講演番号20420195204

文献番号

飛び石式走行中非接触給電システムの特性解析

宇野 皓 1）

金子 裕良 1）

岸 洋之 2)

藤田 稔之 2)

Characteristic Analysis of Dynamic Wireless Power Transfer System by Stepping Stone Coils

Hiroshi Uno

Yasuyoshi Kaneko

Hiroyuki Kishi

Toshiyuki Fujita

Dynamic wireless power transfer system by stepping stone coils similar to the wireless power transfer coils for parking on the ground is useful
because it can be shared with parking. In this paper, we investigated a method of connecting the primary ground side coils in parallel with theinverter power supply in the magnetic field coupling system of the series-series (SS) circuit topology, and switching the ground side power supply
coil with the semiconductor switch according to the position of the secondary side coil.
KEY WORDS: EV and HV systems, energy control system, Wireless Power Transfer, Electrical system[E1]2．並列 SS 方式

1．ま え が き
近年，地球温暖化をはじめとした，環境問題の関心が高まっ

2.1. 並列 SS 方式の概要てきており，環境保護施策の一つとして，電気自動車が注目さ回路を Fig.1 に示す。SS 方式は結合係数が低いと入力インれている。現在はケーブルとコネクタにより給電を行う方法ピーダンスが低下するという特性を持つ。並列 SS 方式でも二や，パンダグラフを用いて給電を行う方法がある。しかし，い次側コイルとの距離が離れている一次側コイルに過大な電流ずれの方式より，利便性，保守性，安全性に優れている非接触が流れ，回路故障の原因となる。そのため，二次側コイルの位給電方式が注目されている[1]。電気自動車はガソリン車と比置に応じて，能動的に回路を切り替える必要がある。並列 SS較すると，航続距離の短さやエネルギー充填に時間がかかる方式の回路解析シミュレーションを行った。

といった短所がある。それらを解決する方法の一つとして走行中非接触給電が注目されている。

2.2 シミュレーション

走行中非接触給電に関して，一次直列二次直列コンデンサ

本研究では回路に過大な電流が流れ，実験中の素子の破壊方式(SS 方式)の一次側コイルを直列接続した研究[2]，一次並を防ぐために，実験前に回路シミュレータ PSIM による検討

列二次直列コンデンサ方式(PS 方式)の一次側コイルを並列接を行った。シミュレーションの回路図を Fig.3 に示す。これに続した研究[3]，SS 方式の一次側コイルを並列接続してワイヤ使用したコイルを Fig.4，5 に示す。このコイルは給電電力がレスインホイールモータへの給電を走行中に行う研究[4]など

3kW 程度まで耐えられるように設計してある。これらのコイがある。さらに，上記で挙げたコンデンサ方式や一次側コイル

ルを Fig.6 のように配置し，100mm 間隔でコイルの定数測定の接続方式の解析が行われている[5]。解析を行うことで各コを行った。これらのコイルを用いた定数測定結果を Fig.7 に示

イルの回路特性を明らかにすると，設計指針や駆動可能かどす。Fig.4(a)より，自己インダクタンスは測定点により，若干うかの判定などに有益だと考えられる。の変動がある。今回は x=0mm 地点と x=300mm 地点のコイル

本研究では，走行中非接触給電への応用が期待されている
SS 方式の一次側コイルを並列接続した回路(並列 SS 方式)にIin

Iin1

I1

CS1ついて，一次側コイルが 2 つかつ二次側コイルが 1 つの場合について検討する。特に，並列 SS 方式の場合，スイッチなし

M13(=k13)
Vin

Iin2列 SS 方式で駆動できる範囲を併せて検討する。実験とシミュレーションを行い，これらの有用性を検証した。

CS2I2
L2Vin2V21) 埼玉大学(338-8570 埼玉県さいたま市桜区下大久保 255)

CS3ILV1

では二次側コイルが正対していない一次側コイルに過大な電流が流れ，回路破壊を引き起こす可能性がある。そのため，並I3

L1

Vin1

L3M12(=k12)

V3VL

RL

M23(=k23)

Fig.1 Parallel SS topology2) (株)テクノバ(100-0011 東京都千代田区内幸町 10-3)
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2019 年春季大会学術講演会 (2019 年 5 月 22 日～ 24 日 )発行日 ( 公開日 ) 2019 年 5 月 17 日
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2019 年春季大会学術講演会講演予稿集

1

Regulated
DC Power+L1+CS3Rd

L3Supply
M12CS2M23L20.35

200

VL,ILM13RL

L1L2L3180
160
140120100

Fig.3 Simulation and experiment circuit

0100200300

400

500k12k13k23
k13+k230.3

coupling coefficient [-]Vin,Iin(Vinv,Iinv) C
S1

self inductance [H]

