非接触給電装置
【課題】一次コイルの端子間電圧の上昇を抑える非接触給電装置を提供する。
【解決手段】一次コイルと、一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、二次コイルと、二次コイル４２に並列接続された並列コンデンサ４８と、を有し、一次コイルと二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流が流れる一次コイルから二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、一次コイルが複数の一次部分コイル５３１、５３２に分割され、直列コンデンサが複数の直列部分コンデンサ５４１、５４２に分割され、一次部分コイルと直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする。一次コイル及び直列コンデンサを、例えば二分割して、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続した場合、それらを分割しないときに比べて、一次コイルの端子間電圧は１／２になり、また、分割数を３にすれば、１／３になる。
【解決手段】一次コイルと、一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、二次コイルと、二次コイル４２に並列接続された並列コンデンサ４８と、を有し、一次コイルと二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流が流れる一次コイルから二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、一次コイルが複数の一次部分コイル５３１、５３２に分割され、直列コンデンサが複数の直列部分コンデンサ５４１、５４２に分割され、一次部分コイルと直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする。一次コイル及び直列コンデンサを、例えば二分割して、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続した場合、それらを分割しないときに比べて、一次コイルの端子間電圧は１／２になり、また、分割数を３にすれば、１／３になる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電装置に関し、地上に設置される給電トランスの一次コイルの端子間電圧が高電圧になるのを防ぐとともに、一次側装置の低コスト化と高効率化を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触給電装置は、一次コイルと二次コイルとの間の電磁誘導を利用して一次コイルから二次コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、下記特許文献１に記載されているように、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池の充電に利用することができ、この車両充電用の非接触給電装置に対する需要は、今後、拡大するものと見られている。
車両充電時には、図１４に示すように、二次コイル８を下面に搭載した自動車が、地面に設置された一次コイル９の真上に二次コイル８を位置させて停車し、非接触給電が行われる。この一次コイル９、二次コイル８は、コアの一面に、渦巻状に巻回された電線を配置して構成されている。
【０００３】
非接触給電装置の一次コイル９及び二次コイル８は、基本的にギャップのあるトランスの一次、二次コイルであり、電磁誘導を利用し、数ｍｍから数ｃｍのギャップを隔てて数ｋＷ〜数十ｋＷの電力が給電される。
しかし、ギャップ長が大きいため、コイル間の結合係数が低く、大きな漏れインダクタンスが生じる。その対策として、電源周波数を１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚに設定して二次コイルでの誘起電圧を上げ、また、一次コイル及び二次コイルにコンデンサを接続して漏れインダクタンスを補償することが行われている。
【０００４】
漏れインダクタンス補償用のコンデンサの配置には、図１５（ａ）に示す、一次側に直列コンデンサを配置し、二次側に並列コンデンサを配置するＳＰ方式、図１５（ｂ）に示す、一次側及び二次側に並列コンデンサを配置するＰＰ方式、図１５（ｃ）に示す、一次側に並列コンデンサを配置し、二次側に直列コンデンサを配置するＰＳ方式、及び、図１５（ｄ）に示す、一次側及び二次側に直列コンデンサを配置するＳＳ方式が知られている。
【０００５】
この中のＳＰ方式は、両コンデンサの値を適切に選ぶと理想変圧器特性が成り立つことが知られており（下記非特許文献１）、この理想変圧器特性を利用して、次のような優れた性能を持つ非接触給電装置を得ることができる。
（１）電源の小型化が可能である（負荷に依らず電源出力の力率を１にできるため）。
（２）電源の効率向上が可能である（電源出力の電圧と電流が同位相になりゼロ電流スイッチングが可能なため）。
（３）コンデンサの値は負荷に依らず、トランス定数だけで決まる。
（４）電源を定電圧／定電流制御すれば負荷も定電圧／定電流になる。
（５）給電効率の向上が可能である（簡単な効率の理論式を用いて送受電トランスの最適設計や最大効率運転が可能となる）。
そのため、車両充電用の非接触給電装置に対しても、ＳＰ方式の適用は、多くの利点をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８８８８９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】藤田・金子・阿部：「直列および並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」，電学論 D，Vol.127，No.2 pp.174-180 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
車両充電では、充電時間の短縮化が求められており、それに応えるには、車両充電用非接触給電装置の給電電力を増やす必要がある。
しかし、ＳＰ方式（一次直列二次並列コンデンサ方式）の非接触給電装置は、給電電力が増えて一次電流が大きくなると、一次コイルの端子間電圧も大きくなる特性を有している。
そのため、給電電力の増加に伴い、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧が過大（例えば１０００Ｖ以上）になり、一次コイル及び直列コンデンサへの高電圧対策が必要になる。
また、非接触給電装置を使用する車両充電がさらに普及するためには、装置の一層の低コスト化と高効率化が求められる。
【０００９】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、一次コイルや直列コンデンサの端子間電圧の上昇を抑えることができ、また、一次側装置の低コスト化と高効率化を図ることができる非接触給電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、前記一次コイルが複数の一次部分コイルに分割され、前記直列コンデンサが少なくとも前記一次部分コイルと同数の直列部分コンデンサに分割され、前記一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする。
一次コイル及び直列コンデンサを、例えば二分割して、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続した場合、それらを分割しないときに比べて、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧は約１／２になり、また、分割数を３にすれば、約１／３になる。
【００１１】
