高周波電源４０により駆動される、複数の直列接続されたソレノイドコイル１、２、３、４が間隔を空けて配置されている。高周波電源４０とソレノイドコイル１との間には分割コンデンサＣ11が接続され、ソレノイドコイル１とソレノイドコイル２との間には分割コンデンサＣ12が接続され、ソレノイドコイル２とソレノイドコイル３との間には分割コンデンサＣ13が接続され、また、ソレノイドコイル３とソレノイドコイル４との間には分割コンデンサＣ14が接続されている。各分割コンデンサＣ11、Ｃ12、Ｃ13、Ｃ14の容量は後述するように同一である。
車両側は、ソレノイドコイル２０と、ソレノイドコイル２０に並列接続された補償用のコンデンサＣ2と、ソレノイドコイル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とを備えている。
【００１４】
ソレノイドコイル１、２、３、４、２０は、図１１に示すように、Ｈ字形状のコアの平行する磁極部１２、１２の間を繋ぐ部分（Ｈ字の横棒部分）に巻回されている。Ｈ字形状コアに巻回された地上側のソレノイドコイル１、２、３、４は、磁極部１２、１２の長手方向（図１１のｘ方向）がソレノイドコイル１、２、３、４の配列方向と一致するように地上側に設置されている。また、Ｈ字形状のコアに巻回された車両側のソレノイドコイル２０は、地上側のソレノイドコイル１、２、３、４と同じ向きになるように車両側に設置されている。
また、ソレノイドコイル２０に対向するソレノイドコイル１、２、３、４の背面側、及び、ソレノイドコイル１、２、３、４に対向するソレノイドコイル２０の背面側には、漏洩磁束を遮断するためのアルミシールド板３４が設けられている。
図２は、本発明の非接触給電システムの他の例であり、車両側の補償用のコンデンサＣ2がソレノイドコイル２０に直列接続されている点だけが図１と相違している。
図３は、図１の等価回路を示し、図４は、図２の等価回路を示している。ただし、図３、図４では、地上側のソレノイドコイルをＬ11、Ｌ12、Ｌ13の３個で表し、分割コンデンサをＣ11、Ｃ12、Ｃ13の３個で表している。
【００１５】
ここで、補償用のコンデンサの容量について説明する。
なお、図３に示すように、地上側に接続する補償用コンデンサをソレノイドコイルに対して直列に接続し、車両側に接続する補償用コンデンサをソレノイドコイルに対して並列に接続するコンデンサ方式を「ＳＰ方式」と言い、図４に示すように、地上側に接続する補償用コンデンサをソレノイドコイルに対して直列に接続し、車両側に接続する補償用コンデンサをソレノイドコイルに対して直列に接続するコンデンサ方式を「ＳＳ方式」と言う。
【００１６】
車両側に接続する補償用コンデンサＣ2の容量をＣ2とし、車両側のソレノイドコイルのインダクタンスをＬ2とするとき、Ｃ2は、ＳＰ方式でもＳＳ方式でも、補償用コンデンサとソレノイドコイルとが共振回路を構成するように、
１／Ｃ2＝ω02Ｌ2              （１）
と設定される。ω0は、高周波電源４０の駆動周波数ｆ0に対して、ω0＝２πｆ0の関係にある。
【００１７】
一方、地上側に接続する分割コンデンサＣ11、Ｃ12、Ｃ13の容量Ｃ11、Ｃ12、Ｃ13は、
Ｃ11＝Ｃ12＝Ｃ13＝３Ｃ1                  （２）
の関係にある。
式（２）のＣ1は、図５に示すように、複数の直列接続したソレノイドコイル１、２、３、・・・に１個の補償用コンデンサＣ1を直列接続したときのＣ1の容量である。換言すれば、１個の補償用コンデンサＣ1を直列接続する代わりに、ソレノイドコイルの個数と同数の分割コンデンサの各々を個々のソレノイドコイルに直列接続したときの分割コンデンサの容量がＣ11、Ｃ12、Ｃ13である。
【００１８】
