電気自動車用モジュール型非接触給電トランス
大樹＊，長塚 裕一，金子小林裕良，阿部茂 (埼玉大学)

Contactless Power Transfer System of Module Type for Electric Vehicle
Daiki Kobayashi, Yuichi Nagatsuka, Yasuyoshi Kaneko, Shigeru Abe (Saitama University)

自動車用非接触給電装置は小型軽量で高効率が望ましい。
我々はギャップ長変動や位置ずれに強い角形両側巻トランス、すのこ型トランスを提案してきた(1)。更に軽量化と高効

jx’1

r’1-jx’S

1. まえがきI’IN

VL

r2

jx2

IL

r’0V’IN

-jxP

jx’0

RL率化をめざし、各フェライトコア毎にリッツ線を巻いたモ
図 1 詳細等価回路
Fig.1. Detailed equivalent circuit.

ジュール型トランスを試作した。評価結果を報告する。

2. 非接触給電システムの軽量化と高効率化<2.1>非接触給電システム

Aluminum sheet

H

電源と一次巻線の間に直列コンデンサ CS を、二次巻線に並列コンデンサ Cp を設置すると、トランス部の詳細等価回

Magnetic flux路は図 1 で表わされる。なお、巻数比を a=N1/N2 とし、一次Ferrite core側諸量は二次側に換算し’（ダッシュ）をつけて表す。高周波電源には f0=20kHz のフルブリッジインバータを用いる。

L(Forward direction)

Gap

W

150
45 unit: mm
45
Cross section in L-H plane(Common to all).

(a)

両側巻トランスではコア背面側の漏れ磁束を遮蔽し、結合L係数を上げるために図 2(a)のようにアルミ板を配置する。

W<2.2>軽量化と高効率化

H

Cp, CS の値を(1)式の値に選び、x’0, x’1, x2 に比べて十分小
さい r'0,r'1,r2 を無視すると、コンデンサを含む等価回路は(2)式のように巻数比 b の理想変圧器と等価になる。(2)式の電50 150 5025050 150 50< Rectangular type> < Drain-board type > < Module type >(b) Cross section in W-L plane.

圧、電流を基に r'1,r2 を考慮すると、給電効率 η は(3)式で、その最大値 ηmax とその時の負荷抵抗の値 RLmax は(4)式で表

図 2 トランスの構成と寸法
Configuration and dimension of transformers.

Fig.2.

される。(4)式より給電効率を上げるには、一次二次の巻線
表 1 給電トランス仕様
Table1. Specification.

抵抗 r1,r2 を減らし、b（結合係数 k と同様の性質をもつ）を上げれば良いことが分かる。

1= x P = x0′ + x 2
ω0CP′ =V IN′ = bV L , I IN
η=2L L
21 INx 0′ x 2
1= x s′ =+ x1′ ・・・(1)′′x0 + x2
ω 0CSx 0′IL,b=′bx0 + x2

R I=
RL I L2 + r ′I ′ + r2 I 22

η max =

2r
1+ 2xpRL⎧ ⎛ R ⎞2 ⎫r1′⎪⎪
RL + 2 + r2 ⎨1 + ⎜ L ⎟ ⎬⎜x ⎟b⎪⎩ ⎝ p ⎠ ⎪⎭11 r'
RL max = x p 2 1 + 1
1 r '1b r2+1b 2 r2・・・(2)type

Drain-board

Ferrite CoreLitz wire

FDK 6H40 t=5mm
BS=0.53T
0.25mmφ×24×16

Gap length・・・(3)Coil turns・・・(4)

WeightModule70mm

Primary

1p×18T

Secondary

2p×9T

Primary

3.5kg

2.6kg

Secondary

3.7kg

2.8kg

Aluminum sheet

600×400×1mm

3.トランス特性<3.1>モジュール型トランス
すのこ型トランスとモジュール型トランスの仕様を表 1に、寸法を図 2 に示す。図 2(b)右端に示すモジュール型はすのこ型に比べ巻線長を短くできるので、軽量化と効率向上が期待できる。
モジュール型トランスは直列接続と並列接続が可能であ表 3 1kW 給電実験結果(RL=10.0Ω)
Table3. Experimental results by 1kW (RL =10.0Ω).

type

Drain-board

Moduletype

Drain-board

r1 [mΩ]

69.860.0

RL [Ω]

10.0

r2 [mΩ]

16.915.3VIN [V]*

62.3

53.6

l0 [μH]

23.0

19.9

IIN [A]*

16.2

18.4

l1 [μH]

58.1

62.7

VL [V]*

104103l2 [μH]

15.9

17.0

IL [A]*

9.21

9.05

CS [μF]

0.845

0.811

CP [μF]

2.93

2.88

PIN [kW]*

0.973

0.945

ηmax [%]

95.3

95.3

POUT [kW]*

0.924

0.896

RLmax [Ω]

10.7

12.4

k0.2740.234

b0.266

0.226

Module10098
Efficiency[%]

表 2 トランス定数
Table2. Parameters.