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ1、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ2、前記一次コイルと前記二次コイルとの相互インダクタンスをＭ、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、前記並列コンデンサＣpの値を、
Ｃp＝１／（ω02×Ｌ2）
とし、前記直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の合成直列容量Ｃs（＝１／（Σ（１／Ｃsi））を、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
とすることが望ましい。
このように一次直列コンデンサ及び二次並列コンデンサの値を設定することにより、理想変圧器特性が成り立つ。
【００１２】
また、本発明の非接触給電装置は、Ｃsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値がほぼ等しくなるように設定することが望ましい。
Ｃsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値が全て等しいとき、一次コイルの端子間電圧は最も小さくなる。
【００１３】
また、本発明は、第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、前記一次コイルが、並列接続された複数の並列一次コイルから成ることを特徴とする。
一次コイルを並列化（例えば、３つに並列化）することにより、後述する交流電源の多重化を行う場合に（電流均一化のための）外部リアクトルを設置するする必要がなくなり、電源を含む一次側装置の低コスト化、高効率化、小型化が可能になる。
【００１４】
また、本発明の非接触給電装置では、並列接続された複数の前記並列一次コイルの各々に交流を供給する交流電源を、前記並列一次コイルに相当する数の出力が可能なハーフブリッジ回路で構成すれば、フルブリッジ回路で構成する場合に比べ、交流電源の効率向上や低コスト化を図ることができる。このように交流電源を複数の小容量電源で並列駆動する方式は一般に電源の多重化と呼ばれる。
この交流電源をハーフブリッジ回路で構成する場合は、産業用に大量に使われているインバータ用のＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）の機能を有効に利用することができ、それによって非接触給電装置の低コスト化を図ることができる。
【００１５】
また、本発明の非接触給電装置では、並列接続された複数の並列一次コイルの各々を複数の一次部分コイルに分割し、この一次部分コイルを並列接続した並列一次部分コイルの複数個で一次コイルを形成し、前記直列コンデンサを少なくとも前記並列一次部分コイルの個数と同数の直列部分コンデンサに分割し、前記並列一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとを交互に直列接続することが望ましい。
こうすることで、並列一次コイルの端子間電圧を低減することができる。
【００１６】
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次コイルを地上に設置し、前記二次コイルを車両の下面に設置して、電気自動車やプラグインハイブリッド車などの充電に用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の非接触給電装置は、一次コイル及び直列コンデンサの分散配置により、一次コイルや直列コンデンサの端子間電圧を低く抑えることができ、絶縁設計の負担が軽減され、装置の小型化や低コスト化が可能になる。
また、一次コイルの並列化により、交流電源の低コスト化及び効率改善を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る車両充電用非接触給電装置の全体形状を示す図
【図２】図１の一次コイル及び二次コイルを示す図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置の回路構成を示す図
【図４】比較用の非接触給電装置の回路構成を示す図
【図５】図４の装置の電圧測定結果を示す図
【図６】図３の装置の電圧測定結果を示す図
【図７】電源の電圧ＶIN及び電流ＩINの波形を示す図
【図８】図４の装置の電圧ベクトル図を示す図
【図９】図３の装置の電圧ベクトル図を示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置の回路構成を示す図
【図１１】図１０の並列一次コイルの一本の回路構成を示す図
【図１２】図１０の直列コンデンサを一個に集約した回路構成を示す図
【図１３】図１２の並列一次コイルを分割して分散配置した状態の回路構成を示す図
【図１４】従来の車両充電用非接触給電装置を示す図
【図１５】非接触給電装置のコンデンサ接続方式を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の非接触給電装置をプラグインハイブリッド車の充電に用いた実施形態を示している。
充電を受けるプラグインハイブリッド車４０は、エンジン４７とともにモータ４６を駆動源として搭載し、モータ４６用の電源である二次電池４４と、二次電池４４の直流を交流に変換してモータ４６に供給するインバータ４５と、二次電池４４の充電回路４３と、非接触給電装置の二次コイル４２とを備えている。二次コイル４２は車体の床面の外側に設置され、二次コイル４２と床面との間には電磁遮蔽のための金属板４１が設置されている。また、二次コイル４２には、並列コンデンサ４８が接続されている。
【００２０】
一方、給電ステーション側（地上側）は、商用周波数の交流電源５０と、この交流を直流に変換し、さらに高周波交流を生成するインバータ５１と、非接触給電装置の一次コイル５３とを備えている。一次コイル５３と地表との間には電磁遮蔽のため金属板５２が設置され、また、一次コイル５３には、直列コンデンサ５４が接続されている。
なお、一次コイル５３及び直列コンデンサ５４の詳細は、後述する。
運転者は、二次コイル４２が一次コイル５３の真上に来るように車両４０を停止させて、二次電池４４への給電を開始する。
【００２１】
インバータ５１は、１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの高周波交流を生成して一次コイル５３に出力する。一次コイル５３及び二次コイル４２は、図２に示すように、コアに電線を巻回して構成されている。ここでは、電源（インバータ５１）から送られる交流の周波数が高いため、コアにフェライトを使用し、電線として、表皮効果による巻線抵抗の増大を防ぐためにリッツ線（絶縁被覆された細線を束ねた線）を用いている。
【００２２】
（第１の実施形態）
図３は、この非接触給電装置の回路構成に関する第１の実施形態を示している。一次コイル５３は、二つの部分５３１、５３２に分割され、直列コンデンサ５４も５４１、５４２の二つに分割されている。ここでは、一次コイル５３の分割された各部分を「一次部分コイル」５３１、５３２と呼び、直列コンデンサ５４の分割された各部分を「直列部分コンデンサ」５４１、５４２と呼ぶことにする。
【００２３】
一次部分コイル５３１及び一次部分コイル５３２の巻数は略同一に設定し、直列部分コンデンサ５４１及び直列部分コンデンサ５４２の容量は略同一に設定している。そして、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続している。
インバータ５１は、商用電源５０の交流を直流に変換した後、高周波の方形波を生成し、直列接続された一次部分コイル５３１、５３２及び直列部分コンデンサ５４１、５４２に出力する。
