JP2014143814A - 非接触充電装置及び充電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】蓄電素子に対する定電流充電が簡単に実施できる非接触充電装置を提供する。
【解決手段】非接触給電トランスの一次側コイル１３の側に、直流電源１０と、直流から高周波交流を生成して一次側コイル１３に供給するインバータ１２と、一次側コイルとインバータとの間に直列に接続された一次側直列コンデンサＣｓ１と、を備え、非接触給電トランスの二次側コイル１４の側に、交流を整流して蓄電素子１７に供給する倍電流整流回路１５と、二次側コイルと倍電流整流回路との間に直列に接続された二次側直列共振コンデンサＣｓ２とを備える。一次側を定電圧で駆動すると、蓄電素子１７に供給される二次側電流が定電流となる。蓄電素子１７の端子電圧は、インバータ入力直流電流から知ることができる。一次側回路を監視し、一次側回路の状態を調節するだけで、蓄電素子１７の定電流充電が制御できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池等の内部抵抗が小さく大電流充電可能な蓄電素子に対して非接触で定電流充電を行う非接触充電装置と、その充電方法に関する。

電動フォークリフトや無人電動搬送車のような産業用電動車両では、その駆動源に従来から鉛蓄電池が広く使われてきたが、近年、鉛蓄電池から、短時間充電が可能な電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池への転換が進みつつある。
電気二重層キャパシタやリチウムイオン電池は、内部抵抗が小さいため、数百Ａに及ぶ大電流充電（短時間充電）が可能である。

こうした内部抵抗が小さい蓄電素子の充電は、定電流で充電して充電最高電圧に達したら充電を停止する“定電流充電方式”や、定電流充電で充電最高電圧に達した後、定電圧で充電する“定電流定電圧充電方式”、あるいは、下記特許文献１に記載されているように、定電流充電で充電最高電圧に達した後、電流値を小さくして定電流充電を繰り返す“多段定電流充電方式”等によって行われる。
また、充電電源と蓄電素子間の接点を自動的に接触接続する方法があるが、数百Ａの充電では接点の摩耗や接点火花が発生するため、接点を持たない非接触給電による充電（非接触充電）が求められている。

図９は、下記特許文献２に記載された非接触充電装置の概略を示している。この装置は、非接触給電トランスの一次側コイル（送電コイル）１０２の側に、商用電源の交流から直流を生成するＡＣ／ＤＣ電源１００と、ＡＣ／ＤＣ電源１００が出力する直流から高周波交流を生成して一次側コイル１０２に供給するインバータ１０１と、一次側コイル１０２とインバータ１０１との間に直列接続された一次側直列コンデンサＣｓとを備えており、また、非接触給電トランスの二次側コイル（受電コイル）１０３の側に、二次側コイル１０３で受電された交流を整流する整流回路１０４と、二次側コイル１０３と整流回路１０４との間に並列接続された二次側並列共振コンデンサＣｐと、整流回路１０４で整流された直流を、電流値や電圧値を変換した後に蓄電素子１０６に供給する充電回路１０５とを備えている。
なお、二次側並列共振コンデンサＣｐの容量値は、二次側回路が並列共振回路を構成するように設定され、また、一次側直列コンデンサＣｓの容量値は、一次側電源力率が１となるように設定される。

特開２００３−８７９９１号公報 特開２０１２−１８２８８７号公報

しかし、図９に記載された非接触充電装置では、二次側の整流回路１０４の後段に充電回路１０５を設けて、蓄電素子１０８への供給電流を定電流に設定する等の処理を行わせることが必要である。
また、充電電流が数百Ａに及ぶ場合、充電回路１０５は、大容量半導体素子で構成しなければならず、半導体素子の通電損失やスイッチングノイズが増大する、などの問題が生じる。

本発明は、こうした事情を考慮して創案したものであり、蓄電素子に対する定電流充電が簡単に実施できる非接触充電装置を提供し、また、その充電方法を提供することを目的としている。

