(57)【要約】【課題】複数個の送電コイルの一部の送電コイルから受電コイルに給電する非接触給電装置であって、給電に関与しない送電コイルでの電力消費や漏洩磁束の発生を簡単な構成で抑制できる非接触給電装置を提供する。【解決手段】高周波電源８０は、送電コイル７１、７２に正弦波形又は疑似正弦波形の高周波電力を供給し、送電コイル７１、７２の各々は、送電コイルに並列接続された並列コンデンサ７１１、７１２を有し、並列コンデンサ７１１、７１２の値は、並列接続された送電コイル７１、７２の自己インダクタンスと高周波電源８０の電源周波数で共振するように設定されている。送電コイル７１に受電コイル８１が対向していないとき（即ち、無負荷時）のインピーダンスが最大となり、送電コイル７１に流れる電流が最少になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
並列接続された複数個の送電コイルに共通の高周波電源から高周波電力が供給され、受電コイルが前記複数個の内の一部の送電コイルに対向又は磁気的に結合したとき、その他の前記送電コイルと前記高周波電源との間の電気接続を遮断すること無く、前記一部の送電コイルから前記受電コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、
前記高周波電源は、前記送電コイルに正弦波形又は疑似正弦波形の高周波電力を供給し、
前記送電コイルの各々は、該送電コイルに並列接続された並列コンデンサを有し、
該並列コンデンサの値が、並列接続された前記送電コイルの自己インダクタンスと前記高周波電源の電源周波数で共振するか、又は、前記高周波電源の出力の力率が１にな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】
請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記受電コイルは、該受電コイルに直列接続された直列コンデンサを有し、前記直列コンデンサの値が、前記受電コイルの自己インダクタンスと前記高周波電源の電源周波数で共振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３】
請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルの個数は２個以上であり、前記受電コイルの個数は、前記送電コイルの個数よりも少ないことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記送電コイルの巻数Ｎ１が前記受電コイルの巻数Ｎ２より多いことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記高周波電源は、直流電圧を交流電圧に変換する複数の単相インバータと、前記複数の単相インバータから出力される交流電圧を直列に組み合わせて疑似正弦波電圧を得る絶縁トランスとから成り、リアクトルを介して前記送電コイルの各々と接続されることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記高周波電源は、ＰＷＭ制御により疑似正弦波電圧を生成するフルブリッジインバータから成り、リアクトルを介して前記送電コイルの各々と接続されることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項1に記載の非接触給電装置であって、前記高周波電源は、ＰＷＭ制御により正弦波に近い電流を出力する電流形インバータから成り、リアクトルを介して前記送電コイルの各々と接続され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に記載の非接触給電装置であって、前記複数個の送電コイルが走行可能な移動体の走行路に沿って離間して設置され、前記受電コイルが前記移動体の床の裏面に設置され、走行中の前記移動体の受電コイルと対向又は磁気的に結合した前記送電コイルから前記受電コイルに非接触給電が行われることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項９】