非接触給電装置の二次側は、二次コイル４２と、二次コイル４２に並列接続された並列コンデンサ４８と、二次コイル４２が受電した交流を整流して二次電池４４に出力する充電回路４３とを備えている。
なお、図４には、本発明と比較するため、分割しない状態の一次コイル５３及び直列コンデンサ５４を配置した回路構成を示している。
【００２４】
ＳＰ方式の非接触給電装置では、理想変圧器特性を保つために、図３、図４の並列コンデンサ４８の値を二次コイル４２と共振するように設定する。即ち、二次コイル４２の自己インダクタンスをＬ2、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、並列コンデンサ４８の値Ｃpは、
Ｃp＝１／（ω02×Ｌ2）
と設定する。
【００２５】
また、図４の直列コンデンサ５４の値Ｃsは、一次コイル５３の自己インダクタンスをＬ1、二次コイル４２の自己インダクタンスをＬ2、一次コイル５３と二次コイル４２との相互インダクタンスをＭ、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、
Ｃs＝１／｛ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2）｝
に設定する。
直列コンデンサを分割配置した図３の場合は、値Ｃs1の直列部分コンデンサ５４１と、値Ｃs2の直列部分コンデンサ５４２との合成直列容量Ｃs（＝１／｛（１／Ｃs1）＋（１／Ｃs2）｝）を、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
に設定する。
【００２６】
図５は、図４に相当する、直列コンデンサを集中配置した回路の電圧測定結果を示し、図６は、直列コンデンサを分散配置した図３の回路の電圧測定結果を示している。
図７には、これらの回路にインバータ５１から入力する電圧ＶIN及び電流ＩINの波形を示している。電圧ＶINの実効値は１１１Ｖであり、電流ＩINの実効値は２３．０Ａであった。
直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2を集中配置した図５では、直列部分コンデンサＣs1の端子間電圧ＶCs1、直列部分コンデンサＣs2の端子間電圧ＶCs2、直列接続された直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2の両端間の電圧ＶCs、一次部分コイル５３１の端子間電圧Ｖ11、一次部分コイル５３２の端子間電圧Ｖ12、並びに、直列接続された一次部分コイル５３１及び一次部分コイル５３２の両端間の電圧Ｖ1に関する波形と実効値とを示している。
【００２７】
また、直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2を分散配置した図６では、直列部分コンデンサＣs1の端子間電圧ＶCs1、直列部分コンデンサＣs2の端子間電圧ＶCs2、一次部分コイル５３１の端子間電圧Ｖ11、一次部分コイル５３２の端子間電圧Ｖ12、並びに、直列部分コンデンサＣs1を挟んで直列接続された一次部分コイル５３１及び一次部分コイル５３２の両端間の電圧Ｖ1に関する波形と実効値とを示している。
一次コイルの端子間電圧を示す電圧Ｖ1を図５と図６とで比較すると、一次コイルを分散配置した図６では、その値が約１／２に低下していることが分かる。
また、直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2を集中配置した図５の回路における電圧ＶCS（実際の回路では、Ｃs1及びＣs2が一つのコンデンサで実現され、その端子間電圧はＶCSとなる。）と図６の電圧ＶCS1、ＶCS2とを比較すると、直列コンデンサを分散配置した図６では、その値が約１／２に低下していることが分かる。
【００２８】
また、図８は、一次コイル及び直列コンデンサを集中配置した回路の電圧のベクトル図を示し、図９は、一次コイル及び直列コンデンサを分散配置した回路の電圧のベクトル図を示している。図８及び図９には、図５及び図６の測定結果を併せて示している。
一次コイル及び直列コンデンサを集中配置した図８のベクトル図では、インバータ電源の出力電圧ＶINを示すベクトルＡＢに対して、直列コンデンサ（Ｃs1＋Ｃs2）の両端間の電圧ＶCSを表すベクトルＢＣの向きは９０°進んでおり、一次コイルの端子間電圧Ｖ1はベクトルＡＣで表されることが分かる。
一方、一次コイル及び直列コンデンサを分散配置した図９のベクトル図では、インバータ電源の出力電圧ＶINを示すベクトルＡＢは、大きさと方向が同じベクトルＡＤとベクトルＤＢの和で表される。図８と同様に、コンデンサＣs1の両端間の電圧ＶCS1を表すベクトルＤＣ1の向きは、ベクトルＡＤに対して９０°進んでおり、ＡＣ1間の一次部分コイルの端子間電圧Ｖ11はベクトルＡＣ1で表される。コンデンサＣs2の両端間の電圧を表すベクトルＢＣ2の向きは、ベクトルＤＢに対して９０°進んでおり、ＤＣ2間の一次部分コイルの端子間電圧Ｖ12はベクトルＤＣ2で表される。その結果、コンデンサＣS1を挟んで直列接続された二つの一次部分コイルの端子間電圧Ｖ1はベクトルＡＣ2で表されることが分かる。
このベクトル図から明らかなように、一次コイル及び直列コンデンサを分散配置することにより、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧が低減できる。
【００２９】
このように、一次コイルを複数の一次部分コイルに分割し、直列コンデンサを複数の直列部分コンデンサに分割し、その一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続することにより、一次コイルの端子間電圧を低減させることができる。
なお、一次コイル及び直列コンデンサを複数に分割して交互に配置しても、一次コイルに流れる電流は変わらず、また、二次側への給電電力も変わらない。図８及び図９では、充電回路４３の中の整流回路からの出力直流電圧をＶLとして示している。
【００３０】
また、図９から分かるように、ベクトルＡＣ2は、直列部分コンデンサＣs1に相当するベクトル成分Ｃ1Ｄ、及び、直列部分コンデンサＣs2に相当するベクトル成分ＢＣ2が等しいときに最も小さくなる。従って、一次コイルの端子間電圧を減らすためには、直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2の容量値を等しく設定することが望ましい。
【００３１】
なお、ここでは、一次コイル及び直列コンデンサを二つに分割する例を説明したが、分割数は、３以上であっても良い。分割数を３にすれば、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧は約１／３になり、分割数をＮ個にすれば、約１／Ｎになる。分割数がＮ個の場合、理想変圧器特性を保つために、直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の合成直列容量Ｃs（＝１／（Σ（１／Ｃsi））は、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
となるように設定する。また、直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値は、全て等しいことが望ましい。
【００３２】
また、ここでは、一次コイル及び直列コンデンサを同数に分割して、それらを交互に直列接続する例を説明したが、直列コンデンサの分割数を一次コイルの分割数より１つ多くして、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続した両端に直列部分コンデンサが配置されるようにしても良い。
また、ここでは、フェライトコアにリッツ線を巻回して一次コイル及び二次コイルを形成する例を説明したが、本願発明は、それだけに限定されない。特許文献１に記載されているように、コアの一面に電線を巻回したコイルを用いても良い。