Vdc,Idc

0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0600

distance [mm]

0100

200

300

400

500

600

distance [mm](a) Self-inductances(b) Coupling coefficients

Fig.7 Result of measured parameters
12000

180x=0mm Lx=0mm L+M 128000
6000
4000
2000
0x=0mm Lx=0mm L+M 12

160x=300mm Lx=300mm L+M 12

Input current Iin[A]Input power Pin[W]

10000

140

x=300mm L
x=300mm L+M 121201008060402000100200300400500

6000100200300400500

600

500

600

distance x[mm]distance x[mm](a)Input power(b)Input current
Fig.8 Input power and Input current(Simulation)

Fig.4 Coil size

1

1ON2OFF(x=0mm L+M)
1OFF2ON(x=0mm L+M)
1ON2OFF(x=300mm L+M)
1OFF2ON(x=300mm L+M)

2000

0.9
0.8

efficiency [-]output power PL[W]

2500

1500
1000

0.7
0.6
0.50.40.3

1ON2OFF(x=0mm L+M)
1OFF2ON(x=0mm L+M)
1ON2OFF(x=300mm L+M)
1OFF2ON(x=300mm L+M)

0.25000.1000100200300400500

600

distance x[mm](a)Primary coilFig.9 Output power during single
drive (Simulation)(b)Secondary coil

0100

200

300400distance x[mm]Fig.10 Efficiency during single
drive (Simulation)

10.8

power factor pf[-]

Fig.5 Coil physics

0.6
0.4
1ON2OFF(x=0mm L+M)
1OFF2ON(x=0mm L+M)
1ON2OFF(x=300mm L+M)
1OFF2ON(x=300mm L+M)

0.2
00100

200

300400500

600

distance x[mm]Fig.11 Power factor during single
drive (Simulation)

今回シミュレーションや実験で用いるパラメータを Table 1
Fig.6 Experimental conditionに示す。但し，表中の Li (i=1, 2) は一次側コイルの自己インダクタンスを表しており，二次側補償コンデンサの決定に関与CSi(i=1, 2)していない。これらのパラメータを用いて，入力電圧を一定にTable 1 Parameters11ω 𝐿(x=0mm)

11
ω 𝐿(x=300mm)

ω 𝐿 𝑀(x=0mm)Vin [V]ω 𝐿 𝑀(x=300mm)

76.32

したときの入力電流と入力電力についてシミュレーションした結果を Fig.8 に示す。Fig.8(a)より，一次側の補償コンデンサを Li のみで決めた時，設計定格電力の 3kW を超えている。まCS1 [F]

0.0214

0.02100.02170.0215た Fig.8(b)より，一次側の補償コンデンサを Li のみで決めた時，CS2 [F]

0.02160.02120.02160.0214x = 0 ~ 200mm 付近で入力電流がおおよそ 100A 流れる可能性

0.0247CS3 [F]があり，回路破壊を引き起こす可能性がある。原因として，正0.0254

対していない方の一次側コイルからの電力が二次側コイルに30

Rd []送られるためである。よって，本研究では Li+M12 で決定した場合のみ実験を行う。

パラメータを用いて，次式からコンデンサ値を決定した。
𝐶𝐶1,𝐶
𝜔 𝐿

1,𝐶
𝜔 𝐿

1𝜔 𝐿

𝑀,𝐶1
𝜔 𝐿
1𝜔 𝐿

𝑀,𝐶1
𝜔 𝐿

先程の並列 SS 方式の結果を踏まえて，片方の一次側コイル(1)を駆動させたときの出力電力，トランス間効率，総合入力力率(2)

イルのみを駆動させたとき，x = 300mm 地点を除けば，概ね xを Fig.9，10，11 にそれぞれ示す。本研究では片方の一次側コ(1)式は単独 SS 方式で用いた決定式，(2)式は並列 SS 方式で= 300mm を線対称とした変化がみられる。よって片方の一次用いたコンデンサ決定式である。

側コイルを駆動させる際，L1 側のみ実験を行う。

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2

-20-200-40
051015202530

50

2000-50-20-100-40-150-6030

Time[s](a)510152025(a)

50

100

150

200

250

15100100

200

300

400

500

201510experiment(Const Vin)
150200

250

300

350

400

450

500

Using coil parametersat 300 mm

400
200
100200300

400

050100

150

200

1400
1200
1000
800(a)1ON2OFF
1ON2ON

050100150200250300

distance x[mm]Using coil parameters(b) Using coil parametersat 0mmat 300mm
Fig.16 Transition of efficiency in SS topology and parallel SS
topology (Experiment)
10.8

0.6
0.4

0experiment(Const Vin)
0100

200

300

400

050100150200

600

Using coil parametersat 300mm

Fig.14 Output power (Experiment)