ＳＰ方式では、ソレノイドコイルＬ11、Ｌ12、Ｌ13の合成インダクタンスをＬ1として、Ｃ1は、電源力率が１になるように、
１／Ｃ1＝ω02Ｌ1（１−ｋ2）              （３）
と設定される。ここで、ｋは、地上側ソレノイドコイルと車両側ソレノイドコイルとの間の結合係数である。
また、ＳＳ方式では、Ｃ1は、共振回路を構成するように、
１／Ｃ1＝ω02Ｌ1              （４）
と設定される。
【００１９】
さて、本発明の非接触給電システムでは、高周波電源を定電流で駆動することを特徴としている。
高周波電源を定電流で駆動するため、図３において、インバータ４１の出力電流を検出し、この出力電流の実効値が一定となるように、インバータ４１のスイッチングを制御する。
このように、この非接触給電システムを定電流駆動した場合は、地上側ソレノイドコイルの配列の端から車両側ソレノイドコイルが外れたりして、地上側ソレノイドコイルと車両側ソレノイドコイルとが大きく位置ずれしたときでも、電源電流が過大になる事態を避けることができ、システムの安定化を図ることができる。
こうした事実は、実験を通じて確かめられている。
【００２０】
図６は、この実験に用いた装置を示している。また、この実験のパラメータを図７に示している。図７では、地上側ソレノイドコイルを一次側コイル、車両側ソレノイドコイルを二次側コイルと表記している。
地上側ソレノイドコイルは、図１１に示すように、Ｘ方向（磁極部１２の長さ方向）の寸法が３００ｍｍ、Ｙ方向の寸法が３２０ｍｍのＨ字形状のコアに巻回されており、このソレノイドコイルの３個を間隔を空けて配置している。ソレノイドコイルの中心間の距離は６００ｍｍである。
車両側ソレノイドコイルの形状は、地上側ソレノイドコイルと同じである。車両側ソレノイドコイルは、地上側ソレノイドコイルに対し１６０ｍｍの磁気ギャップを保って移動するように設定されている。
【００２１】
図８は、コンデンサ方式をＳＰ方式に設定し、車両側ソレノイドコイルの移動に伴う負荷電力及びトランス効率の変化を、定電流駆動の下で測定し、また、比較のために定電圧駆動の下で測定し、その結果を示している。
図８において、横軸は、３個の内の中央にある地上側ソレノイドコイルの中心位置の真上を原点に設定し、その原点から車両側ソレノイドコイルの中心までの距離（ｍｍ）を表している。中央の地上側ソレノイドコイルから離れている地上側ソレノイドコイルは４５０〜７５０ｍｍの位置にあり、その中心は６００ｍｍの位置にある。
【００２２】
定電流駆動時の負荷電力は、車両側ソレノイドコイルが地上側ソレノイドコイルと正対する位置（０ｍｍ、６００ｍｍ）で極大となり、車両側ソレノイドコイルが６００ｍｍを超えて移動すると、負荷電力は徐々に低下する。
一方、定電圧駆動時の負荷電力は、逆に、車両側ソレノイドコイルが地上側ソレノイドコイルと正対する位置（０ｍｍ、６００ｍｍ）で極小となる。そのため、車両側ソレノイドコイルが６００ｍｍを超えて移動すると、負荷電力は徐々に上昇する。この実験では、車両側ソレノイドコイルの移動が８００ｍｍに達すると、負荷電力が過大になり、電源出力の制約を受けるため、それ以上の移動を中止している。
トランス効率は、定電流駆動時と定電圧駆動時とで差は無い。定電圧駆動での測定を行った横軸０〜８００ｍｍの範囲では、両者の効率を示す特性曲線は殆ど重なっている。
【００２３】
また、図９は、コンデンサ方式をＳＳ方式に設定して同様の測定を行った結果を示している。この場合は、定電圧駆動時の測定を横軸０〜７００ｍｍの範囲内で行っている。
図９から明らかなように、ＳＳ方式においても、ＳＰ方式の場合と同様であり、定電流駆動時の負荷電力は、車両側ソレノイドコイルが地上側ソレノイドコイルと正対する位置（０ｍｍ、６００ｍｍ）で極大となり、車両側ソレノイドコイルが６００ｍｍを超えて移動すると、負荷電力は徐々に低下する。
