CN106061789A - 行驶中非接触供电*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及行驶中非接触供电***。在地上侧以使磁极的长边方向与车辆行进方向一致的方式分离地设置多个初级侧供电变压器，该多个初级侧供电变压器具备在H字形芯体卷绕了绕线的双侧卷绕线圈。在车辆侧以使磁极的长边方向与车辆前后方向一致的方式搭载具备H字形芯体的次级侧供电变压器。当将磁极的尺寸设为D时，初级侧供电变压器彼此间的分离距离按照相邻的初级侧供电变压器的磁极中心间的距离不超过3D的范围来设定。

Description

行驶中非接触供电***

技术领域

本发明涉及对行驶中的移动体以非接触方式进行供电的供电***。

背景技术

一直以来，作为对电动汽车、插电式混合动力汽车的电池进行充电的***，如图13所示那样，开发了如下方式，使搭载于车辆的底板的非接触供电变压器的次级侧线圈(受电线圈)102与设置于地上侧的初级侧线圈(输电线圈)202对置，来从地上侧向停车中的车辆以非接触方式供电。

下述专利文献1中记载了如下情况：为了扩大该充电***的初级侧线圈以及次级侧线圈之间的位置偏移、间隙变动的允许量并且实现线圈的小型化，如图14所示那样，使用围绕板状的铁氧体芯体10卷绕绕线11的“双侧卷绕线圈”。在该双侧卷绕线圈中，通过铁氧体芯体10内的主磁通通过芯体两端的磁极部来进出。

另外，如图15所示，下述专利文献2中记载了为了实现双侧卷绕线圈的进一步小型轻量化而开发的、具备H字形的铁氧体芯体的线圈。在该线圈中，在相当于H字形芯体的横杆的部分卷绕有绕线11，H字形芯体的两侧的平行的部分12为磁极部。

另外，专利文献2中记载了与两方的磁极平行的线的方向(x方向)的位置偏移的允许度大于与两方的磁极正交的线的方向(y方向)的位置偏移的允许度。

现在，在电动汽车中，因电池性能导致一次充电能够行驶的距离比较短的点被列举为课题，为了解决该课题，考虑各种对行驶中的车辆进行非接触供电的***。

在下述专利文献3公开的***中，沿着车辆的跑道设置有多个供电装置，对具备受电线圈的行驶中的车辆进行供电，上述供电装置具备交流电源、高频电力驱动器、初级线圈、初级自谐振线圈、电力传感器、ECU等。

另外，在下述非专利文献1中，为了延长各个供电装置的供电区间，如图17所示那样，将图16的等价电路所表示的多个谐振器连续地配置于供电装置的源线圈，并研究其特性。

专利文献1：日本特开2010-172084号公报

专利文献2：日本特开2012-175793号公报

专利文献3：日本特开2011-166992号公报

非专利文献1：Jin Wook Kim et al”Wireless power transfer for freepositioningusing compact planar multiple self-resonators”2012IEEE MTT-SInternational IMWS-IWPT 2012pp.127-130

在非专利文献1中，报告有如下内容：如图18所示，即便在像图17那样无间隙地排列初级侧线圈的情况下，也会在初级侧线圈上出现向次级侧线圈的供电被中断的“死区”。

发明内容

本发明是考虑到上述情况而发明的，其目的在于提供一种初级侧(地上侧)的设置工程容易且能够确保较长的供电区间的行驶中非接触供电***。

本发明是一种从地上侧向行驶中的移动体非接触地供电的非接触供电***，其特征在于，地上侧具备：多个初级侧供电变压器，沿移动体的行驶路径设置；高频电源，经由电线向初级侧供电变压器供给高频交流电；以及初级侧串联电容器，与初级侧供电变压器串联连接，移动体具备：次级侧供电变压器，从初级侧供电变压器以非接触方式被供电；整流器，将由次级侧供电变压器受电的交流电整流为充电用；以及次级侧谐振电容器，被串联连接或并联连接在次级侧供电变压器与整流器之间，初级侧供电变压器以及次级侧供电变压器分别由双侧卷绕线圈构成，该双侧卷绕线圈在芯体的磁极间的部分卷绕有绕线，该芯体在两端具有磁极，并且初级侧供电变压器以及次级侧供电变压器以和芯体两端的磁极平行的线的方向与移动体的行进方向一致的方式设置于行驶路径或移动体，在将初级侧供电变压器的移动体行进方向上的磁极的尺寸设为D时，按照从初级侧供电变压器的磁极的中心位置至邻接的初级侧供电变压器的磁极的中心位置为止的距离不超过3D的范围，沿着行驶路径分离地设置有多个初级侧供电变压器。

