4-186

平成 29 年電気学会全国大会

可変インピーダンスを考慮した回路方式の検討と特性評価
山田潤＊，金子裕良（埼玉大学）

Study about Circuit Topologies and Characterization with Variable Impedance
Jun Yamada＊, Yasuyoshi Kaneko (Saitama University)

１．はじめに現在，PHEV や EV への給電は電気ケーブルを用いるコンダクティブ方式が主流だが，利便性・保守性などの観点から非接触給電方式が注目されており，研究開発が盛んにおこなわれている。EV はバッテリー容量の制約により連続航続(a) Repeater Coil topology.

距離に大きく影響され，既存のガソリン車等と比較し短い

図 1 回路方式
Fig.1. Circuit topologiesという欠点があるが，非接触給電により駐車中だけではな
く走行中も給電が可能であり，連続航続距離を拡大することができると考えられる。駐車中給電で検討されている共表１

振コンデンサを一次二次直列または一次直列二次並列に配置した SS，SP 方式は、走行中の位置ずれや無負荷状態では(b) PS Capacitor topology.

Table 1.

インピーダンスが低下し、過大な電流が流れてしまう課題

Capacitor values and characteristics of circuit topologies.
TypeRepeater Coiltopology

PS Capacitortopology

Capacitor

 1
 k L1 1  1r k12 

Ckr2


 1
 1
 Lr

 Cr
 1
 k

 L2 1  r 2 k12  k1r
C2

 1
C  L1
 1

 1  L 1  k 2 2
C2


k1r
VIN kr 2
 I  kr 2
 IN k1r

1 L1VOUT
VIN k L2
 I  k L2 I
OUT IN
L1がある(1)。解決手段として，中継コイル方式が提案されている(2)。中継コイルを用いることで位置ずれ時や無負荷状態においてインピーダンスが増加し，過大な電流が流れることを抑えることができる。別の回路方式として，一次並列二次直列にコンデンサを配置した PS 方式(3)が提案されており，中継コイル方式と同様に位置ずれ等でインピーダンスを増加させることができる。本稿では，理想変圧器特性が得られI/O
characteristics

る中継コイル方式の設計方法を提案し，これと PS 方式を理論的な観点から比較し，特性評価を行った。

コンデンサ値と回路方式の特性

２．中継コイル方式と PS 方式

L1
VOUT
L2L2
I OUT
L12ImpedanceZIN

本稿で検討した中継コイルを用いた中継コイル方式と，一次並列二次直列にコンデンサを設置した PS 方式の回路を図 1 に，コンデンサ値と回路方式の特性を表１に示す。

 k1r  L1
 RL k r 2  L2
2〈2.1〉中継コイル方式

RLmax

M r 2r1  M r 2  r2
 rr  M 1r  r1

ηmax2rr
1
M r 2r1  M r 2  r2
 rr  M 1r  rr

図 1(a)に示す通り，一次，中継部，二次にそれぞれコンデ

1 L1RLk 2 L22 M  r2
  L1  r1

M 

1

ンサ C1，Cr，C2 を直列に接続している。コンデンサ値は表1 で示す式を用いて設計することにより，理想変圧器特性が

122r
1 1M2 M  r2
   L1  r1得られる。入出力特性は，一次と二次コイルのインダクタンスで決定され，中継コイルのインダクタンスに依存しない。

一次コイルと共振するよう定める。また，二次側のコンデンさらに二次コイルの位置ずれで，中継コイルとの結合係数

サ C2 は，電源力率が 1 となるよう定める。このとき中継コ

kr2 が低下すると入力インピーダンス ZIN が増加することか

イル方式と同様，理想変圧器特性が成り立つ。入出力特性は

ら，入力電圧 VIN 一定とした場合，入力電流 IIN が低下し，中継コイル方式と同様，一次と二次コイルのインダクタン過大な電流が流れない。

スで決定される。さらに位置ずれで結合係数 k が低下する〈2.2〉PS 方式と ZIN が増加することから，入力電圧 VIN 一定とした場合，一次側のコンデンサ C1 は，一次コイルと並列に接続し，過大な入力電流が流れない。

2017/3/15～17-326富山( 第 4 分冊 )©2017 IEE Japan

4-186

平成 29 年電気学会全国大会

図 3 実験回路

200200000-200-20-4000VINIIN
1020VIN [V]20-200-20VINIIN-4000-4030

10Transformer Parameters(a) Repeater Coil topology.