一方、定電圧駆動時の負荷電力は、逆に、車両側ソレノイドコイルが地上側ソレノイドコイルと正対する位置（０ｍｍ、６００ｍｍ）で極小となり、車両側ソレノイドコイルが６００ｍｍを超えて移動すると、負荷電力が上昇する。
トランス効率は、定電流駆動時と定電圧駆動時とで差が無い。
【００２４】
図１０は、定電流駆動時に、車両側ソレノイドコイルの移動に伴う電源出力の力率の変化が、コンデンサ方式の違いによりどのように変わるかを示している。
ＳＰ方式及びＳＳ方式のいずれにおいても、車両側ソレノイドコイルが地上側ソレノイドコイルと正対する位置では高力率を示している。車両側ソレノイドコイルが地上側ソレノイドコイルの間にある位置では、力率は低下しているが、その変動幅は小さい。
【００２５】
これらの測定結果から、この非接触給電システムを定電流駆動することにより、システムの安定化が可能になることが分かる。
また、定電流駆動を行う場合のコンデンサ方式は、ＳＰ方式でもＳＳ方式でも良好な特性が得られる。
ただ、この非接触給電システムを走行中の車両の給電用に使用する場合は、磁気ギャップが走行中に変化するため、式（３）に示すように共振条件がｋに依存するＳＰ方式よりも、ＳＳ方式の方が安定した動作が可能になる。
【００２６】
なお、ここでは、ソレノイドコイルを巻回するコアとしてＨ字形状のコアを使用したが、図１２に示すように、矩形状のコア１０の周りにソレノイドコイル１１を巻回しても良い。ただ、Ｈ字形状のコアの方が、小型軽量化を図ることができ、また、ソレノイドコイルの規模が同程度の場合、Ｈ字形状コアの方が磁極部の長さを矩形状コアよりも長く取れるため、ソレノイドコイルを複数配置する構成では、ソレノイドコイル間の間隔を実質的に短くすることができ、有利である。
また、地上側ソレノイドコイルに直列接続する補償用コンデンサは、図５に示すように、１個でも良いが、図１に示すように、分割コンデンサとした場合は、１つのソレノイドコイルと１つの分割コンデンサとを組み合わせてモジュール化することで、走行路等への設置工事が容易になる。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明の非接触給電システムは、システムの動作が安定しており、電気自動車やプラグインハイブリッド車の走行中給電、或いは、停車して給電する電気自動車、プラグインハイブリッド車、無人搬送車等、各種移動体への非接触給電に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００２８】
１      地上側ソレノイドコイル
２      地上側ソレノイドコイル
３      地上側ソレノイドコイル
４      地上側ソレノイドコイル
１０    矩形状コア
１１    ソレノイドコイル
１２    磁極部
２０    車両側ソレノイドコイル
４０    高周波電源
４１    インバータ
５１    整流回路
５２    充電回路
５３    蓄電素子
１０２  受電コイル
２０１  高周波電源
２０２  送電コイル
Ｃ1      地上側コンデンサ
Ｃ2      車両側コンデンサ
Ｃ11    分割コンデンサ
Ｃ12    分割コンデンサ
Ｃ13    分割コンデンサ
Ｃ14    分割コンデンサ
Ｌ11    地上側ソレノイドコイル
Ｌ12    地上側ソレノイドコイル
Ｌ13    地上側ソレノイドコイル
【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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