在该***中，使用位置偏移允许度大的双侧卷绕线圈构成配置于行驶路径上的初级侧供电变压器，且沿双侧卷绕线圈的位置偏移允许度大的方向(与芯体两端的磁极平行的线的方向)排列初级侧供电变压器，因此即便将初级侧供电变压器配置为踏脚石状，也不会产生向次级侧线圈的供电的中断。

另外，在本发明的非接触供电***中，可以将多个初级侧供电变压器与高频电源串联连接。

在将多个初级侧供电变压器串联连接的情况下，布线简单，针对行驶路径的设置工程容易。

另外，在该情况，初级侧串联电容器可以仅串联连接在高频电源和与高频电源连接的一个初级侧供电变压器之间。

对初级侧串联电容器而言，在次级侧谐振电容器被串联连接的情况下，以初级侧电路构成串联谐振电路的方式设定电容器值，另外，在次级侧谐振电容器被并联连接的情况下，以初级侧功率因数为1的方式设定电容器值。

另外，也可以将初级侧串联电容器分割地分别串联连接在高频电源和与高频电源连接的一个初级侧供电变压器之间、以及邻接的初级侧供电变压器之间。

在该情况下，初级侧串联电容器的分割数为n时，分割后的各初级侧串联电容器的电容器值为n×C₁，在次级侧谐振电容器被串联连接的情况下，以初级侧电路构成谐振电路的方式设定C₁的电容器值，在次级侧谐振电容器被并联连接的情况下，以初级侧功率因数为1的方式设定C₁的电容器值。

另外，在本发明的***中，可以将多个初级侧供电变压器与高频电源并联连接。

在并联连接的初级侧供电变压器中，电流集中在与次级侧供电变压器接近的初级侧供电变压器，因此能够抑制来自不与移动体对置的位置的初级侧供电变压器的漏磁通。

另外，在该情况下，将一个初级侧串联电容器连接在高频电源和与高频电源并联连接的各初级侧供电变压器之间。

对一个初级侧串联电容器的电容器值而言，在次级侧谐振电容器以串联的方式连接的情况下，以初级侧电路构成串联谐振电路的方式进行设定，在次级侧谐振电容器以并联的方式连接的情况下，以初级侧功率因数为1的方式进行设定。

