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平成 30 年電気学会全国大会

飛び石式走行中非接触給電システムの回路解析
宇野

皓＊，山田潤, 金子裕良 (埼玉大学)

藤田稔之, 岸洋之 ((株)テクノバ)

Analysis of Circuit for Dynamic Wireless Power Transfer by Stepping Stone System
Hiroshi Uno, Jun Yamada, Yasuyoshi Kaneko (Saitama University), Toshiyuki Fujita, Hiroyuki Kishi (Technova Inc.)

1．はじめにIin

近年，環境問題や省エネルギー化の観点から，次世代自動車の開発が行われており，その一つとして電気自動車が注目されている。電気自動車の問題点として，ガソリン車と比較して航続距離が短いことが指摘されている。この問

CS1

Vin1

Vin

M13(=k13) I3 CS3

L1V1VL

CS2

題を解消するために，自動車の走行中に給電する走行中非L 3 V3

L2接触給電が提案されている 。走行中非接触給電で提案さ2れている回路トポロジーは SS 方式(2)と PS 方式(3)の 2 つがある。しかし，一次側のコイルの接続方法や，走行方向の位置ずれによる電流電圧変動を含めた解析を行われた例は

Vin C

ICP1 LI1 M13(=k13)

I3 CS

IL

I2L3V3 VL

RL

1P1V1

Iin2 I

CP2CP2L2M23(=k23)

V2

図 1 直列 SS 方式

図 2 並列 PS 方式

Fig 1. Series SS topology

Fig 2. Parallel PS topology

Car side(secondary coil)少なく，コイル設計時のためにも必要である。

RL

Iin Iin1

M23(=k23)

Vin2 V(1)

ILx=600mmx=0mm

本稿では，SS 方式を直列に接続した直列 SS 方式と，PS方式を並列に接続した並列 PS 方式を一次側コイルが 2 つ，moving direction x

70mm

二次側コイルが 1 つあるときの各部電流電圧特性と出力電力について解析を行い，その妥当性を回路シミュレーショ

Road side(primary coils)

ンにて確認した。

図 3 模式図2．1 次 2 つ 2 次 1 つの回路トポロジーの解析

Fig 3. Pattern diagram

図 1, 2 に今回解析を行った回路図を示す。図 1, 2 の回路の解析時において，以下の条件を考慮する。
k13
k23
k13+k230.5

一次側コイル同士の距離は大きく，相互結合は無視す

巻線抵抗はリアクタンスより十分小さいとする。

一次側コイルは全て同一形状・性能とする。(L=L1=L2)

PS 方式においては，0mm 地点での相互結合で共振条

coupling coefficient[-]る。

件(コンデンサ値)を決定し，途中で変化しない。(図 3)
並列 PS 方式においては(2)式のようにコンデンサ値が決定0CP1  CP 2  2L1 L2, CS 

 2 L3 (1   ) L3

300

400500600

Fig 4. Variable coupling coeffieicent…………………………(1)12200

図 4．結合係数の変動(2)のκは 0mm 地点での結合係数 k132+k232 を表している。

1100distance[mm]定電流入力時の各部電流電圧特性を表 2 に示す。但し，式, CS 3 0.20できる。
この時の定電圧入力時の各部電流電圧特性を表 1，10.30.1以上の条件を適用した時，直列 SS 方式においては(1)式，CS 1  CS 2 0.4…………………(2)

表 1，2 から，両方式ともに，結合係数 k13，k23 の合計値が電圧電流変動に大きな影響を与える。例えば，k13+k23 が減少する時，k13+k23 という項が分子にあれば，位置ずれ時

また，並列 PS 方式は 0mm 地点以外では，虚部が現れてくる為，位置ずれによる影響が直列 SS 方式と比較して大きい。
更に，直列 SS 方式では，一次側コイルと二次側コイルの自己インダクタンスの積が重要になってくるのに対し，並列PS 方式では，一次側コイルと二次側コイルの自己インダクタンスの比が重要となる。に値が減少し，分母にあれば，位置ずれ時に値が増加する。

