4-205

平成 24 年電気学会全国大会

電気自動車用非接触給電トランスの長ギャップ化
亨耶＊，高梨 浩也，金子佐藤保田

富夫（（株）テクノバ），鈴木裕良，阿部茂（埼玉大学）

明（アイシン・エィ・ダブリュ（株））

A Large Air Gap Transformer of Contactless Power Transfer System for Electric Vehicle
Yukiya Sato＊, Hiroya Takanashi, Yasuyoshi Kaneko, Shigeru Abe (Saitama University)
Tomio Yasuda(Technova Inc), Akira Suzuki(AISIN AW CO.,LTD.)

1. はじめに

VIN IIN
VDC IDC

電気自動車の非接触給電では，地上（一次側）コイルとRegulated DC
Power Supply

車載（二次側）コイルとの間に，車の最低地上高程度の大I2V1V2 ID

VL IL

CS1++CPCS2RL+きなエアギャップが必要となる。我々は設置容易性から，地上コイルは地表置きで標準ギャップ長は 70mm 程度で良P1

図1いと考えてきた。しかし一次コイルを地中に埋設する用途

POUT

P2

非接触給電システム

Fig.1. Contactless power transfer system.

では，車の最低地上高程度のギャップ長が求められる。今V IN ' II N ' V 1 '回標準ギャップ長を 160mm で給電効率＞92%の長ギャップトランスを試作したところ，ギャップ長 200mm でも給電効

I2 V2 ID率＞90%の性能が得られた。試作トランスの設計方法と給電-jx S 'r 1'

jx 1 '
jx0 '実験結果について報告する。

r 0'

jx 2

r2-jx P

RLI0'

2. 非接触給電システム

図2

詳細等価回路Fig.2. Detailed equivalent circuit.

一次直列二次並列コンデンサ方式の非接触給電システムの構成を図 1 に示す。高周波電源にはフルブリッジインバータ，二次側整流器には倍電圧整流回路を用いた。直列及び並列共振コンデンサ C’S, CP と整流回路，抵抗負荷 RL をFerrite core加えた詳細等価回路を図 2 に示す。なお，巻数比を a=N1/N2とし，一次側諸量は二次側に換算し’（ダッシュ）をつけてWinding表す。C’S,CP の値を(1)式の値に選び，電源周波数において

xw

yunit : mmx0’, x1’, x2 に比べ十分小さい r0’, r1’, r2 を無視すると，詳細等価回路は(2)式のような巻数比 b の理想変圧器と等価になる。
b は結合係数 k とほぼ等しい。銅損のみを考慮すると，トランスの最大給電効率 ηmax とその時の抵抗負荷の値 RLmax は(3)式で表される。

1

 0C P

 x P  x0  x 2 ，VIN  bV 2 , max Al sheet  ID b ,I IN

12r
1 2xP

2012/3/21～23

1

 0 C S x S  x1 b

x 0 x 2.... (1)x 0  x 2

1

図3Fig.3. 3kW Transformer’s dimension.

x0 k ............... (2)x0  x 2

表1
Table 1.

トランスの仕様Transformer’s specification.

Weight of the secondary
Primary
Winding
Secondary1 r

1
 1 ...... (3)1 r1
， RLmax  x P2
1rb2
2
b r2-346広島

3kW トランスの寸法( 第 4 分冊 )

5.5kg
20T
4T

©2012 IEE Japan

4-205平成 24 年電気学会全国大会

VIN[V], V2[V], L2[H]300
 (w=150mm)

94 (w=190mm)

92

今回試作

 (w=230mm)
max(w=150mm)

90max(w=190mm)

88

今回試作

11.5

max(w=230mm)

2

図4200
150

VIN

100k 1

50

L2140
図5

ギャップ長とコイル幅0200180

ギャップ長変動特性

POUT[W]gap[mm]

x[mm]
y[mm]
VIN[V]
V1[V]
V2[V]

3000

160
0200

1000002000217

168

162167501

621676643

213

213

213

213

VL[V]

547547547

547?[%]

92.9

90.1

88.9

90.0

VIN

100k50L250x[mm]2502.521.510.5

VIN[V], V2[V], L2[H]

V23
POUT[kW], , k ×10

VIN[V], V2[V], L2[H]

POUT

150

000.5

給電実験結果Table 2. Experimental results.

