平成 25 年電気学会産業応用部門大会

4-8

電気自動車用大容量非接触給電トランスの熱等価回路を用いた放熱能力向上法

正員

学生員

今野純也＊

金子裕良

正員

学生員

阿部藤田茂

到（埼玉大学）A Method of Improving Heat Dissipation of Large Capacity Contactless Power Transformers
for Electric Vehicle Using the Heat Equivalent Circuit
Junya Konno＊, Student Member, Itaru Fujita, Student Member
Yasusoshi Kaneko, member, Shigeru Abe, Member (Saitama University)

Cooling the core is a problem in the large capacity contactless power transformers. It is necessary to effective heat dissipationin order to send more power. Thermal analysis using thermal equivalent circuit is effective to resolve them.
Cooling the aluminum sheet made possible improving the heat dissipation of the core.
キーワード：熱解析, 電気自動車，非接触給電，トランス，大容量，急速充電
Keywords：Thermal Analysis, Electric Vehicle, Contactless Power Transfer, Transformer, High Capacity, Fast Charge

た。その放熱方法として，巻線内部ではコアを貫く磁束と1. はじめに同方向に冷却用のアルミ棒を挿入し，巻線外部ではアルミプラグインハイブリッド自動車(PHVs)や電気自動車(EVs)ブロックを介して遮蔽用アルミ板に熱を逃がす構造を考案の充電には，電気ケーブルとコネクタを用いる方式が採用

し，10kW の連続運転が可能な非接触給電トランスを発表しされているが，利便性や安全性の向上が期待されることかた(5)。

ら，ケーブル接続が不要な非接触給電方式が世界中で研究

本稿ではさらなる大容量化を図るため，放熱能力の向上されている(1)。自動車用の非接触給電トランスでは特に，大法を検討した。熱等価回路網法を用いて，どの部分が放熱きなギャップ長，大きな位置ずれ許容量(左右方向)，高い給のネックになっているかを検討した。その結果，遮蔽用ア電効率が求められ，さらに車載トランスは小型軽量にする

ルミ板の放熱能力の向上が効果的であることが分かった。

必要がある。従来の研究では円形コア片側巻構造よりも，この部分の放熱能力を高めた場合，現在の放熱構造のまま角型コア両側巻構造がこれらの点において優れていることでどの程度給電電力を上げられるかを明らかにする。

が発表されており，より小型軽量化を図った H 型コア両側巻き構造の非接触給電トランスが開発されてきた(2)。

以下，第 3 章で熱等価回路網法を用いた非接触給電トランスのモデル化の方法，第 4 章でその妥当性を温度上昇試

また，電気自動車用のバッテリーは価格が高く，その容験および磁界解析シミュレーションソフトウェアの結果と量が小さいことから一充電当たりの航続距離が短い。そのの比較によって確認する。また 5 章では熱等価回路を用いため長距離移動の際には補充電を繰り返しながら走行を継た解析からアルミ板の冷却が放熱能力の向上に効果的であ続することが想定さる。そこでは大容量の急速充電によっることを示す。て充電時間を短くすることが望まれる。

2. 大容量 H 型コア両側巻きトランスの熱問題

埼玉大学では H 型コア両側巻き構造の急速充電を想定した大容量トランスを製作したが(3)，温度上昇が大きく連続運非接触給電トランスはフェライトコアの鉄損，巻線での銅転は困難であった。大容量の H 型コア両側巻き構造トラン損，漏れ磁束遮蔽用アルミ板の渦電流による銅損の 3 つのスを連続運転するには放熱対策が必要である。巻線の熱は損失から温度上昇は避けられない。また巻線の絶縁皮膜の熱伝導性のよい樹脂などで接合することで漏れ磁束遮蔽用耐熱性やフェライトコアの磁気飽和による効率低下を考慮アルミ板に逃すことが可能である が，巻線の内部に位置しすると，それらの温度は 110℃程度が限界温度である。図 1