請求項１から７に記載の非接触給電装置であって、前記複数個の送電コイルが走行可能な移動体の駐車場に離間して設置され、前記受電コイルが前記移動体の床の裏面に設置され、駐車した前記移動体の受電コイルと対向又は磁気的に結合した前記送電コイルから前記受電コイルに非接触給電が行われることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１０】
請求項１から７に記載の非接触給電装置であって、前記複数個の送電コイル及び受電コイルが、直流を配電する直流配電システムの非接触コンセントに使用されることを特徴とする非接触給電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数個の送電コイルを備え、受電コイルが、その内の一部の送電コイルから給電を受ける非接触給電装置であって、給電に関与しない送電コイルでの電力消費や漏洩磁束の発生を抑制するものである。
【背景技術】
【０００２】
本発明者等は、先に、道路を走行中の車両に対して非接触給電を行う走行中非接触給電システムを提案している（下記特許文献１）。図８は、その内の一つの非接触給電装置の実施形態を示している。
この非接触給電装置は、地上の走行路に離間して設置された複数の一次側給電トランス（送電コイル）１、２、３、４と、送電コイル１、２、３、４に高周波電圧を印加する高周波電源４０と、車両に搭載される二次側給電トランス（受電コイル）２０とを有し、送電コイル１、２、３、４は並列接続され、送電コイル１、２、３、４と高周波電源４０と間には直列コンデンサＣ１が接続され、受電コイル２０と整流回路５１との間には直列コンデンサＣ２が接続されている。
【０００３】
コンデンサＣ１、Ｃ２は、非接触給電の効率を高めるために挿入されている。図８のように、非接触給電装置の送電コイルの側に直列コンデンサＣ１を接続し、受電コイルの側に直列コンデンサＣ２を接続する方式は“ＳＳ方式”と呼ばれている。
コンデンサＣ１の値は、高周波電源４０の電源周波数をω、各送電コイル１、２、３、４の自己インダクタンスをＬ１とするとき、コンデンサＣ１と送電コイルとが直列共振回路を構成するように
Ｃ１＝１／（ω2Ｌ１）                        （数１）
と設定され、また、コンデンサＣ２の値は、受電コイル２０の自己インダクタンスをＬ２とするとき、コンデンサＣ２と受電コイル２０とが直列共振回路を構成するように
Ｃ２＝１／（ω2Ｌ２）                        （数２）
と設定される。
【０００４】
この非接触給電装置では、車両が走行し、車両の床の裏面に設置された受電コイル２０が送電コイル１、２、３、４のいずれかと磁気的に結合すると、その送電コイル（図８の場合は送電コイル２）から受電コイル２０への非接触給電が行われる。また、受電コイル２０が送電コイル２及び送電コイル３の中間に移動すると、送電コイル２及び送電コイル３から発生する磁束で非接触給電が引き続いて行われる。そのため、走行する車両に対して非接触給電が途切れずに行われる。
【０００５】
ただ、ＳＳ方式では、受電コイル２０への給電に関与していない送電コイル、即ち、無負荷時の送電コイル（図８の場合は送電コイル１、３、４）にも受電コイル２０への給電に関与している送電コイル（図８の場合は送電コイル２）と同等の電流が流れ、漏洩磁束が発生すると言う欠点がある。
【０００６】
下記非特許文献１には、こうしたＳＳ方式の欠点の改良を図る走行中非接触給電システムが提案されている。
このシステムの非接触給電装置では、図９に示すように、走行路に沿って送電コイルと磁気センサ６１とを交互に配置し、車両側の永久磁石６２の磁気を検知した磁気センサ６１の前後の送電コイルだけが起動されるように構成している。
また、ＳＳ方式の送電コイルの前段にＬＣＬ共振器６３を接続している。
図１０は、ＬＣＬ共振器６３が接続された送電コイルと受電コイルの等価回路を示している。直列コンデンサＣ１２が接続するＳＳ方式の送電コイルＬ１２に、インダクタＬ１１と並列コンデンサＣ１１とが接続されている。なお、図１０において、Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ２は、それぞれインダクタＬ１１、送電コイルＬ１２、受電コイルＬ２の内部抵抗を示している。
【０００７】
この回路は、共振周波数をω０として、次式の関係を満たすようにパラメータが設定される。
ω0Ｌ11＝１／（ω0Ｃ11）＝ω0Ｌ12−１／（ω0Ｃ12）        （数３）
ω0Ｌ2＝１／（ω0Ｃ2）                                      （数４）