【００３３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、高周波電源の低コスト化を可能にする非接触給電装置の回路構成について説明する。
図１０は、非接触給電装置の第２の実施形態に係る回路構成を示している。
この回路は、三並列のハーフブリッジインバータとして動作するインバータ７１と、インバータ７１から高周波交流が出力される、三並列化された一次コイル（「並列一次コイル」と呼ぶ。）６１、６２、６３とを有している。
なお、二次側の回路構成は第１の実施形態（図３）と変わりがない。
【００３４】
図１１では、並列一次コイルとインバータ７１との接続関係を説明するため、その１本の並列一次コイル６１とインバータ７１との接続関係を示している。
図１１に示すように、インバータ７１は、１本の並列一次コイル６１に対し、ハーフブリッジインバータとして動作し、二つのスイッチング素子を交互にオン・オフさせて高周波交流を並列一次コイル６１に出力する。
図１０では直列コンデンサを並列一次コイル毎に３個配置しているが、図１２のように１個にまとめることが可能で、製作や調整が簡単になることから実用上有利である。
インバータ７１は、図１０、図１２に示すように、三段のハーフブリッジ機能を有しており、各段から並列一次コイル６１、６２、６３のそれぞれに同じ位相の高周波交流が出力される。
【００３５】
このインバータ７１は、産業用に大量に使われているインバータ用のＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）を用いて構成することができる。このＩＰＭは、インバータを構成する主回路の他に、その駆動回路や自己保護回路などが組み込まれてワンパッケージ化されており、三相出力が標準となっている。
そのため、一次コイルを並列一次コイル６１、６２、６３に三並列化することで、ＩＰＭの三相出力能力を全て利用して一次コイルへの電力供給を行うことができる。
【００３６】
また、このようにインバータから三相出力が出力される場合、出力電流のアンバランスが問題になり、その対策として、通常、インバータの各出力にリアクトルを入れて調整が行われる。
しかし、この非接触給電装置の回路は、並列一次コイル６１、６２、６３を有しているため、並列一次コイル６１、６２、６３により、各相の電流アンバランスを調整することができ、リアクトルを設ける必要がない。
【００３７】
また、図１３は、この並列一次コイル６１、６２、６３の端子間電圧を低減させるための構成について示している。
並列化された一次コイル６１、６２、６３の各々は、二つの一次部分コイルに分割されている。
即ち、並列一次コイル６１は一次部分コイル６１１、６１２に分割され、並列一次コイル６２は一次部分コイル６２１、６２２に分割され、また、並列一次コイル６３は一次部分コイル６３１、６３２に分割されている。
また、一次部分コイル６１１、６２１、６３１は、並列接続されて並列一次部分コイル６４１を構成し、一次部分コイル６１２、６２２、６３２は、並列接続されて並列一次部分コイル６４２を構成している。
従って、並列一次部分コイル６４１、６４２は、直列部分コンデンサＣs1、Ｃs2と交互に直列接続されており、並列一次コイル及び直列コンデンサが分散配置されている。
【００３８】
このように、非接触給電装置の一次コイルを並列化することで、産業用に大量に使われているインバータ用ＩＰＭの機能を有効に活用して非接触給電装置の高周波電源を構成することができ、装置の低コストが可能になる。
なお、一次コイルがリッツ線で構成されている場合、リッツ線は絶縁被覆された細線を束ねた線であるため、例えば、９００本の細線を３００本ずつに束ねて、３本の並列一次コイルに分割することが容易である。
また、インバータをハーフブリッジとして動作させる場合は、電流が通過する半導体素子の数が少ない（フルブリッジの半分）ため、オン損失（通過損失）が減少し、インバータの効率が上がる。
【００３９】
また、直列コンデンサの挿入に伴う並列一次コイル６１、６２、６３の端子間電圧の高圧化は、図１３に示すように、並列一次コイルを複数の並列一次部分コイル６４１、６４２に分割し、直列コンデンサを複数の直列部分コンデンサＣs1、Ｃs2に分割し、その並列一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続することにより、低減させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の非接触給電装置は、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧を低く抑えることができるため、絶縁設計が容易であり、小型軽量化及び低コスト化を図ることができ、電気自動車、プラグインハイブリッド車、移動ロボットなど、停止した状態で給電を行う各種の固定型非接触給電に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
８ 二次コイル
９ 一次コイル
４０ プラグインハイブリッド車
４１ 金属板
４２ 二次コイル
４３ 充電回路
４４ 二次電池
４５ インバータ
４６ モータ
４７ エンジン
４８ 並列コンデンサ
５０ 商用電源
５１ インバータ
５２ 金属板
５３ 一次コイル
５４ 直列コンデンサ
６１ 並列一次コイル
６２ 並列一次コイル
６３ 並列一次コイル
７１ インバータ
５３１ 一次部分コイル
５３２ 一次部分コイル
５４１ 直列部分コンデンサ
５４２ 直列部分コンデンサ
６１１ 一次部分コイル
６１２ 一次部分コイル
６２１ 一次部分コイル
６２２ 一次部分コイル
６３１ 一次部分コイル
６３２ 一次部分コイル
６４１ 並列一次部分コイル
６４２ 並列一次部分コイル
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気自動車などの移動体に非接触で給電する非接触給電装置に関し、地上に設置される給電トランスの一次コイルの端子間電圧が高電圧になるのを防ぐとともに、一次側装置の低コスト化と高効率化を可能にするものである。
【背景技術】
【０００２】
非接触給電装置は、一次コイルと二次コイルとの間の電磁誘導を利用して一次コイルから二次コイルに電力を供給する。この非接触給電装置は、下記特許文献１に記載されているように、電気自動車やプラグインハイブリッド車に搭載された二次電池の充電に利用することができ、この車両充電用の非接触給電装置に対する需要は、今後、拡大するものと見られている。
車両充電時には、図１４に示すように、二次コイル８を下面に搭載した自動車が、地面に設置された一次コイル９の真上に二次コイル８を位置させて停車し、非接触給電が行われる。この一次コイル９、二次コイル８は、コアの一面に、渦巻状に巻回された電線を配置して構成されている。
【０００３】
非接触給電装置の一次コイル９及び二次コイル８は、基本的にギャップのあるトランスの一次、二次コイルであり、電磁誘導を利用し、数ｍｍから数ｃｍのギャップを隔てて数ｋＷ〜数十ｋＷの電力が給電される。
しかし、ギャップ長が大きいため、コイル間の結合係数が低く、大きな漏れインダクタンスが生じる。その対策として、電源周波数を１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚに設定して二次コイルでの誘起電圧を上げ、また、一次コイル及び二次コイルにコンデンサを接続して漏れインダクタンスを補償することが行われている。
【０００４】
漏れインダクタンス補償用のコンデンサの配置には、図１５（ａ）に示す、一次側に直列コンデンサを配置し、二次側に並列コンデンサを配置するＳＰ方式、図１５（ｂ）に示す、一次側及び二次側に並列コンデンサを配置するＰＰ方式、図１５（ｃ）に示す、一次側に並列コンデンサを配置し、二次側に直列コンデンサを配置するＰＳ方式、及び、図１５（ｄ）に示す、一次側及び二次側に直列コンデンサを配置するＳＳ方式が知られている。
【０００５】