発熱するフェライトコアの冷却方法が大きな課題であっは放熱対策前後の大容量トランス(図 2，3)を用いて温度上昇(4)

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4-830019040402001902002804020 10208025805020203015150(a)図1

図2

温度上昇試験結果(b)

外形図(二次側アルミ板なし)

寸法

放熱対策前の大容量トランス

Fig. 2. A double-sided contactless power transformer for 10kW

Fig. 1. Experimental results of temperature rise3001904020190
200

28020190
20 10(a)外形図(二次側アルミ板なし)(b)

外形図(二次側，巻線・アルミ板なし)
図3251010(c)寸法(2 次側)

1010

放熱対策後の大容量トランス

Fig. 3. A new structure which takes account of heat dissipation
試験を行った結果である。温度上昇試験の結果から放熱対3. 熱等価回路とトランスのモデル化

策前の大容量トランスでは 10kW の連続運転は困難である。
またコアにアルミを挿入することで放熱対策を施した大容〈3･1〉 熱等価回路網法

量トランスを用いても，10kW 以上での連続運転は困難であ生じ，その移動形態には熱伝導・対流熱伝達・熱放射の 3ると考えられる。また温度上昇試験の条件は標準ギャップつが存在し，それぞれ熱の伝わり易さが異なる。伝熱量はにおいて位置ずれがなく周囲温度も 20℃程度と極めて理想

熱の伝わり易さを係数として温度勾配に比例する。すなわ的なものであり，現実的な運用の際には 10kW での連続運転

ち伝熱量は温度差と熱の伝わり易さとの積によって求めらも困難となるおそれがある。より大電力で連続運転可能な

れ，伝熱量を電流，温度差を電圧，熱の伝わり易さをコン

トランスを作成するためには放熱用アルミのみならず放熱ダクタンスとみなすとその関係はオームの法則に一致す能力を向上させる手段が必要となる。その際，より効果的る。これを用いて熱系を電気系に置き換えて熱解析を行うな対策を講じるためには十分な熱解析を行うことが重要で手法を熱等価回路網法という。熱等価回路網法では解析対ある。

象をいくつかの多面体のエリアに分割し，熱コンダクタン

熱の移動は温度差のある所で

熱解析シミュレーションソフトウェアにおいては CAD 等スの逆数から求められる熱抵抗によってそれぞれのエリアを用いてモデルを作成しそれに基づいて有限要素法などを間の伝熱を表現した伝熱モデルを作成する。熱抵抗の具体用いた解析が行われる。モデルや条件設定が正しく行われ的な値は熱伝導についてはフーリエの法則，対流熱伝達にていれば高精度の結果が期待できる反面，一回の解析に多ついてはニュートンの冷却の法則に従い決定される。発熱

くの時間を要する場合が多い。しかし効果的な対策を模索は電流源，固定温度は電圧源によって表現される。

する場合においては放熱の際にどの部分の伝熱が障害とな

熱等価回路網法を用いて飽和温度の解析を行う場合，用っているかを見極められることが肝要である。それゆえ対いられる素子が直流電源と抵抗のみとなるため非常に短時策の方針検討には，高精度ではないが解析モデルの変更が間での解析が可能である。また解析対象の寸法や損失が変容易かつ解析時間が短い熱等価回路網法を用い，高精度な化した際も抵抗値や電源の大きさを変えるだけでよく，解温度が必要な場合に有限要素法を用いことにした。

析が容易である。

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4-8〈3･2〉 損失の推定

図 2，3 は放熱対策前後の大容量トランスの外形図であり，図 4 はその損失を磁界解析シミュレーションによって求めたものである。トランス効率は放熱対策前が 96.7%，放熱対策後が 96.9%でほぼ等しい。放熱用アルミでの損失は一次側と二次側を合わせても全損失中の 5%と少なく，放熱用アルミの損失をフェライトコアでの損失とまとめて考えると大容量トランスの損失内訳は放熱対策前後においておよそ一致する。したがって温度上昇以外を考慮したトランスを考え，それを用いた磁界解析シミュレーションによって損失を算出し熱解析を行えばよい。また文献(3)(5)からフェライトコアの損失によって各部が一様に発熱すると仮定した場合でも飽和温度の見積もりは十分に可能である。それゆえ熱等価回路上で発熱を表す