(a)

0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2

1ON2OFF
1ON2ON

0.1
250300distance x[mm]500

distance x[mm]

(b)

0.3

01ON2OFF1ON2ON

400

distance x[mm]Using coil parameters
at 0 mm0.4

3000.2600

600

0.50.1

250

1

1600

0500

3000.9200experiment(Const Vin)
0250

0.6

distance x[mm]power factor pf[-]

output power PL[W]600

2000.70.20.8

1800

800

00.4

2000

1000

150

10.60

Fig.13 Input current (Experiment)
1200

100

0.8

1ON2OFF
1ON2ON

(b)

1400

50

distance x[mm]0.2

distance x[mm]Using coil parameters
at 0 mm

0

Using coil parameters(b) Using coil parametersat 0mmat 300mm
Fig.15 Transition of output power in
SS topology and parallel SS topology (Experiment)

power factor pf[-](a)250100600

4000.95experiment(Const Vin)

600

0efficiency [-]

20800

300

1efficiency [-]input current Iin[A]251000distance x[mm]30distance x[mm]output power PL[W]00.85(a)500

353001000

1200

200

Using coil parameters(c) Using coil parameters
at 0 mmat 300 mm
Fig.12 Input and output wave of parallel SS topology(Experiment)
35

1ON2OFF
1ON2ON

1400

1500

0Time[s]40

input current Iin[A]01ON2OFF1ON2ON40

output power PL[W]-100

Voltage[V]0Current[A]200Voltage[V]

100

1600

200060VinIin
VL

100

Current[A]40output power PL[W]150VinIin
VL2000050100150200250300

distance x[mm]Using coil parameters(b) Using coil parametersat 0mmat 300mm
Fig.17 Transition of power factor in SS topology and parallel SS
topology (Experiment)

ルパラメータで決めた時の出力電力より，x = 300mm 地点のコ
3.実験結果3.1 各部電圧電流特性

イルパラメータで決めた時の出力電力の方が大きい。その理由としては，前者は二次側コイルから見て，x = 600mm 地点にTable 1 のパラメータを用いて，給電実験を行った。Fig.12 にある一次側コイル L2 側から発生する磁束が大きいものの，二二次側コイルが x = 300mm 地点にある時の入力電圧・電流，次側コイルが受け取る磁束はそれほど多くないためである。

出力電圧波形を示す。x = 300mm 地点のコイルパラメータで決それに対し，後者はそれぞれの一次側コイルにほぼ均等の大めた補償コンデンサを使用した時は，x = 0mm 地点のコイルパきさの電流が流れるため，二次側コイルが受け取る磁束は前ラメータのものより力率が良い。これは，見かけ上の一次側コ者の場合と比較すれば多くなる。

イルのパラメータが大きく変化しており，補償コンデンサ値の差がわずかでも，回路全体には大きな影響を与える。

3.2 並列 SS 方式としての駆動可能範囲の検討

また，Fig.13 に給電時の並列 SS 方式の入力電流を，Fig.14

並列 SS 方式は回路特性上，SS 方式と切換えを行いながら駆に出力電力をそれぞれ示す。Fig.13(a)から x = 0mm 地点のコイ動させる必要がある。本研究では，一次側コイルにスイッチをルパラメータで決めた時，単調に減少している。これは，L1 側挿入した場合を想定して，x = 0 ~ 300mm 地点まで，一次側コから L2 側に向かうにつれ，本来合わせていたコンデンサ値とイルを単体駆動させたときの出力電力，トランス間効率，総合コイルパラメータに差が生じるためで，本来なら L2 側より L1入力力率について，入力電圧一定で測定を行った。また，これ側に電流が多く流れるものの，力率が低下し全体的および L1らの推移を比較して，並列 SS 方式で駆動できる範囲とその判側に流れる電流も小さくなるためと考えられる。x = 300mm 地定法を実用的観点から検討する。SS 方式と並列 SS 方式の出点のコイルパラメータで決めた Fig.13(b)では，Fig.5 に示すコ力電力の推移を Fig.15 に，トランス間効率を Fig.16 に，総合イル形状の非対称性による影響はあるものの，Fig.13(a)より位入力力率を Fig.17 にそれぞれ示す。但し，図中の線は二次関置による入力電流の変化は少ない。

数を最小二乗法によってフィッティングさせた補間線である。

Fig.14 より，出力電力は x = 300mm 地点の一次側コイル同出力電力は補間線の交点がないため，回路を切替えるパラメ士の中間部で最大値を迎える。
これは出力電力を決める M13 とータとしては扱いにくい。補間線の交点があるのは，トランスM23 の和が最小になるからである。但し，x = 0mm 地点のコイ間効率と総合入力力率である。但し，トランス間効率は出力電公益社団法人自動車技術会