この回路の一次側の等価インピーダンスＲｉｎは、次式（数５）で表される。
【数５】
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送電コイルＬ１２に受電コイルＬ２が対向していない無負荷時には、ＲＬが∞、Ｒ１２が略０なので、Ｒｉｎ＝∞、ｉ１１＝０となる。また、送電コイルＬ１２に受電コイルＬ２が対向したときには、ＲＬ、Ｒｉｎが小さくなり、ｉ１１が大きくなる。
なお、この非接触給電装置では、磁気センサ６１の検知に基づいて送電コイルを起動したとき、図１１に示すように、一次側電圧ν１、一次側電流ｉ１１、二次側電流ｉ１２にかなりのオーバーシュートが見られ、それが減衰するまでに８００μｓ掛かることが報告されている。これは共振器に減衰特性が無いためだと説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１４−１４７１６０号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Kai Song, Chunbo Zhu, Kim Ean Koh, Takehiro Imura & Yoichi Hori "Wireless Power Transfer for Running EV Powering Using Multi-Parallel Segmented Rails” { HYPERLINK "http://ieeexplore.ieee.org/xpl/mostRecentIssue.jsp?punumber=7127333" ,Emerging Technologies: Wireless Power (WoW), 2015 IEEE PELS Workshop}
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、非特許文献１に記載された非接触給電装置は、車両の検知手段や、その検知結果に基づき送電コイルを起動する手段等を有しているため、構造が複雑であり、その設置に手間が掛かる。また、送電コイル起動時に現れるオーバーシュートは、不要漏洩磁束の発生原因となるため、好ましいものではない。
複数個の送電コイルの一部を使って受電コイルに給電する形態は、車両の走行中給電に限らず、多くの分野で採用が可能であり、今後、この種の非接触給電装置は各方面で普及することが予想される。
この非接触給電装置の利用拡大を図る上からも、構成を簡単にし、管理を容易にし、また、漏洩磁束を極力抑える等、環境に配慮した対策を講じることが求められる。
【００１１】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、複数個の送電コイルの一部の送電コイルから受電コイルに非接触給電する際に、給電に関与しない送電コイルでの電力消費や漏洩磁束の発生を簡単な構成で抑制できる非接触給電装置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】
【００１２】
本発明は、並列接続された複数個の送電コイルに共通の高周波電源から高周波電力が供給され、受電コイルが複数個の内の一部の送電コイルに対向又は磁気的に結合したとき、その他の送電コイルと高周波電源との間の電気接続を遮断すること無く、一部の送電コイルから受電コイルへの非接触給電が行われる非接触給電装置であって、高周波電源は、送電コイルに正弦波形又は疑似正弦波形の高周波電力を供給し、送電コイルの各々は、送電コイルに並列接続された並列コンデンサを有し、並列コンデンサの値が、並列接続された送電コイルの自己インダクタンスと高周波電源の電源周波数で共振するように設定されていることを特徴とする。
この非接触給電装置では、送電コイルと並列コンデンサとが並列共振回路を構成しているため、送電コイルに受電コイルが対向していないとき（即ち、無負荷時）のインピーダンスが最大となり、送電コイルに流れる電流が最少になる。
【００１３】
また、本発明の非接触給電装置では、受電コイルは、受電コイルに直列接続された直列コンデンサを有し、直列コンデンサの値は、受電コイルと直列コンデンサが直列共振するように設定されている。
【００１４】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルの個数は２個以上であり、受電コイルの個数は、送電コイルの個数よりも少ない数とする。