図4

電流源の電流値は，損失を各エリアの体積比で割り振るこ

Fig. 4. Simulation results of lossとによって決定した。
〈3･3〉 解析モデルの簡単化

トランス損失のシミュレーション

トランスの構造に対称性がある場合は飽和温度の分布も同様の対称性を持つ。熱アルミブロックの移動は温度差のあるところで生じるという原理に従えばコア対称性の境界をまたぐ熱の移動はなく，仮想的に断熱面とみなすことができる。したがって対称性のある 1 片についてのみ解析を行えばよい。本稿では以後，放熱対策トランス(図 3)について図 5 に示すような 1/4 モデルを用いて解析を行う。なお，発熱や放熱装置の取り付けスペースといった問題は車載される二次側トランスでより深刻となるた磁極

め、二次側トランスについてのみ解析を行う。

アルミ棒

H 型コア両側巻きトランスの温度上昇試験結果ではフェライトコアの飽和温度は巻線よりも高いがその温度差は小図5さい。さらにフェライトコアと巻線との間にはボビンが存

1/4 モデル図(巻線，アルミ板なし)

Fig. 5. Quarter model of the transformer

在しその材料であるベークライト(熱伝導率 0.2 W/(m･K))の熱伝導率は低い。そのため巻線とフェライトコアとの間のところ飽和温度は二次側コア中心で 111℃となり，表 1 の結熱伝導は無視する。これにより巻線及びその損失を解析モ果と概ね一致しモデル化は妥当と考えられる。また前節のデルに含む必要がなくなり，より簡素なモデルとすること結果とも一致しており，解析モデル作成の容易性や解析時ができる間の短さから本手法での解析が有用であるといえよう。

5. アルミ板の冷却による放熱能力の向上

4. シミュレーションによる熱解析〈4･1〉 磁界解析ソフトウェアを用いた熱解析

図 3

さらなる大電力化の際には放熱対策をより強力なものとのトランスを給電電力 10kW で連続運転した際の飽和温度する必要がある。図 3 の放熱対策トランスにおいては巻線を磁界解析シミュレーションソフトウェア「JMAG」を用い内部に挿入したアルミ棒によってコアの熱をアルミ板へとたシミュレーションによって求めた。シミュレーションの導いている。挿入するアルミ棒の寸法を大きくする，ある結果，飽和温度は二次側コア中心で 110℃となり図 1 の温度

いはその本数を増やすといった方法は，渦電流や巻線長の上昇試験結果と近い値が求められた。

増加に伴う損失の増加が懸念されるために望ましくない。
図 6 は放熱対策

前章の解析において，アルミ板と放熱用アルミの接合部のトランスを本稿第 2 章の手法によってモデル化した熱等価

温度は 73.4℃であった。熱伝導において伝熱量は温度差に回路図である。トランス出力 10kW，トランス効率 95%対流比例するため，コア中心からより多くの熱を外部へと導く〈4･2〉 熱等価回路を用いた熱解析

2

熱伝達率 15 W/(m ･K)，周囲温度 20℃と仮定した。各部の熱ためには放熱用アルミの外部端すなわちアルミ板との接合抵抗は寸法，熱伝導率，対流熱伝達率を用いて算出した。