この中のＳＰ方式は、両コンデンサの値を適切に選ぶと理想変圧器特性が成り立つことが知られており（下記非特許文献１）、この理想変圧器特性を利用して、次のような優れた性能を持つ非接触給電装置を得ることができる。
（１）電源の小型化が可能である（負荷に依らず電源出力の力率を１にできるため）。
（２）電源の効率向上が可能である（電源出力の電圧と電流が同位相になりゼロ電流スイッチングが可能なため）。
（３）コンデンサの値は負荷に依らず、トランス定数だけで決まる。
（４）電源を定電圧／定電流制御すれば負荷も定電圧／定電流になる。
（５）給電効率の向上が可能である（簡単な効率の理論式を用いて送受電トランスの最適設計や最大効率運転が可能となる）。
そのため、車両充電用の非接触給電装置に対しても、ＳＰ方式の適用は、多くの利点をもたらす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−２８８８８９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】藤田・金子・阿部：「直列および並列共振コンデンサを用いた非接触給電システム」，電学論 D，Vol.127，No.2 pp.174-180 (2007)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
車両充電では、充電時間の短縮化が求められており、それに応えるには、車両充電用非接触給電装置の給電電力を増やす必要がある。
しかし、ＳＰ方式（一次直列二次並列コンデンサ方式）の非接触給電装置は、給電電力が増えて一次電流が大きくなると、一次コイルの端子間電圧も大きくなる特性を有している。
そのため、給電電力の増加に伴い、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧が過大（例えば１０００Ｖ以上）になり、一次コイル及び直列コンデンサへの高電圧対策が必要になる。
また、非接触給電装置を使用する車両充電がさらに普及するためには、装置の一層の低コスト化と高効率化が求められる。
【０００９】
本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、一次コイルや直列コンデンサの端子間電圧の上昇を抑えることができ、また、一次側装置の低コスト化と高効率化を図ることができる非接触給電装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、前記一次コイルが複数の一次部分コイルに分割され、前記直列コンデンサが少なくとも前記一次部分コイルと同数の直列部分コンデンサに分割され、前記一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする。
一次コイル及び直列コンデンサを、例えば二分割して、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続した場合、それらを分割しないときに比べて、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧は約１／２になり、また、分割数を３にすれば、約１／３になる。
【００１１】
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ1、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ2、前記一次コイルと前記二次コイルとの相互インダクタンスをＭ、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、前記並列コンデンサＣpの値を、
Ｃp＝１／（ω02×Ｌ2）
とし、前記直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の合成直列容量Ｃs（＝１／（Σ（１／Ｃsi））を、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
とすることが望ましい。
このように一次直列コンデンサ及び二次並列コンデンサの値を設定することにより、理想変圧器特性が成り立つ。
【００１２】
また、本発明の非接触給電装置は、Ｃsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値がほぼ等しくなるように設定することが望ましい。
Ｃsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値が全て等しいとき、一次コイルの端子間電圧は最も小さくなる。
【００１３】
また、本発明は、第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、前記一次コイルが、並列接続された複数の並列一次コイルから成ることを特徴とする。
一次コイルを並列化（例えば、３つに並列化）することにより、後述する交流電源の多重化を行う場合に（電流均一化のための）外部リアクトルを設置するする必要がなくなり、電源を含む一次側装置の低コスト化、高効率化、小型化が可能になる。
【００１４】
また、本発明の非接触給電装置では、並列接続された複数の前記並列一次コイルの各々に交流を供給する交流電源を、前記並列一次コイルに相当する数の出力が可能なハーフブリッジ回路で構成すれば、フルブリッジ回路で構成する場合に比べ、交流電源の効率向上や低コスト化を図ることができる。このように交流電源を複数の小容量電源で並列駆動する方式は一般に電源の多重化と呼ばれる。
この交流電源をハーフブリッジ回路で構成する場合は、産業用に大量に使われているインバータ用のＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）の機能を有効に利用することができ、それによって非接触給電装置の低コスト化を図ることができる。
【００１５】
また、本発明の非接触給電装置では、並列接続された複数の並列一次コイルの各々を複数の一次部分コイルに分割し、この一次部分コイルを並列接続した並列一次部分コイルの複数個で一次コイルを形成し、前記直列コンデンサを少なくとも前記並列一次部分コイルの個数と同数の直列部分コンデンサに分割し、前記並列一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとを交互に直列接続することが望ましい。
こうすることで、並列一次コイルの端子間電圧を低減することができる。
【００１６】
また、本発明の非接触給電装置は、前記一次コイルを地上に設置し、前記二次コイルを車両の下面に設置して、電気自動車やプラグインハイブリッド車などの充電に用いることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の非接触給電装置は、一次コイル及び直列コンデンサの分散配置により、一次コイルや直列コンデンサの端子間電圧を低く抑えることができ、絶縁設計の負担が軽減され、装置の小型化や低コスト化が可能になる。
また、一次コイルの並列化により、交流電源の低コスト化及び効率改善を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施形態に係る車両充電用非接触給電装置の全体形状を示す図
【図２】図１の一次コイル及び二次コイルを示す図
【図３】本発明の第１の実施形態に係る非接触給電装置の回路構成を示す図
【図４】比較用の非接触給電装置の回路構成を示す図
【図５】図４の装置の電圧測定結果を示す図
【図６】図３の装置の電圧測定結果を示す図
【図７】電源の電圧ＶIN及び電流ＩINの波形を示す図
【図８】図４の装置の電圧ベクトル図を示す図
【図９】図３の装置の電圧ベクトル図を示す図
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る非接触給電装置の回路構成を示す図
【図１１】図１０の並列一次コイルの一本の回路構成を示す図
【図１２】図１０の直列コンデンサを一個に集約した回路構成を示す図
【図１３】図１２の並列一次コイルを分割して分散配置した状態の回路構成を示す図