受電コイルの個数は複数でもよいが、送電コイルの個数は受電コイルを上回る。
【００１５】
また、本発明の非接触給電装置では、送電コイルの巻数Ｎ１が受電コイルの巻数Ｎ２より多いことが望ましい。
送電コイルと受電コイルとの巻数比Ｎ１／Ｎ２が大きい程、送電コイルに流れる電流Ｉ１に対する受電コイルに流れる電流Ｉ２の比が大きくなり、受電コイルへの給電量が増加する。
【００１６】
また、本発明の非接触給電装置では、高周波電源は、直流電圧を交流電圧に変換する複数の単相インバータと、この複数の単相インバータから出力される交流電圧を直列に組み合わせて疑似正弦波電圧を得る絶縁トランスとで構成し、リアクトルを介して送電コイルの各々と接続することが望ましい。
この高周波電源により、多くの次数の高調波を除去した疑似正弦波を生成することができる。リアクトルは、高調波をさらに抑制するために挿入される。
【００１７】
また、本発明の非接触給電装置では、高周波電源を、ＰＷＭ制御により疑似正弦波電圧を生成するフルブリッジインバータや、ＰＷＭ制御により正弦波に近い電流を出力する電流形インバータで構成し、それらをリアクトルを介して送電コイルの各々と接続するようにしても良い。
【００１８】
また、本発明の非接触給電装置は、複数個の送電コイルが走行可能な移動体の走行路に沿って離間して設置され、受電コイルが移動体の床の裏面に設置され、走行中の移動体の受電コイルと対向又は磁気的に結合した送電コイルから受電コイルに非接触給電が行われる走行中非接触給電システムに用いることができる。
【００１９】
また、本発明の非接触給電装置は、複数個の送電コイルが走行可能な移動体の駐車場に離間して設置され、受電コイルが移動体の床の裏面に設置され、駐車した移動体の受電コイルと対向又は磁気的に結合した送電コイルから受電コイルに非接触給電が行われる駐車システムに用いることができる。
【００２０】
また、本発明の非接触給電装置の送電コイル及び受電コイルは、家庭や事務所等に直流を配電する直流配電システムの非接触コンセントとして用いることもできる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の非接触給電装置では、受電コイルに対向する送電コイルを検出したり、起動する送電コイルを選択したりしなくても、受電コイルと、それに対向又は磁気的に結合した送電コイルとの間で効率的な非接触給電が行われ、その給電に関わらない送電コイルへの電流供給は自動的に制限される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係る非接触給電装置を示す図
【図２】図１の高周波電源を示す図
【図３】図２の高周波電源による疑似正弦波の発生原理を説明する図、
【図４】シミュレーション回路における電圧・電流の測定位置を示す図
【図５】送電コイル２個、受電コイル１個の回路における各測定位置での電圧・電流波形を示す図
【図６】リアクトルを除いた状態での各測定位置の電圧・電流波形を示す図
【図７】送電コイル３個、受電コイル２個の回路における各測定位置での電圧・電流波形を示す図
【図８】従来の走行中非接触給電システムを示す図
【図９】非特許文献１に記載された走行中非接触給電システムを示す図
【図１０】図９のシステムにおける等価回路
【図１１】非特許文献１に記載された送電コイル起動時のオーバーシュートを示す図
【発明を実施するための形態】
【００２３】
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、並列に接続された複数（図１では２個）の送電コイル７１、７２と、各送電コイル７１、７２に並列接続された並列コンデンサ７１１、７１２と、送電コイル７１、７２に対して疑似正弦波形の高周波電圧を印加する高周波電源８０と、高周波電源８０から発生する高調波の抑制用に挿入されたリアクトル７３と、一部の送電コイル７２に対向又は磁気的に結合して給電を受ける受電コイル８１と、受電コイル８１に直列接続された直列コンデンサ８１１と、受電コイル８１に接続された負荷８１２とを有している。
【００２４】
高周波電源８０は、直流電圧を交流電圧に変換する複数の単相インバータ８０１、８０２と、単相インバータ８０１、８０２の交流出力を組み合わせて疑似正弦波電圧を得る絶縁トランス８０３とを有し、絶縁トランス８０３は、単相インバータ８０１の交流出力が供給される一次コイル８０３１と、単相インバータ８０２の交流出力が供給される一次コイル８０３２と、一次コイル８０３１及び一次コイル８０３２と磁気的に結合する二次コイル８０３３とから成る。