另外，在本发明的***中，优选双侧卷绕线圈的芯体为H字形芯体。

通过H字形芯体的使用，能够实现初级侧供电变压器的小型轻量化。

在本发明的非接触供电***中，能够将初级侧供电变压器配置为踏脚石状，因此针对行驶路径的设置工程容易。另外，能够通过较少数量的初级侧供电变压器确保较长的供电区间。

附图说明

图1是表示本实施方式所涉及的非接触供电***的图。

图2是表示图1的***的电路构成的图(初级侧供电变压器：串联，C1：单一，C2：并联)。

图3是表示图1的***的电路构成的图(初级侧供电变压器：串联，C₁：分割，C₂：并联)。

图4是表示图1的***的电路构成的图(初级侧供电变压器：串联，C₁：单一，C₂：串联)。

图5是表示图1的***的电路构成的图(初级侧供电变压器：串联，C₁：分割，C₂：串联)。

图6是表示图1的***的电路构成的图(初级侧供电变压器：并联，C₁：单一，C₂：并联)。

图7是表示图1的***的电路构成的图(初级侧供电变压器：并联，C₁：单一，C₂：串联)。

图8是表示本实施方式中的实验装置的构成的图。

图9是表示本实施方式中的实际的实验装置的图。

图10是表示本实施方式中的初级侧供电变压器的变压器间隔与次级侧输出电力的关系的图。

图11是表示本实施方式中的初级侧供电变压器的变压器间隔与供电效率的关系的图。

图12是表示图1的变形例的图。

图13是表示插电式混合动力汽车的供电***的图。

图14是表示在铁氧体芯体板卷绕绕线的双侧卷绕线圈的图。

图15是表示在H字形芯体卷绕绕线的双侧卷绕线圈的图。

图16是考虑以往的行驶中供电的线圈的等价电路的图。

图17是表示具有图16的等价电路的线圈构成的图。

图18是表示使用图17的线圈构成时的分析结果的图。

具体实施方式

图1表示本发明的实施方式所涉及的非接触供电***。图1(a)用侧视图表示分离地设置于地上的行驶路径的初级侧供电变压器1、2、3、4、和搭载于车辆的次级侧供电变压器20。附图标记21表示次级侧供电变压器20移动后的状态。另外，图1(b)表示其俯视图。

初级侧供电变压器1、2、3、4以及次级侧供电变压器20均具有在H字形芯体的磁极31、32之间的部分卷绕绕线33的双侧卷绕线圈，另外，还具备铝屏蔽板34，该铝屏蔽板34用于隔断在双侧卷绕线圈中与对象线圈的对置面的相反侧产生的漏磁通。

初级侧供电变压器1、2、3、4以同磁极31、32平行的线的方向(图15的x方向)与行驶路径的车辆行进方向一致的方式设置于行驶路径，另外，次级侧供电变压器20以同磁极31、32平行的线的方向(图15的x方向)与车辆的前后方向一致的方式搭载于车辆。

另外，在设磁极31、32的长度为D时，初级侧供电变压器按照邻接的初级侧供电变压器间的磁极中心间的距离不超过3D的范围(因此，从一方的初级侧供电变压器的磁极的端部至另一方的初级侧供电变压器的磁极的端部为止的间隔l不超过2D的范围)，沿着行驶路径分离地设置。

图2表示该非接触供电***的电路构成的一个例子。

地上侧具备：高频电源40，向初级侧供电变压器1、2、3、4供给高频交流电；和初级侧串联电容器C₁，与初级侧供电变压器串联方式连接，初级侧供电变压器1、2、3、4与高频电源40串联连接。高频电源40具有：AC/DC转换器41，将工业电源的交流电转换为直流电；和逆变器42，从转换后的直流电生成高频交流电。

车辆侧具备：整流电路51，对由次级侧供电变压器20受电的交流电进行整流；充电电路52，利用整流过的电流对蓄电元件53进行充电；以及次级侧谐振电容器C₂，被并联连接在次级侧供电变压器20与整流电路51之间。

次级侧谐振电容器C₂的电容以在次级侧形成并联谐振电路的方式按照(公式1)那样进行设定。

[公式1]

$C_2=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_2}$

这里，ω＝2πf，f是电源频率，L₂是次级侧自感。

另外，初级侧串联电容器C₁的电容以初级侧功率因数为1的方式按照(公式2)那样进行设定。

[公式2]

$C_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2\left(\frac{a^2{l}_o{l}_2}{L_2}\right)+l_1}$

这里，a是匝数比(＝一次匝数/二次匝数)，l₀是励磁电感，l₁是励磁电感，l₂是励磁电感。

这样，在将多个初级侧供电变压器1、2、3、4串联连接的情况下，布线简单，针对行驶路径的设置工程容易。

另外，初级侧串联电容器C₁也可以如图3所示那样，分割为C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄，分别以串联的方式连接在高频电源40与初级侧供电变压器1之间、初级侧供电变压器1与初级侧供电变压器2之间、初级侧供电变压器2与初级侧供电变压器3之间、以及初级侧供电变压器3与初级侧供电变压器4之间。

该情况下，C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄的电容为C₁₁＝C₁₂＝C₁₃＝C₁₄＝4C₁，将C₁按照(公式2)那样进行设定。