【図１４】従来の車両充電用非接触給電装置を示す図
【図１５】非接触給電装置のコンデンサ接続方式を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１は、本発明の非接触給電装置をプラグインハイブリッド車の充電に用いた実施形態を示している。
充電を受けるプラグインハイブリッド車４０は、エンジン４７とともにモータ４６を駆動源として搭載し、モータ４６用の電源である二次電池４４と、二次電池４４の直流を交流に変換してモータ４６に供給するインバータ４５と、二次電池４４の充電回路４３と、非接触給電装置の二次コイル４２とを備えている。二次コイル４２は車体の床面の外側に設置され、二次コイル４２と床面との間には電磁遮蔽のための金属板４１が設置されている。また、二次コイル４２には、並列コンデンサ４８が接続されている。
【００２０】
一方、給電ステーション側（地上側）は、商用周波数の交流電源５０と、この交流を直流に変換し、さらに高周波交流を生成するインバータ５１と、非接触給電装置の一次コイル５３とを備えている。一次コイル５３と地表との間には電磁遮蔽のため金属板５２が設置され、また、一次コイル５３には、直列コンデンサ５４が接続されている。
なお、一次コイル５３及び直列コンデンサ５４の詳細は、後述する。
運転者は、二次コイル４２が一次コイル５３の真上に来るように車両４０を停止させて、二次電池４４への給電を開始する。
【００２１】
インバータ５１は、１０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの高周波交流を生成して一次コイル５３に出力する。一次コイル５３及び二次コイル４２は、図２に示すように、コアに電線を巻回して構成されている。ここでは、電源（インバータ５１）から送られる交流の周波数が高いため、コアにフェライトを使用し、電線として、表皮効果による巻線抵抗の増大を防ぐためにリッツ線（絶縁被覆された細線を束ねた線）を用いている。
【００２２】
（第１の実施形態）
図３は、この非接触給電装置の回路構成に関する第１の実施形態を示している。一次コイル５３は、二つの部分５３１、５３２に分割され、直列コンデンサ５４も５４１、５４２の二つに分割されている。ここでは、一次コイル５３の分割された各部分を「一次部分コイル」５３１、５３２と呼び、直列コンデンサ５４の分割された各部分を「直列部分コンデンサ」５４１、５４２と呼ぶことにする。
【００２３】
一次部分コイル５３１及び一次部分コイル５３２の巻数は略同一に設定し、直列部分コンデンサ５４１及び直列部分コンデンサ５４２の容量は略同一に設定している。そして、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続している。
インバータ５１は、商用電源５０の交流を直流に変換した後、高周波の方形波を生成し、直列接続された一次部分コイル５３１、５３２及び直列部分コンデンサ５４１、５４２に出力する。
非接触給電装置の二次側は、二次コイル４２と、二次コイル４２に並列接続された並列コンデンサ４８と、二次コイル４２が受電した交流を整流して二次電池４４に出力する充電回路４３とを備えている。
なお、図４には、本発明と比較するため、分割しない状態の一次コイル５３及び直列コンデンサ５４を配置した回路構成を示している。
【００２４】
ＳＰ方式の非接触給電装置では、理想変圧器特性を保つために、図３、図４の並列コンデンサ４８の値を二次コイル４２と共振するように設定する。即ち、二次コイル４２の自己インダクタンスをＬ2、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、並列コンデンサ４８の値Ｃpは、
Ｃp＝１／（ω02×Ｌ2）
と設定する。
【００２５】
また、図４の直列コンデンサ５４の値Ｃsは、一次コイル５３の自己インダクタンスをＬ1、二次コイル４２の自己インダクタンスをＬ2、一次コイル５３と二次コイル４２との相互インダクタンスをＭ、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、
Ｃs＝１／｛ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2）｝
に設定する。
直列コンデンサを分割配置した図３の場合は、値Ｃs1の直列部分コンデンサ５４１と、値Ｃs2の直列部分コンデンサ５４２との合成直列容量Ｃs（＝１／｛（１／Ｃs1）＋（１／Ｃs2）｝）を、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
に設定する。
【００２６】
図５は、図４に相当する、直列コンデンサを集中配置した回路の電圧測定結果を示し、図６は、直列コンデンサを分散配置した図３の回路の電圧測定結果を示している。
図７には、これらの回路にインバータ５１から入力する電圧ＶIN及び電流ＩINの波形を示している。電圧ＶINの実効値は１１１Ｖであり、電流ＩINの実効値は２３．０Ａであった。
直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2を集中配置した図５では、直列部分コンデンサＣs1の端子間電圧ＶCs1、直列部分コンデンサＣs2の端子間電圧ＶCs2、直列接続された直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2の両端間の電圧ＶCs、一次部分コイル５３１の端子間電圧Ｖ11、一次部分コイル５３２の端子間電圧Ｖ12、並びに、直列接続された一次部分コイル５３１及び一次部分コイル５３２の両端間の電圧Ｖ1に関する波形と実効値とを示している。
【００２７】
また、直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2を分散配置した図６では、直列部分コンデンサＣs1の端子間電圧ＶCs1、直列部分コンデンサＣs2の端子間電圧ＶCs2、一次部分コイル５３１の端子間電圧Ｖ11、一次部分コイル５３２の端子間電圧Ｖ12、並びに、直列部分コンデンサＣs1を挟んで直列接続された一次部分コイル５３１及び一次部分コイル５３２の両端間の電圧Ｖ1に関する波形と実効値とを示している。
一次コイルの端子間電圧を示す電圧Ｖ1を図５と図６とで比較すると、一次コイルを分散配置した図６では、その値が約１／２に低下していることが分かる。
また、直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2を集中配置した図５の回路における電圧ＶCS（実際の回路では、Ｃs1及びＣs2が一つのコンデンサで実現され、その端子間電圧はＶCSとなる。）と図６の電圧ＶCS1、ＶCS2とを比較すると、直列コンデンサを分散配置した図６では、その値が約１／２に低下していることが分かる。
【００２８】
また、図８は、一次コイル及び直列コンデンサを集中配置した回路の電圧のベクトル図を示し、図９は、一次コイル及び直列コンデンサを分散配置した回路の電圧のベクトル図を示している。図８及び図９には、図５及び図６の測定結果を併せて示している。
一次コイル及び直列コンデンサを集中配置した図８のベクトル図では、インバータ電源の出力電圧ＶINを示すベクトルＡＢに対して、直列コンデンサ（Ｃs1＋Ｃs2）の両端間の電圧ＶCSを表すベクトルＢＣの向きは９０°進んでおり、一次コイルの端子間電圧Ｖ1はベクトルＡＣで表されることが分かる。
一方、一次コイル及び直列コンデンサを分散配置した図９のベクトル図では、インバータ電源の出力電圧ＶINを示すベクトルＡＢは、大きさと方向が同じベクトルＡＤとベクトルＤＢの和で表される。図８と同様に、コンデンサＣs1の両端間の電圧ＶCS1を表すベクトルＤＣ1の向きは、ベクトルＡＤに対して９０°進んでおり、ＡＣ1間の一次部分コイルの端子間電圧Ｖ11はベクトルＡＣ1で表される。コンデンサＣs2の両端間の電圧を表すベクトルＢＣ2の向きは、ベクトルＤＢに対して９０°進んでおり、ＤＣ2間の一次部分コイルの端子間電圧Ｖ12はベクトルＤＣ2で表される。その結果、コンデンサＣS1を挟んで直列接続された二つの一次部分コイルの端子間電圧Ｖ1はベクトルＡＣ2で表されることが分かる。