【００２５】
並列コンデンサ７１１は、高周波電源８０の電源周波数で送電コイル７１と並列共振回路を構成するように、その値が設定され、並列コンデンサ７１２は、電源周波数で送電コイル７２と並列共振回路を構成するように、その値が設定される。
高周波電源８０の電源周波数をω、送電コイル７１及び送電コイル７２の各々の自己インダクタンスをＬ１、並列コンデンサ７１１及び並列コンデンサ７１２の値をＣ１とした場合、並列コンデンサ７１１及び並列コンデンサ７１２の値は、送電コイル７２に受電コイル８１が対向した状態で高周波電源８０の出力力率が１になるように（従って、一次側回路に印加される電圧と、流れる電流が同相になるように）設定するか、又は、
Ｃ１＝１／（ω2Ｌ１）                              （数６）
となるように設定する。
【００２６】
また、受電コイル８１に接続する直列コンデンサ８１１の値は、受電コイル８１の自己インダクタンスをＬ２、直列コンデンサ８１１の値をＣ２とした場合、
Ｃ２＝１／（ω2Ｌ２）                              （数７）
となるように設定する。
送電コイル７２に接続する並列コンデンサ７１２の値、及び受電コイル８１に接続する直列コンデンサ８１１の値をこのように設定したＰＳ共振方式の非接触給電装置は、その等価回路が理想トランスと等価になり、一次側の入力電圧をＶ１、入力電流をＩ１、二次側の負荷に出力される出力電圧をＶ２、出力電流をＩ２、送電コイルの巻き数Ｎ１と受電コイルの巻き数Ｎ２との比をａ（＝Ｎ１／Ｎ２）とするとき、
Ｖ１＝ａ×Ｖ２                                      （数８）
Ｉ１＝（１／ａ）×Ｉ２                              （数９）
の関係が成立し、効率的な非接触給電が可能になる。また、ａ（＝Ｎ１／Ｎ２）を大きくすることにより、出力電流Ｉ２を増やすことができる。
【００２７】
一方、受電コイル８１に対向していない送電コイル７１では、送電コイル７１と並列コンデンサ７１１とが並列共振回路を構成しているため、無負荷時のインピーダンスが共振周波数で最大となり、送電コイル７１に流れる電流が最少になる。
そのため、送電コイル７１での電力消費量は僅かとなり、送電コイル７１からの不要漏洩磁束の発生も抑えられる。
【００２８】
ＰＳ共振方式の非接触給電装置では、特許４６４４８２７号公報に記載されているように、高周波電源８０として、出力波形が正弦波形である電源を使用する必要がある。
ここでは、図２に示すように、二つの単相フルブリッジインバータ８０１、８０２の出力を絶縁トランス８０３で直列に多重して疑似正弦波形の出力を得ている。
図３に示すように、単相フルブリッジインバータ８０１を制御して図３（ａ）に示すパルス電圧を出力させ、単相フルブリッジインバータ８０２を制御して、図３（ａ）との位相差を３６°に設定した図３（ｂ）に示すパルス電圧を出力させる。これらを絶縁トランス８０３で直列に接続すると、図３（ｃ）に示す疑似正弦波が得られる。図３（ｄ）は、絶縁トランス８０３に負荷を接続したときの出力電流波形を示している。
【００２９】
二つの各インバータの位相シフト量を６０°としてパルス幅制御した場合、出力電圧の３倍高調波が除去され、更に、二つのインバータ間の位相差を３６°に設定して動作させた場合、出力電圧の５倍高調波が除去される。二つのインバータの位相シフト量及び二つのインバータ間の位相差を変えることで、打ち消す高調波を変更することができる。また、多重するインバータの台数を増して、出力電圧のレベル数を増やせば、より多くの次数の高調波を除去することが可能になる（「パワーエレクトロニクス  ハンドブック」オーム社、平成２２年７月２０日発行）。
また、絶縁トランス８０３を備える高周波電源８０は、送電コイル７１、７２の地絡事故が発生しても安全である。
【００３０】
次に、この非接触給電装置の特性をシミュレーションした結果について説明する。このシミュレーションでは、電源として、複数の単相インバータの出力を直列に多重して３次及び５次高調波を除去した高周波電源（３次・５次除去直列単相多重インバータ）を使用した。
