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平成 30 年電気学会全国大会

移動体への給電に適した複数の中継コイルを含む非接触給電回路の特性評価
山本達哉＊，金子裕良 (埼玉大学)

An Evaluation of Wireless Power Transfer System with Plural Repeater Coils for Moving Objects
Tatsuya Yamamoto, Yasuyoshi Kaneko (Saitama University)

１．はじめに
近年利便性や安全性，保守性の向上といった観点から，電気自動車(EV)や工場内の搬送コンベアへの給電に非接触給電を用いることが検討されている。走行中の EV への給(a) 2 repeater coils topology

電では，車両側(2 次側)コイルの有無に応じて，直列または(b) PP topology

図 1 非接触給電回路
Fig.1. Wireless power transfer circuit

並列接続された複数の地上側(1 次側)コイルをスイッチで切り替える方式が提案され，さらにスイッチレスでコイルの切り替えが可能な回路トポロジも研究されている(1)。これは並列接続された 1 次側コイルに対し，1 次 2 次直列コンデンサ方式に 1 つの中継コイルを付加した方式，または 1 次並列 2 次直列コンデンサ方式(PS 方式)を採用し，2 次側コイルと結合していない 1 次側コイルの入力インピーダンスを増加させ，電源から 1 次側コイルへの電力を抑えている。
しかし，これらの方式では入出力の電圧比を 1:1 にしたい(a) Appearance

場合に，1 次側に対して 2 次側のコイルの巻数を大きくする必要があり，設計が困難な場合がある。また，回路構成が

表 1 コンデンサの最適値と回路特性
Table 1. Optimum value of capacitor and characteristics of circuit

非対称であることから双方向給電(2)には不向きである。
本稿ではこれらを解決する回路トポロジとして，中継コTopology

イルを 2 巻線用いる方法(中継 2 巻線方式)およびコンデンサ

2 Repeater Coils
C1 を 1 次側・2 次側とも並列に接続する方法(PP 方式)を提案し，Capacitor理論解析と特性評価を行う。

図 1(b)に示す通り，1 次側と 2 次側両方のコイルに並列にコンデンサが接続されている。こちらも表 1 に示す式を用いてコンデンサを設計することで，中

1C2 
k k 
 2 Ls 1  1s rs k1r 

1 2 L2 1  k 2 

2 1 k2  L L 11 2
k RDRDmax

k1r k 2s  k12k rs
k rs 2Qr  k 2s 2Q2 Q1Qs
r2Q2k rs
k rs 2Qs  k1r 2Q1 Q2Qr1 k2
k 2Q1  Q2r2Q2kk 2Q2  Q1

ηTRmax1

1ス変換器特性が得られるとともに，入力力率が 1 になる。2＜2・2＞PP 方式

1 2 L11  k 2 2 k1r k 2s  k12 k rs  L1L2 1k rsRD
に示す式を用いてコンデンサを設計することで，イミタン流を抑制できる。

k2s

Zinてのコイルに補償コンデンサが直列接続されている。表 1

ZIN が増加するため，入力電圧 VIN 一定での駆動時に入力電k k 
 2 Lr 1  2r rs Cs k k  2 L2 1  2r 2s krs C1 2VIN  j 1  kL1L2 I Dkk1
 I IN   1VDj 1  k 2 L1L2
次側のコイルの間に中継コイルが 2 巻線ある。また，すべているとき，2 次側が位置ずれすると入力インピーダンスk k krs 1

 2 L11  1r 1s PP1k1r k 2s  k12k rs

L1L2 I DVIN  jk rs
k rs1
1
 I IN  VDj k1r k 2s  k12k rs L1L2


図 1(a)に示す通り，1 次側と 2つの中継コイルがそれぞれ 1 次側・2 次側コイルと密結合しCr 

I/Ocharacteristics

ンサの最適値と回路の諸特性を表 1 にそれぞれ示す。
＜2・1＞中継 2 巻線方式

1C2 

２．中継 2 巻線方式と PP 方式中継 2 巻線方式と PP 方式の回路図を図 1 に，補償コンデ(b) Dimensions

図 2 実験で使用したトランス
Fig.2. Transformer used in the experiment12k1r k2s  k12krs krsQr Qs

 k 2Q  k 2Q  k 2Q  k 2Q  Qr Qs
 rs r2s 2  rs s
1r 1 

Q1Q2121  k 2 kQ Q
 1 2
 k 2Q  Q  k 2Q  Q 
12 21

継 2 巻線方式と同様の特性を得ることができる。なお，コンデンサの値は従来研究で示されていた設計法(3)とは異なり，負荷抵抗に依存せずに決定することができる。2 次側が位置ずれすると入力インピーダンス ZIN が増加するため，入力電圧 VIN 一定での駆動時に入力電流を抑制できる。

３．非接触給電トランス
表 1 に示した理論解析結果が実機でも成り立つか検証す2018/3/14～16

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300251500−150−3000102050VINIIN