部の温度を低くする必要がある。アルミ板の冷却は比較的

また本稿第 3 章 2 節に従い，図 4 の内側のグラフに基づき，容易であるためアルミ板に十分な放熱能力があると仮定

全トランス損失中の 27%，15%がそれぞれ二次側のフェライし，その温度を低いものに固定した場合のコア中心部飽和トコア，アルミ板での損失であると仮定した。

温度の変化について熱等価回路を用いたシミュレーション

図 6 の熱等価回路網を用いてシミュレーションを行ったを行う。

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0.11

0.21

1.3

0.63

25

13

1.0

12


0.11

磁極からの25

対流熱伝達0.26
0.070

56

7.6

275667

43

0.66A


0.11

43

13

5.1


67
56

1.1A
33

33

周囲温度
20V

95

3.9A
32

2.3A

7.6

40
1.3A
6.3

60

80

60

0.44A

0.87A

0.87A

0.65A
13
0.44A

コアおよび放熱用アルミ棒

1.0

3.9A
32

0.11

2.1


48

0.11



4.4
28

アルミブロック

1.1A

25

1.3A
6.3

2.2A

1.3

3.8



0.65A

0.66A

4.7A
13



3.8

40

3.4

25

12

4.7A
13

1.3

0.21

13

16

2.2A

1.3

3.3
5.0

2.3A

磁極

図6

熱等価回路

Fig. 6. Heat equivalent circuit
アルミ板の温度を 50℃に固定した場合についてシミュレきるとき，出力電力を 15kW とした場合でも同トランスで給ーションを行った。熱等価回路上では図 6 のアルミ板の熱電可能であるというシミュレーション結果が得られた。ア等価回路と示した部分に電圧源を接続することで固定温度

ルミ板への放熱対策は非接触給電トランスの大容量化を図を用いた解析が可能である。シミュレーションの結果，コる上で有効な対策である。

ア中心の飽和温度は 87.9℃となり温度が大きく低下した。
またアルミ板の温度を 50℃に保つことが可能で，かつコアの損失が出力電力に比例すると仮定した場合，給電電力を15kW に拡大した場合でも二次側コア中心の飽和温度は107℃であり，大電力化が可能であると考えられる。
さらに同手法ではアルミ板を固定温度とした場合のアルミ板への伝熱量も同時に求められるため，それを用いてアルミ板の放熱設計を独立に行うことが可能である。

6. まとめ
熱等価回路を用いた熱解析を行うためのモデル化の方法を示し，温度上昇試験や解析シミュレーションソフトウェ
アとの比較によってその妥当性が確認できた。熱等価回路

文献(１) 「電池システム技術」第 4 章，電気学会・移動体用エネル

ギーストレージシステム技術調査専門委員会，pp.236-267(２) 千明将人・長塚裕一・金子裕良・阿部 茂・保田富男・鈴木 明：「新コア構造による電気自動車用非接触給電装置トランスの小型軽量化」，電学半導体電力変換研究会資料，SPC-11-48，pp.139-144(2011)(３) 山中智裕・野口真伍・金子裕良・阿部茂・保田富夫・鈴木明：「電気自動車の急速充電用非接触給電システム」平成 23 年電気学会産業応用部門大会, JIASC2011, 2-11, ppⅡ407-Ⅱ412(2011.9.6)(４) 高梨浩也・山中智裕・千明将人・金子裕良・阿部 茂・保田富男・
鈴木 明：「倍速充電可能な電気自動車用小型非接触給電トランス」，JIASC2011，2-12，ppⅡ413-Ⅱ416(2011)(５) 山中智裕・藤田 到・金子裕良・阿部 茂・保田富夫：「電気自動車用大電力 H 型非接触給電トランスの放熱方法」，平成 25 年電気学会
自動車研究会資料， VT-13-006，pp.31-36 (2013-1)

による解析は解析時間の短さや解析対象・条件の変化への対応しやすさといった点で優位であるだけでなく，熱的なボトルネックの見極めの際に有効な手法となる。
熱等価回路を用いた熱解析によって遮蔽用アルミ板の冷却が効果的であることが確認できた。アルミ板の温度を無対策時の 73.4℃から 50℃まで下げた時，コア中心の飽和温度は 111℃から 87.9℃まで低下することがシミュレーションによって求められた。またアルミ板の温度を 50℃に維持でIV - 110Ⓒ 2013 IEE Japan