このベクトル図から明らかなように、一次コイル及び直列コンデンサを分散配置することにより、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧が低減できる。
【００２９】
このように、一次コイルを複数の一次部分コイルに分割し、直列コンデンサを複数の直列部分コンデンサに分割し、その一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続することにより、一次コイルの端子間電圧を低減させることができる。
なお、一次コイル及び直列コンデンサを複数に分割して交互に配置しても、一次コイルに流れる電流は変わらず、また、二次側への給電電力も変わらない。図８及び図９では、充電回路４３の中の整流回路からの出力直流電圧をＶLとして示している。
【００３０】
また、図９から分かるように、ベクトルＡＣ2は、直列部分コンデンサＣs1に相当するベクトル成分Ｃ1Ｄ、及び、直列部分コンデンサＣs2に相当するベクトル成分ＢＣ2が等しいときに最も小さくなる。従って、一次コイルの端子間電圧を減らすためには、直列部分コンデンサＣs1及び直列部分コンデンサＣs2の容量値を等しく設定することが望ましい。
【００３１】
なお、ここでは、一次コイル及び直列コンデンサを二つに分割する例を説明したが、分割数は、３以上であっても良い。分割数を３にすれば、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧は約１／３になり、分割数をＮ個にすれば、約１／Ｎになる。分割数がＮ個の場合、理想変圧器特性を保つために、直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の合成直列容量Ｃs（＝１／（Σ（１／Ｃsi））は、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
となるように設定する。また、直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値は、全て等しいことが望ましい。
【００３２】
また、ここでは、一次コイル及び直列コンデンサを同数に分割して、それらを交互に直列接続する例を説明したが、直列コンデンサの分割数を一次コイルの分割数より１つ多くして、一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続した両端に直列部分コンデンサが配置されるようにしても良い。
また、ここでは、フェライトコアにリッツ線を巻回して一次コイル及び二次コイルを形成する例を説明したが、本願発明は、それだけに限定されない。特許文献１に記載されているように、コアの一面に電線を巻回したコイルを用いても良い。
【００３３】
（第２の実施形態）
第２の実施形態では、高周波電源の低コスト化を可能にする非接触給電装置の回路構成について説明する。
図１０は、非接触給電装置の第２の実施形態に係る回路構成を示している。
この回路は、三並列のハーフブリッジインバータとして動作するインバータ７１と、インバータ７１から高周波交流が出力される、三並列化された一次コイル（「並列一次コイル」と呼ぶ。）６１、６２、６３とを有している。
なお、二次側の回路構成は第１の実施形態（図３）と変わりがない。
【００３４】
図１１では、並列一次コイルとインバータ７１との接続関係を説明するため、その１本の並列一次コイル６１とインバータ７１との接続関係を示している。
図１１に示すように、インバータ７１は、１本の並列一次コイル６１に対し、ハーフブリッジインバータとして動作し、二つのスイッチング素子を交互にオン・オフさせて高周波交流を並列一次コイル６１に出力する。
図１０では直列コンデンサを並列一次コイル毎に３個配置しているが、図１２のように１個にまとめることが可能で、製作や調整が簡単になることから実用上有利である。
インバータ７１は、図１０、図１２に示すように、三段のハーフブリッジ機能を有しており、各段から並列一次コイル６１、６２、６３のそれぞれに同じ位相の高周波交流が出力される。
【００３５】
このインバータ７１は、産業用に大量に使われているインバータ用のＩＰＭ（インテリジェントパワーモジュール）を用いて構成することができる。このＩＰＭは、インバータを構成する主回路の他に、その駆動回路や自己保護回路などが組み込まれてワンパッケージ化されており、三相出力が標準となっている。
そのため、一次コイルを並列一次コイル６１、６２、６３に三並列化することで、ＩＰＭの三相出力能力を全て利用して一次コイルへの電力供給を行うことができる。
【００３６】
また、このようにインバータから三相出力が出力される場合、出力電流のアンバランスが問題になり、その対策として、通常、インバータの各出力にリアクトルを入れて調整が行われる。
しかし、この非接触給電装置の回路は、並列一次コイル６１、６２、６３を有しているため、並列一次コイル６１、６２、６３により、各相の電流アンバランスを調整することができ、リアクトルを設ける必要がない。
【００３７】
また、図１３は、この並列一次コイル６１、６２、６３の端子間電圧を低減させるための構成について示している。
並列化された一次コイル６１、６２、６３の各々は、二つの一次部分コイルに分割されている。
即ち、並列一次コイル６１は一次部分コイル６１１、６１２に分割され、並列一次コイル６２は一次部分コイル６２１、６２２に分割され、また、並列一次コイル６３は一次部分コイル６３１、６３２に分割されている。
また、一次部分コイル６１１、６２１、６３１は、並列接続されて並列一次部分コイル６４１を構成し、一次部分コイル６１２、６２２、６３２は、並列接続されて並列一次部分コイル６４２を構成している。
従って、並列一次部分コイル６４１、６４２は、直列部分コンデンサＣs1、Ｃs2と交互に直列接続されており、並列一次コイル及び直列コンデンサが分散配置されている。
【００３８】
このように、非接触給電装置の一次コイルを並列化することで、産業用に大量に使われているインバータ用ＩＰＭの機能を有効に活用して非接触給電装置の高周波電源を構成することができ、装置の低コストが可能になる。
なお、一次コイルがリッツ線で構成されている場合、リッツ線は絶縁被覆された細線を束ねた線であるため、例えば、９００本の細線を３００本ずつに束ねて、３本の並列一次コイルに分割することが容易である。
また、インバータをハーフブリッジとして動作させる場合は、電流が通過する半導体素子の数が少ない（フルブリッジの半分）ため、オン損失（通過損失）が減少し、インバータの効率が上がる。
【００３９】
また、直列コンデンサの挿入に伴う並列一次コイル６１、６２、６３の端子間電圧の高圧化は、図１３に示すように、並列一次コイルを複数の並列一次部分コイル６４１、６４２に分割し、直列コンデンサを複数の直列部分コンデンサＣs1、Ｃs2に分割し、その並列一次部分コイルと直列部分コンデンサとを交互に直列接続することにより、低減させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の非接触給電装置は、一次コイルの端子間電圧や直列コンデンサの端子間電圧を低く抑えることができるため、絶縁設計が容易であり、小型軽量化及び低コスト化を図ることができ、電気自動車、プラグインハイブリッド車、移動ロボットなど、停止した状態で給電を行う各種の固定型非接触給電に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
８ 二次コイル
９ 一次コイル
４０ プラグインハイブリッド車
４１ 金属板
４２ 二次コイル
４３ 充電回路
４４ 二次電池
４５ インバータ
４６ モータ
４７ エンジン
４８ 並列コンデンサ
５０ 商用電源
５１ インバータ
５２ 金属板
５３ 一次コイル
５４ 直列コンデンサ