PS Capacitor topology

4T / 28T / 14T

4T / - / 14T

13.57 / 389.41 / 76.28

8.45 / - / 76.96

6.85 / 68.77 / 39.53

6.32 / - / 69.73

0.907 / 0.210 / 0.194- / - / 0.200

2.987 / 0.0127 / 0.0534

0.555 / - / 0.0527

7.19

6.92

ZIN[Ω]

13.3

15.7

ηmax[%]

97.73

97.72

(b) PS Capacitor topology.

図 4 標準状態の入力波形
Fig 4. Input waveform at standard position.
400404004020020200200000-200-20VINIIN-4030-200-20VINIIN-4030-40001020-40001020IIN [A]Repeater Coil topology-403020Time [s]Time [s]Time [s]Time [s](a) Repeater Coil topology.

(b) PS Capacitor topology.

図 5 無負荷状態の入力波形
Fig 5. Input waveform under no-load condition.
50３．給電実験による比較作成した図 2 のトランスを使用して中継コイル方式と PS方式の給電実験を行った。一次側コイルと二次側コイルは

PL [W]

300040ZIN []C1 / Cr / C2[μF]RLmax[Ω]200

IIN [A]

N1 / Nr / N2[Turn]
r1 / rr / r2[mΩ]
L1 / Lr / L2[μH]k1r / kr2 / k1240

VIN [V]

Type400

IIN [A]

Transformer dimensions

表 2 トランス定数
Table 2.

40

VIN [V]

図 2 トランスの寸法
Fig.2.

400(b) PS Capacitor topology

VIN [V](a) Repeater Coil topology

Experimental Circuit

IIN [A]

Fig3.

2000
1000

同形状の H 型ソレノイドトランスを用いた。二次側コイル
00は PS 方式の一次コイルと同形状とした。各コイルの背面にRepeater Coil topology
PS Capacitor topology
100200
misalignment [mm]Repeater Coil topology
PS Capacitor topology

30201000100200misalignment [mm]は磁気遮蔽用のアルミ板(W600×D600×H1mm)を設置した。
ギャップ 160mm の標準状態のトランス定数を表 2 に，実験(a) PL

回路図を図 3 に示す。基本周波数 f0=85kHz での特性を比較

図 6 位置ずれ時の PL と ZIN
Fig. 6. PL and ZIN at misalignment.

するため，本稿ではバンドパスフィルタを用い，正弦波入力での比較をした。整流器後の負荷は，トランス効率が最大と(b) ZIN４．まとめなるよう調整し，9Ω とした。また，標準状態で出力電力 PL

本稿では，位置ずれ時や無負荷時に過大な電流が流れなが 3.0kW となるよう入力電圧 VIN を決定し，給電実験を行い中継コイル方式と PS 方式の特性比較を行った。そこで，った。

理想変圧器特性が得られる中継コイル方式の設計方法を提標準状態での給電結果を図 4 に，無負荷状態での給電結案した。2 方式は同様の特性を示し，位置ずれや無負荷状態果を図 5 に示す。図 4 より，入力電圧・電流の力率はほぼ 1になるとインピーダンスが増加し，入力電流が低下することなった。図 5 より，無負荷状態での入力電流は標準状態とを確認した。

より大幅に減少している。電流波形は中継コイル方式と PS

文 献方式は同形状となっている。
位置ずれ時の出力電力とインピーダンスを図 6 に示す。

(1)

位置ずれ時の出力電力は，2 方式とも同等の特性であり，位(2)置ずれと共に出力が抑えられている。位置ずれ拡大によりインピーダンスが増加しているためである。

2017/3/15～17(3)-327富山( 第 4 分冊 )今野他:平成 27 年電学全大 No.4-210,pp.353-354 (2015)
Koh Kim Ean et al. : “New Wireless Power Transfer via
Magnetic Resonant Coupling for Charging Moving ElectricVehicle”, EVTec and APE Japan, May 2014
藤田他:電学論 Vol.127,No.2,pp.174-180 (2007.2)©2017 IEE Japan