另外，图4表示将车辆侧的次级侧谐振电容器C₂串联连接在次级侧供电变压器20与整流电路51之间的电路。该情况下，次级侧谐振电容器C₂的电容以串联谐振电路形成于次级侧的方式按照(公式1)那样进行设定。

另外，初级侧串联电容器C₁以串联谐振电路形成于初级侧的方式按照(公式3)那样进行设定。

[公式3]

$C_1=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}^2{L}_1}$

这里，L₁是初级侧自感。

这样，在初级侧连接串联电容器C₁、在次级侧连接串联谐振电容器C₂的“初级串联次级串联电容器方式”的情况下，以固定电压驱动初级侧的高频电源40的逆变器42，由此次级侧的整流电路51的输出为恒定电流。因此，能够不经由充电电路地将整流电路51与蓄电元件53连接来对蓄电元件53进行充电。

另外，图4的初级侧串联电容器C1也可以如图5所示，分割为C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄，分别以串联的方式连接在高频电源40与初级侧供电变压器1之间、初级侧供电变压器1与初级侧供电变压器2之间、初级侧供电变压器2与初级侧供电变压器3之间、以及初级侧供电变压器3与初级侧供电变压器4之间。

在该情况下，C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄的电容为C₁₁＝C₁₂＝C₁₃＝C₁₄＝4C₁，将C₁按照(公式3)那样进行设定。

另外，如图6所示，初级侧供电变压器1、2、3、4也可以与高频电源40并联连接。该情况下，作为初级侧串联电容器，将一个初级侧串联电容器C₁以串联的方式连接在高频电源40与初级侧供电变压器1、2、3、4的每一个之间。

在次级侧谐振电容器C₂像图6那样被并联连接在次级侧供电变压器20与整流电路51之间的情况下，初级侧串联电容器C₁的电容以初级侧电源功率因数为1的方式按照(公式2)那样进行设定。另外，在次级侧谐振电容器C₂像图7那样被串联连接在次级侧供电变压器20与整流电路51之间的情况下，将初级侧串联电容器C₁的电容以在初级侧形成串联谐振电路的方式按照(公式3)那样进行设定。

这样，若将初级侧供电变压器1、2、3、4与高频电源40并联连接，则电流集中在与次级侧供电变压器20接近的初级侧供电变压器2，因此能够抑制来自不与车辆对置的位置的初级侧供电变压器1、3、4的漏磁通。

接下来，对确认本发明的非接触供电***的特性的实验结果进行说明。

在该实验中，如图8所示，在串联连接的多个初级侧供电变压器61、62、63与次级侧供电变压器70对置的状态下移动次级侧供电变压器70的位置，对改变初级侧供电变压器彼此间的间隔时次级侧输出的变化、效率的变化进行了测定。图9表示实际的实验装置。初级侧供电变压器以及次级侧供电变压器由在H字形芯体卷绕绕线的双侧卷绕线圈构成，并配置为与图1相同的朝向，该H字形芯体的磁极的长度为300mm，磁极间的距离为250mm。

图10表示改变两个初级侧供电变压器的间隔时次级侧供电变压器的输出的变化。这里，在DC输入为210V、高频电源的输出频率f＝30kHz、初级侧供电变压器与次级侧供电变压器的间隙＝70mm的条件下进行测定。

图10的横轴表示次级侧供电变压器的移动位置(mm)，纵轴表示来自次级侧供电变压器的输出电力(W)。在该图中，曲线(1)表示两个的初级侧供电变压器的磁极端部间的距离(以下，称为变压器间隔)为300mm的情况，曲线(2)表示变压器间隔为350mm的情况，曲线(3)表示变压器间隔为400mm的情况，曲线(4)表示变压器间隔为450mm的情况，曲线(5)表示变压器间隔为500mm的情况，曲线(6)表示变压器间隔为550mm的情况，而且，曲线(7)表示变压器间隔为600mm的情况。

另外，图11表示该情况下的供电效率(向初级侧供电变压器的输入电力与来自次级侧供电变压器的输出电力之比)。

根据上述测定结果能够确认：即便变压器间隔为600mm(即，初级侧供电变压器的磁极长度的2倍的距离)，也能够实现向次级侧供电变压器的供电。此外，“变压器间隔为初级侧供电变压器的磁极长度的2倍”是指从初级侧供电变压器的磁极的中心至邻接的初级侧供电变压器的磁极的中心为止的距离为磁极长度的3倍。