2018/3/14～16

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4-139平成 30 年電気学会全国大会

表 1.定電圧入力時の各部電流電圧特性

表 2.定電流入力時の各部電流電圧特性

Table 1. voltage and current characters of constant input voltage

Table2. voltage and current characters of constant input current

直列 SS 方式
一定VinI inVLRLk13  k23 2 2 LL3jPL

Vk13  k23  LL3 inVink13  k23  LL3RL

k13  k23   LL3
22直列 SS 方式

L3Vin
22L RL  j   k13
 k 23
L3VinRLjIL

並列 PS 方式
一定
k13  k23 2Vin2

 2 k13  k23 2 LL3Vin

RL

並列 PS 方式22 k 23
L3
L RL  j   k13I in
2L3
k13  k23 I ink13  k23 RL
L3Vin
22L RL  j (  k13 k23)L3I in

一定

一定

VLj (k13  k23 ) LL3 I in

RLLI inL3 k13  k 23

L3k13  k 23Vin
22L RL  j (  k13 k 23)L3ILj k13  k23  LL3I ink13  k23 2 RL
L3Vin2
L R 2    k 2  k 2 2  2 L2I in
L
L3 k13  k 23

PLI in2

L3
RL I in2
L (k13  k 23 ) 2L



1323

3

3．シミュレーション
表 1，2 で示した導出の妥当性を，回路シミュレータソフ
ト PSIM を用いて確認した。給電トランスには位置ずれにRL 2 k13  k23 2 LL3RL

表 3. コイルの寸法(2)Table 3. Coil Size
240×305×25240×305×15150×20×150
400×600×3
20:14

Size[mm](2)

優れたソレノイドコイルを用い，コイル寸法を表 3 に示す 。
表 4 に今回使用した定数を示す。この定数は，文献(2)を参考に磁界解析ソフト JMAG を用いて得た。また，測定点を走行方向に 0~600mm 移動させ，60mm 間隔でとった時の結合係数の変動を図 4 に示す。以上の値を用いて，シミュレーションを行った。インバータ電源の出力電圧波形は正弦波とし，負荷は整流器を用いず，純抵抗のみで行った。

CoreSize[mm]WindingSize[mm]Alboard[mm]N1:N2[Turn]

図 5(a)に定電圧入力時の直列 SS 方式と並列 PS 方式の出300

力電力の結果を，図 5(b)に定電流入力時の直列 SS 方式と並250

表 4. 定数表
Table 4. Parameter
L1[H]
L2[H]
L3[H]
r1=r2=r3[m]
Frequency[kHz]Iinmax[A]Vinmax[V]RL[]Gap[mm]167.41167.2783.3781085101001070

series SS(Simulation)
series SS(Theory)
parallel PS(Simulation)parallel PS(Theory)

論式で算出された値がシミュレーション上でも再現できていることが確認でき，出力電力について，理論式の妥当性をシミュレーション上で確認できた。他の式についても同

Output Power[W]列 PS 方式の出力電力の結果をそれぞれ示す。図 5 より，理200150100様の確認を行い，式の妥当性を確認することができた。

504. まとめ00

本稿では，一次側コイル 2 つ，二次側コイル 1 つある時の，直列 SS 方式と並列 PS 方式の各部電流電圧特性と出力

100200

25000

20000
Output Power[W]並列接続させた，並列 SS 方式についても同様の解析を行い，

文500600

series SS(Simulation)
series SS(Theory)
parallel PS(Simulation)parallel PS(Theory)ョンにより，妥当性を確認した。今後は，SS 方式の回路をた場合についての解析を行う予定である。

400

図 5．定電圧入力時の出力電力
Fig 5. output power of constant input voltage

電力について解析を行った。また，導出式はシミュレーシ

今回導出したものとの比較や，一次側コイル数を増加させ

300
distance[mm]

15000

10000

献5000

(1) 大場他:自動車技術会秋季大会 297-20145827(2014)00(2) 藤田他:電学論 D Vol.136,No.8,pp.522-531(2016)

九州

200

300

400

500

600

distance[mm]図 6．定電流入力時の出力電力
Fig 6. Output power of constant input current(3) 津田他:平成 29 年電学全大,4-183,pp.320-321(2017)2018/3/14～16

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