0with change in air gap.

and gap length specification.
200160gap [mm]1.5

Fig.5. Transformer parameters

Fig.4. Relationship between the winding
250

2.5

V2 20120

2.5Winding w／Magnetic gap

250

表23POUT

200

V2150

VIN

100k
L2000100

図650

位置ずれ特性（gap=160mm）

100y [mm]2.521.5150

31500.5

POUT[kW], , k ×10

Efficiency[%]

96

POUT

POUT[kW], , k ×1098

0200Fig.6. Transformer parameters with change in position.

3. 長ギャップトランスの設計〈3･1〉コイル幅の決定

4. 実験結果

トランス効率は図 3 に示すコ〈4･1〉実験回路

図 1 の回路で実験を行った。電源周イル幅 w とギャップ長の比で推定できる。図 4 にこれまで

波数は 50kHz で，倍電圧整流器を用い，抵抗負荷は 100Ω とに試作したコイル幅 150mm と 190mm のトランスの，（コイした。各コンデンサの値はトランスの諸定数(1)から決定し，ル幅／ギャップ長）による理論最大給電効率 ηmax と実験効

3kW 給電実験に用いた。
〈4･2〉ギャップ長変動特性率 η の変化を示す。これよりコイル幅が異なるトランスでギャップ長を 160±40mmも実験効率 η はほぼ同じ曲線上を変化することが分かる。としたときのギャップ長変動特性を図 4，図 5 と表 2 に示す。

この関係を用いて標準ギャップ長 160mm とするコイル幅

ギャップ長 160mm でのトランス効率は 92.9%となり，ギャを決定する。従来のトランスは標準ギャップ長 70mm の条ップ長 200mm でも 90％の高い効率を達成できた。また図 4件においてコンダクティブ方式と同等の性能を達成するたより今回試作したトランスの特性が，従来のトランスと同め，インバータとトランス，整流器をすべて含めた総合効様のギャップ長変動特性(1)であることが確認できた。
〈4･3〉位置ずれ特性

率 90％以上を目標とし，トランス効率の目標を 96％としてx 方向±100mm，y 方向±200mmきた。しかし，長ギャップ化して同等のトランス効率を達の位置ずれ特性を図 6 と表 2 に示す。x 方向の位置ずれでの成しようとすると，図 4 よりギャップ長の約 2 倍のコイル

平均効率は 91.9％，y 方向の位置ずれでの平均効率は 91.5％

幅が必要となる。二次側コイルは車載を考慮すると小型でとなり，位置ずれ特性も従来のトランスと同程度(1)の長ギャあることが望ましい。よって，標準ギャップ長 160mm ではップ給電トランス実現の見通しが得られた。

トランス効率 92%を目標にすると，（コイル幅／ギャップ5. まとめ長）は約 1.4 となるためコイル幅を 230mm に設定した。
長ギャップ用ト

トランス効率が（コイル幅／ギャップ長）で決まる特性

ランスの仕様を図 3 と表 1 に示す。巻数比を決定する際に，と，巻数比は結合係数の逆数に選ぶと一次二次の電圧がほ(2)式を用いて，k の逆数を巻数比として設計した。こうするぼ同一になる特性に着目して，長ギャップトランスを設ことで入力電圧 VIN と出力電圧 V2 をほぼ等しくすることが計・試作した。給電実験の結果，ギャップ長 160mm で効率できる。今回の長ギャップ用トランスの k は，160mm で約92%以上，200mm で効率 90%以上の特性であることを確認

0.18 であるので，巻数比を 20:4 の 5 に変更し，k の低下にした。

〈3･2〉長ギャップ用トランスの仕様

より V2 が過大にならないようにした。また長ギャップ化により一次端子電圧 V1 が過大になるのを防ぐため，一次側の文コンデンサを二分割にしている。

献(１) 高梨，山中，千明，金子，阿部，保田，鈴木：電気学会産業応用部
門大会講演論文集,2-12,pp.Ⅱ413-Ⅱ416,(2011)2012/3/21～23-347広島( 第 4 分冊 )©2012 IEE Japan