因此，在本发明的非接触供电***中，当将初级侧供电变压器的磁极尺寸设为D时，只要按照从初级侧供电变压器的磁极的中心位置至邻接的初级侧供电变压器的磁极的中心位置为止的距离不超过3D的范围，即便多个初级侧供电变压器分离成踏脚石状，也能够不中断地执行向次级侧供电变压器的供电。

此外，这里对构成初级侧供电变压器以及次级侧供电变压器的双侧卷绕线圈的芯体为H字形状的情况进行了说明，但也可以如图12所示那样，使用围绕板状的芯体10卷绕绕线11的双侧卷绕线圈。

产业上的可利用性

本发明的非接触供电***针对移动体的行驶路径的设置工程容易并且能够遍及较长区间地对行驶中的移动体进行供电，能够广泛地应用于电动汽车、插电式混合动力汽车等各种移动体的行驶中供电。

附图标记说明：

1、2、3、4...初级侧供电变压器；10...板状芯体；11...绕线；12...H字形芯体的磁极部；20，21...次级侧供电变压器；31，32...磁极；33...绕线；34...铝屏蔽板；40...高频电源；41...AC/DC转换器；42...逆变器；51...整流电路；52...充电电路；53...蓄电元件；102...次级侧线圈(受电线圈)；202...初级侧线圈(输电线圈)；C₁...初级侧串联电容器；C₂...次级侧谐振电容器；C₁₁、C₁₂、C₁₃、C₁₄...分割后的初级侧串联电容器。

Claims (7)

1.一种非接触供电***，是从地上侧向行驶中的移动体以非接触方式进行供电的非接触供电***，其特征在于，

地上侧具备：

多个初级侧供电变压器，沿着移动体的行驶路径设置；

高频电源，经由电线向所述初级侧供电变压器供给高频交流电；以及

初级侧串联电容器，与所述初级侧供电变压器串联连接，

移动体具备：

次级侧供电变压器，从所述初级侧供电变压器以非接触方式被供电；

整流器，将由所述次级侧供电变压器受电的交流电整流为充电用；以及

次级侧谐振电容器，被串联连接或并联连接在所述次级侧供电变压器与所述整流器之间，

所述初级侧供电变压器以及次级侧供电变压器分别由绕线被卷绕在芯体的磁极间的部分的两侧卷绕线圈形成，该芯体在两端具有磁极，所述初级侧供电变压器以及次级侧供电变压器以与芯体两端的磁极平行的线的方向同所述移动体的行进方向一致的方式设置于所述行驶路径或移动体，

在将所述初级侧供电变压器的所述行进方向上的所述磁极的尺寸设为D时，按照从所述初级侧供电变压器的所述磁极的中心位置至邻接的初级侧供电变压器的所述磁极的中心位置为止的距离不超过3D的范围，沿着所述行驶路径分离地设置有所述多个初级侧供电变压器。

2.根据权利要求1所述的非接触供电***，其特征在于，

所述多个初级侧供电变压器与所述高频电源串联连接。

3.根据权利要求2所述的非接触供电***，其特征在于，

一个所述初级侧串联电容器被串联连接在所述高频电源和与该高频电源连接的一个所述初级侧供电变压器之间。

4.根据权利要求2所述的非接触供电***，其特征在于，

所述初级侧串联电容器分别被串联连接在所述高频电源和与该高频电源连接的一个所述初级侧供电变压器之间、以及邻接的所述初级侧供电变压器之间。

5.根据权利要求1所述的非接触供电***，其特征在于，

所述多个初级侧供电变压器与所述高频电源并联连接。

6.根据权利要求5所述的非接触供电***，其特征在于，

一个所述初级侧串联电容器被连接在所述高频电源和与该高频电源并联连接的各初级侧供电变压器之间。

7.根据权利要求1所述的非接触供电***，其特征在于，

所述芯体形成为H字形芯体。