その等価回路を図４に示している。また、図４には、電圧及び電流の値を測定した回路位置を示している。電圧の測定位置は四角で囲んだ英字で示し、電流の測定位置は丸で囲んだ英字で示している。
【００３１】
図５は、送電コイル数が２個、受電コイル数が１個の非接触給電装置の特性を示している。図５（ａ）はＡ位置及びＢ位置での電圧波形を示している。図５（ｂ）はＣ位置での電流波形を示している。図５（ｃ）はＨ位置での電圧波形を示している。図５（ｄ）はＦ位置及びＤ位置での電流波形を示している。そして、図５（ｅ）はＥ位置及びＧ位置での電流波形を示している。図の横軸は時間を表している。
図６は、図１の回路からリアクトル７３を除き、その他は図５の場合と同じ条件で各位置での電圧又は電流を測定した結果を示している。
また、図７は、送電コイル数を３個、受電コイル数を２個に増やした場合の特性を示している。図７（ａ）はＡ位置及びＢ位置での電圧波形を示している。図７（ｂ）はＣ位置での電流波形を示している。図７（ｃ）は、２つの受電コイルのＨ位置での電圧波形を示している。図７（ｄ）は、２つの受電コイルに対向する二つの送電コイルのＦ位置と、受電コイルに対向していない送電コイルのＤ位置での電流波形を示している。そして、図７（ｅ）は受電コイルに対向していない送電コイルのＥ位置と、受電コイルに対向した二つの送電コイルのＧ位置での電流波形を示している。
【００３２】
図５（ｄ）から、この非接触給電装置では、受電コイルに対向していない送電コイルには殆ど電流が行かず、受電コイルに対向する送電コイルにだけ電流が供給されることが分かる。
また、図６（ｂ）（ｄ）から、リアクトル７３を除いた場合は、高調波電流が送電コイルに流れることが分かる。
また、図７（ｄ）から、送電コイルの数が増えても、受電コイルに対向していない送電コイルには殆ど電流が行かず、受電コイルに対向する送電コイルにだけ電流が供給されることが分かる。
また、図５（ｂ）と図７（ｂ）の比較から、受電コイルの個数が２個に増えると、高周波電源の供給電流が２倍に増えることが分かる。そのため、複数の負荷の動作が可能であることが分かる。
このように、この非接触給電装置では、受電コイルと対向（又は磁気的に結合）する送電コイルにのみ高周波電源から電力を供給することができる。
【００３３】
なお、ここでは、正弦波を発生する高周波電源として、複数の単相インバータを多重化して用いる例を示したが、その他の高周波電源を用いても良い。例えば、ＰＷＭ制御により疑似正弦波電圧を生成するフルブリッジインバータや、ＰＷＭ制御により正弦波に近い電流を出力する電流形インバータ等を用いても良い。
【００３４】
また、送電コイルの巻数Ｎ１を受電コイルの巻数Ｎ２より多くすることで、受電コイルへの給電量を増やすことができる。これは（数９）から明らかである。
【００３５】
本発明の非接触給電装置は、複数個の送電コイルを移動体の走行路に設置して、走行中の移動体に給電する走行中非接触給電システムに用いることができる。
また、複数個の送電コイルを駐車場に配置して駐車中の移動体に給電する駐車システムにも用いることができる。
また、家庭や事務所等に直流を配電する直流配電システムの非接触コンセントとして用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明の非接触給電装置は、構造が簡単で、省電力化や不要な電磁界放射の抑制を図ることができ、走行中給電システムや駐車中給電システム、直流配電システムなど各種分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００３７】
６１      磁気センサ
６２      永久磁石
６３      ＬＣＬ共振器
７１      送電コイル
７２      送電コイル
７３      リアクトル
８０      高周波電源
８１      受電コイル
７１１    並列コンデンサ
７１２    並列コンデンサ
８０１    単相インバータ
８０２    単相インバータ
８０３    絶縁トランス
８１１    直列コンデンサ
８１２    負荷
８０３１  一次コイル
８０３２  一次コイル
８０３３  二次コイル
【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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