96

Drain-board type
Module type(Series)
Module type(Parallel)
Experimental result of Drain-board type
Experimental result of Module type9492900η [%]94.994.9*Fundamental component rms value

Fig.3.

10RL[Ω]2030

図 3 給電効率の負荷抵抗による変化
Efficiency change with load resistance value.

る。今回はすのこ型と巻線電流が等しく、端子電圧もほぼ
0.350 1100
40<3.2>トランス定数さいため効率の向上が期待されたが、b が 0.85 倍に低下したため、トランス定数から計算した最大効率は 95.3%で等しくなった。重量は一次二次とも約 1kg 軽くなっている。

4.給電実験結果<4.1>標準状態（位置ずれなし：L=0 , W=0 mm）

L2
POUT[W]0.2

線抵抗はすのこ型に比べて、r1 は 0.86 倍、r2 は 0.91 倍と小0.1

10009030k,b表 2 にトランス定数の測定値を示す。モジュール型の巻100

900

k Drain-board typek Module typeb Drain-board typeb Module typeL2 Drain-board typeL2 Module type

050

W[mm]

η[%]等しくなる直列接続で実験を行った。

20101000150

800
700080

POUT Drain-board type
POUT M odule type
η Drain-board type
η M odule type
50
100
W[mm]

70150

(b) Experimental results.
Parameters.
図 4 W 方向の位置ずれ特性
Fig.4.
Characteristics with W position change.

(a)

表 2 の RLmax の値から RL=10.0,12.5, 15.0Ω とし、
約 1kW のL給電実験を行った。表 3 に RL=10.0Ω の時の実験結果を、図W

3 に給電効率の負荷抵抗による変化を示す。

H

図 3 の曲線は表 2 の定数と(3)式で計算した理論効率である。すのこ型とモジュール型の実験効率はほぼ同じ値で、理論効率より僅かに低い。直列接続のモジュール型はすのこ型とほぼ同じ特性を示すが、並列接続では RLmax が小さくなり ηmax も低下する。
<4.2>位置ずれ特性（L=0 , W=0～150 mm）
RL=10.0Ω 一定とし、約 1kW の給電実験を行った。Cp, CSは標準状態と同じ値を使用した。実験結果を図 4 に示す。
位置ずれが大きくなると、結合係数と b は低下する。二次巻線の自己インダクタンス L2 はほぼ一定であり、(1)式より Cp の値は一定で良いことが分かる。

< Drain-board type >Fig.5.

< Module type >図 5 磁界分布の比較
Comparison of the magnetic field distribution.

すのこ型ではコア間の巻線のためこの漏れ磁束は発生せず、この分結合係数や b が高くなると考えられる。

6.まとめ
巻線長を短くできれば、モジュール型はすのこ型に比べW=150mm までの平均効率はモジュール型 92.9%、すのこて軽量化が可能であり、巻線抵抗減少による高効率化が期型 93.8%ですのこ型の方がわずかに高い。実用的には差は待できる。しかし実際には結合係数が低下するため、高効ない。位置ずれが大きくなるとモジュール間の結合が異な率化が難しいことを示した。

るため、各モジュールで端子電圧が異なる現象が見られた。

5.考察
結合係数の低下の原因を調べるため磁界解析を行った。
その結果から得られた模式図を図 5 に示す。すのこ型とモジュール型では、コア間の磁束の方向が異なる。モジュール型ではコア間に左右モジュールの漏れ磁束が発生する。

今後はモジュール型の効率改善策を検討すると共に、特徴を活かした活用方法を検討したい。
文献(1) 江原，長塚，金子，阿部，保田，井田：電気学会産業応用部門大会講演論文集, 2-25, pp.Ⅱ343-Ⅱ348, (2009)