0−25−150−5030−30000−2510Time [s]図 3 実験回路
Fig. 3. Experimental circuit

0−150−300010200−25−150−5030−3000250IIN [A]050VINIIN

15025VIN [V]150
VIN [V]

30050VINIINIIN [A]

300Topology
2 Repeater Coils
PPGap length [mm]60.0N1 / Nr / Ns / N2 [Turn]
4 / 18 / 18 / 44/-/-/4
r1 / rr / rs / r2 [mΩ]9.79 / 105 / 105 / 10.5
12.8 / - / - / 11.6
L1 / Lr / Ls / L2 [μH]6.78 / 54.0 / 55.5 / 6.71
5.83 / - / - / 6.03
k12 / krs / k1s / k2r
0.201 / 0.245 / 0.237 / 0.229 0.226 / - / - / k1r / k2s
0.924 / 0.930-/|Zin| [Ω]
11.8
12.3
RDmax [Ω]12.1
14.4
ηTRmax [%]
96.8
96.4

−25

10−50
30

20Time [s]Time [s](a) 2 repeater coils(b) PP

図 5 2 次側不在時の入力波形
Fig.5. Input waveform without secondary coil

表 3 実験条件
Table 3. Experimental conditions

2500

90
2 Repeater Coils (x)PP (x)
2 Repeater Coils (y)PP (y)

60

2 Repeater Coils (x)PP (x)
2 Repeater Coils (y)PP (y)

2000
PIN [W]|ZIN| []Topology
2 Repeater Coils
PP
f0 [kHz]
85.0
RL [Ω]
25.0
30.0
C1 / Cr / Cs / C2 [μF] 4.90 / 0.0629 / 0.0696 / 4.34 0.587 / - / - / 0.629
Lf [μH]104
Cf [μF]
0.03361500
1000305000030609012015000Misalignment [mm]るため，両方式に対応したトランスの製作と定数測定を行ノイド型とした。中継 2 巻線方式では 1 次側・2 次側各々のコイルの上から，更に密着するように中継コイルを巻いた。
このとき，中継コイルに流れる電流を減らすため，巻数を 1次側・2 次側コイルの 4.5 倍にした。また，両方式とも 1 次側・2 次側コイルの背面にアルミ板を設置した。
製作したトランスの磁気ギャップ 60mm の正対時(標準状態)における定数測定結果を表 2 に示す。中継 2 巻線方式で306090120150Misalignment [mm]

図 7 位置ずれ時の PIN
Fig.7. PIN at misalignment

図 6 位置ずれ時の|ZIN|
Fig.6. |ZIN| at misalignment

った。実機の外観と寸法を図 2 に示す。コイル形状はソレの波高値および入力力率が大幅に低下した。
位置ずれ時の入力インピーダンスの大きさ|ZIN|と入力電力 PIN の変化をそれぞれ図 6，図 7 に示す。両方式とも VDC一定の時，位置ずれ時に|ZIN|が増加するとともに PIN が低減することを確認した。

５．まとめ
本稿では定電圧源で駆動されている非接触給電トランスは k1r, k2s が 0.9 以上となり，他のコイル間と比べてより密ににおいて，2 次側位置ずれ・不在時に入力電力を抑制できる結合していることを確認した。

回路トポロジの特性評価について述べた。1 次側と 2 次側で４．給電実験結果製作したトランスを用いて中継 2 巻線方式と PP 方式の給電実験を実施した。実験回路を図 3，給電時の条件を表 3に示す。電源には方形波インバータを用いたが，基本周波数 f0=85kHz での特性を確認するため電源出力部にバンドパスフィルタを挿入し，正弦波で入力した。整流器後の負荷抵抗 RL はトランス間給電効率 ηTR が最高になる値に定めた。

対称な回路構成が可能な中継コイルを 2 巻線使用する方式および PP 方式の 2 方式を提案し，その類似性とイミタンス変換器特性が得られる設計法を提案した。そして，実機による給電実験結果より，2 次側の位置ずれ時に入力インピーダンスが増加することで，入力電流や電力を抑制できることを確認した。

直流入力電圧 VDC は，各方式における標準状態で整流後の出力電力 PL が 1.5kW になる値になるように調整した。

文 献(1) 山田他: 電学論, Vol. 137, No.11, pp.815-826 (2017)

標準状態と 2 次側不在時における給電時の入力波形をそれぞれ図 4，図 5 に示す。電圧・電流とも波形は両方式でほぼ同じであった。また，入力力率はほぼ 1 だった。また，両方式とも 2 次側不在時は，標準状態と比べて入力電流 IIN

九州−503020Time [s](a) 2 repeater coils(b) PP図 4 標準状態での入力波形
Fig.4. Input waveform at standard position

表 2 トランス定数
Table 2. Transformer parameters

2018/3/14～1625

IIN [A]

VIN [V]

050

IIN [A]

VIN
IIN

150

VIN [V]

300-210-(2) 望月他：半導体電力変換研究会，SPC-11-180 (2011)(3) Chwei-Sen Wang et al.: IEEE Trans. on Ind. Electron., Vol.52,
No.5, pp.1308-1314 (2005)©2018 IEE Japan