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3

力を車載側から通信して参照しなければならない。総合入力

2500

0.9
0.8efficiency [-]回路切替えに有利であると考えられる。

1ON2OFF
1ON2ON
1ON2OFF 2Vin

3000

output power PL[W]

力率は電源側のみの情報を参照すれば良いため，微小時間の13500

2000
1500
1000

3.4 単独 SS 方式駆動時の出力電力を増加した場合いことを提案した。しかし，SS 方式の出力電力は，並列 SS 方式駆動時の出力電力と比較して小さい。これを解決する手段として SS 方式駆動時の入力電圧を上げ，並列 SS 方式駆動時は入力電圧を下げる方法である。これにより，SS 方式駆動時のトランス間効率や総合入力力率の低下を抑えつつ，出力電力を上げることができる。そこで本研究では，SS 方式で駆動している時の入力電圧を並列 SS 方式で駆動している時の 2 倍程度に引き上げた際の出力電力とトランス間効率，総合入力

0.5
0.40.3
1ON2OFF
1ON2ON
1ON2OFF 2Vin

0.10501001502002500300

distance x[mm]050100150200250300

distance x[mm]Fig.18 Output power in double
input voltage during singledrive

Fig.19 Efficiency in double input
voltage during single drive

10.90.8

power factor pf[-]

前節で回路の切替えの判定は総合入力力率を参照すれば良0.60.2

50000.70.70.60.50.40.3
1ON2OFF
1ON2ON
1ON2OFF 2Vin

0.20.10050100150200250300

distance x[mm]Fig.20 Power factor in double
input voltage during single
drive

力率について測定を行った。その時の出力電力とトランス間効率，総合入力力率を Fig.18，19，20 にそれぞれ示す。尚，測定は x=0~200mm 地点のみ測定した。コンデンサは x = 300mmて検討を行う予定である。

地点のコイルパラメータを用いて，(2)式から決定した。また，
参考文献

図中の線は二次関数を最小二乗法によってフィッティングさせた補間線である。Fig.18 から入力電圧を 2 倍にすると出力[1] 阿部茂，”EV・PHEV 用非接触給電の技術動向”，電学誌，電力が増加することが分かる。しかし，定電圧入力のため，二Vol. 133，No. 1，pp. 25–27 (2013).

次側コイルが移動すると，出力電力が際なく上がってしまう。

[2] T. Fujita at el., “A Dynamic Wireless Power Transfer System

これを解決するには，一次側コイルを単体で駆動する SS 方式

Applicable to a Stationary System,” IEEE Trans. Ind. Electron., Vol.

では，定電流入力で駆動するという方法が考えられる。この時，53, No. 4, pp. 3748–3757 (2017).

二次側コイルが移動した場合，回路全体の入力アドミタンス[3] T. Fujita at el., “A Study of Dynamic Wireless Power Transfer

は 0 に向かうため，並列 SS 方式で駆動した場合の出力電力の交点を得ることができる。また，Fig.19，20 から入力電圧を 2

System Based on Parallel-Series Resonant Topology -Bench Test andReal Car Test-,” in Proc. EVS31, 20189178 (2018).

倍にしてもトランス間効率や総合入力力率は，入力電圧を引[4] K. Hata at el., “Design and Implementation of Sensorless Vehicle

き上げなかった場合と比較してもほぼ変化ない。そのため，前Detection System for In-motion Wireless Power Transfer,” in Proc.

節での回路の切替えに関する議論はそのまま適用可能と考え

EVS31, 20189289 (2018).

られる。

[5] H. Uno at el., “Analysis of Circuit for Dynamic Wireless Power
Transfer by Stepping Stone System” in Proc. EVS31, 20189177
4. まとめ(2018).

本研究は走行中非接触給電への応用が期待される並列 SS方式について基本的な検討を行った。各部電流電圧特性はコンデンサ決定法やコイルパラメータによりその推移が大きく変わることを示した。一次側コイル切替えは総合入力力率によって行うことを提案した。また，SS 方式駆動時は入力電圧を並列 SS 方式の 2 倍程度に引き上げることによって，トランス間効率や総合入力力率の低下を殆ど起こすことなく，出力電力を引き上げられることを確認した。二次側コイルが静止した状態においては，回路切替えは総合入力力率を参照し，一次側コイルが単体駆動している時(SS 方式駆動時)は，一次側コイルが二つ駆動している時(並列 SS 方式駆動時)より入力電圧を引き上げることで，出力電力の変動を小さくすることができる。今後は，模擬走行装置を用いた実験を行い，二次側コイルを停止した場合の結果とどの程度の差が生じるかについ

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