６１ 並列一次コイル
６２ 並列一次コイル
６３ 並列一次コイル
７１ インバータ
５３１ 一次部分コイル
５３２ 一次部分コイル
５４１ 直列部分コンデンサ
５４２ 直列部分コンデンサ
６１１ 一次部分コイル
６１２ 一次部分コイル
６２１ 一次部分コイル
６２２ 一次部分コイル
６３１ 一次部分コイル
６３２ 一次部分コイル
６４１ 並列一次部分コイル
６４２ 並列一次部分コイル
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、
前記一次コイルが複数の一次部分コイルに分割され、前記直列コンデンサが少なくとも前記一次部分コイルと同数の直列部分コンデンサに分割され、前記一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ1、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ2、前記一次コイルと前記二次コイルとの相互インダクタンスをＭ、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、前記並列コンデンサＣpの値を、
Ｃp＝１／（ω02×Ｌ2）
とし、前記直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の合成直列容量Ｃs（＝１／（Σ（１／Ｃsi））を、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
としたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の非接触給電装置であって、Ｃsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値がほぼ等しくなるように設定したことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、
前記一次コイルが、並列接続された複数の並列一次コイルから成ることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非接触給電装置であって、並列接続された複数の前記並列一次コイルの各々に交流を供給する交流電源が、前記並列一次コイルに相当する数の出力が可能なハーフブリッジ回路を有することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の非接触給電装置であって、前記並列一次コイルの数および前記ハーフブリッジ回路の数がそれぞれ３であり、各ハーフブリッジ回路は同じ位相の高周波交流電圧を出力することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項４から６のいずれかに記載の非接触給電装置であって、並列接続された複数の前記並列一次コイルの各々が複数の一次部分コイルに分割され、当該一次部分コイルが並列接続された並列一次部分コイルの複数個により前記一次コイルが形成され、前記直列コンデンサが少なくとも前記並列一次部分コイルと同数の直列部分コンデンサに分割され、前記並列一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次コイルが地上に設置され、前記二次コイルが車両の下面に設置されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項１】
第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、
前記一次コイルが複数の一次部分コイルに分割され、前記直列コンデンサが少なくとも前記一次部分コイルと同数の直列部分コンデンサに分割され、前記一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項２】
請求項１に記載の非接触給電装置であって、前記一次コイルの自己インダクタンスをＬ1、前記二次コイルの自己インダクタンスをＬ2、前記一次コイルと前記二次コイルとの相互インダクタンスをＭ、電源周波数をｆ0、電源角周波数をω0（＝２π×ｆ0）とする時、前記並列コンデンサＣpの値を、
Ｃp＝１／（ω02×Ｌ2）
とし、前記直列部分コンデンサＣsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の合成直列容量Ｃs（＝１／（Σ（１／Ｃsi））を、
Ｃs＝１／（ω02×（Ｌ1−Ｍ2／Ｌ2））
としたことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の非接触給電装置であって、Ｃsi（ｉ＝１，２，・・Ｎ）の値がほぼ等しくなるように設定したことを特徴とする非接触給電装置。
【請求項４】
第１のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された一次コイルと、前記一次コイルに直列接続された直列コンデンサと、第２のコアの周りまたは一面に電線を巻回して構成された二次コイルと、前記二次コイルに並列接続された並列コンデンサと、を有し、前記一次コイルと前記二次コイルとが空隙を隔てて配置され、交流電源の交流が流れる前記一次コイルから前記二次コイルに電磁誘導作用によって電力が給電される非接触給電装置であって、
前記一次コイルが、並列接続された複数の並列一次コイルから成ることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項５】
請求項４に記載の非接触給電装置であって、並列接続された複数の前記並列一次コイルの各々に交流を供給する交流電源が、前記並列一次コイルに相当する数の出力が可能なハーフブリッジ回路を有することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項６】
請求項４または５に記載の非接触給電装置であって、前記並列一次コイルの数および前記ハーフブリッジ回路の数がそれぞれ３であり、各ハーフブリッジ回路は同じ位相の高周波交流電圧を出力することを特徴とする非接触給電装置。
【請求項７】
請求項４から６のいずれかに記載の非接触給電装置であって、並列接続された複数の前記並列一次コイルの各々が複数の一次部分コイルに分割され、当該一次部分コイルが並列接続された並列一次部分コイルの複数個により前記一次コイルが形成され、前記直列コンデンサが少なくとも前記並列一次部分コイルと同数の直列部分コンデンサに分割され、前記並列一次部分コイルと前記直列部分コンデンサとが交互に直列接続されていることを特徴とする非接触給電装置。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の非接触給電装置であって、前記一次コイルが地上に設置され、前記二次コイルが車両の下面に設置されていることを特徴とする非接触給電装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１１−１７６９１４（Ｐ２０１１−１７６９１４Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３７６５０（Ｐ２０１０−３７６５０）
【出願日】平成２２年２月２３日（２０１０．２．２３）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（５９１２０６８８７）株式会社テクノバ (20)
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２３日（２０１０．２．２３）
【出願人】（５０４１９０５４８）国立大学法人埼玉大学 (292)
【出願人】（５９１２０６８８７）株式会社テクノバ (20)
【出願人】（０００１００７６８）アイシン・エィ・ダブリュ株式会社 (3,717)
【Ｆターム（参考）】
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