本発明は、蓄電素子に定電流を供給して蓄電素子の充電を行う非接触充電装置であって、非接触給電トランスの一次側コイルの側に、直流を出力する直流電源と、直流電源から入力される直流から高周波交流を生成して一次側コイルに供給するインバータと、一次側コイルとインバータとの間に直列に接続された一次側直列コンデンサと、を備え、非接触給電トランスの二次側コイルの側に、二次側コイルで受電された交流を整流して蓄電素子に供給する倍電流整流回路と、二次側コイルと倍電流整流回路との間に直列に接続された二次側直列共振コンデンサと、を備え、さらに、直流電源からインバータに入力されるインバータ入力直流電圧が定電圧となるように制御する充電制御部を備えることを特徴とする。
この非接触充電装置では、一次側に一次側直列コンデンサを配置し、二次側に二次側直列共振コンデンサを配置しているため、一次側を定電圧駆動すると、蓄電素子に供給される二次側電流が定電流となる。二次側電流の定電流の電流値は、インバータ入力直流電圧で制御することができる。また、二次側整流回路を倍電流整流回路で構成しているため、ダイオードによる通電損失が削減できる。

また、本発明の非接触充電装置では、蓄電素子の端子電圧は、インバータ入力直流電流を監視することで検知可能であるから、充電制御部では、直流電源からインバータに入力されるインバータ入力直流電流を監視し、インバータ入力直流電流の大きさに基づいて蓄電素子への充電の開始及び停止を制御する。

また、本発明の非接触充電装置は、リチウム二次電池や電気二重層キャパシタの定電流充電が可能である。

また、本発明は、非接触給電トランスの一次側コイルの側に、直流を出力する直流電源と、直流電源から入力される直流から高周波交流を生成して一次側コイルに供給するインバータと、一次側コイルとインバータとの間に直列に接続された一次側直列コンデンサと、を備え、非接触給電トランスの二次側コイルの側に、二次側コイルで受電された交流を整流して蓄電素子に供給する倍電流整流回路と、二次側コイルと倍電流整流回路との間に直列に接続された二次側直列共振コンデンサと、を備える非接触充電装置を用いて蓄電素子への充電を行う充電方法であって、直流電源からインバータに入力されるインバータ入力直流電流を監視して、インバータ入力直流電流が、蓄電素子の端子電圧の動作電圧範囲下限値に相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmin以上であるとき、充電を開始する充電開始ステップと、蓄電素子への充電中、直流電源からインバータに入力されるインバータ入力直流電圧を定電圧に維持する定電圧駆動ステップと、インバータ入力直流電流を監視して、インバータ入力直流電流が、蓄電素子の端子電圧の動作電圧範囲上限値に相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmaxに達したときに充電を停止する充電停止ステップと、を備えることを特徴とする。
この充電方法では、蓄電素子の定電流充電の開始及び停止を、一次側回路を監視し、一次側回路を制御することで実行できる。

また、本発明の充電方法では、充電停止ステップの後に、さらに、直流電源からインバータに入力するインバータ入力直流電圧を低減する入力電圧低減ステップと、インバータ入力直流電圧を入力電圧低減ステップで設定した低減電圧に維持して蓄電素子への充電を行う低減定電圧駆動ステップと、インバータ入力直流電流を監視して、インバータ入力直流電流がインバータ入力電流Ｉ_DCmaxに再び達したときに充電を停止する充電停止ステップと、を加えても良い。
このように、一次側回路を監視し、一次側回路を制御することで、多段定電流充電方式が実行できる。

本発明の非接触充電装置では、二次側の倍電流整流回路の出力を蓄電素子に直接供給して蓄電素子の定電流充電を行うことが可能であり、整流回路と蓄電素子との間に充電回路を設ける必要がない。そのため、充電回路を持つ場合に比べて、半導体素子数を減らすことができ、通電損失やスイッチングノイズを抑制できる。また、整流回路を倍電流整流回路で構成したことも半導体素子数の低減に寄与している。
また、一次側回路を監視し、一次側回路の状態を調節するだけで、蓄電素子の定電流充電が制御できるため、充電方法が簡単である。

本発明の実施形態に係る非接触充電装置を示す図 図１の非接触充電装置の一次側コイル及び二次側コイルを示す図 図１の非接触充電装置の等価回路を示す図 図１の非接触充電装置のインバータ入力直流電圧と充電電流の関係を示す図 図１の非接触充電装置での充電手順を示す図 図５の充電手順における充電制御動作図 図１の非接触充電装置での多段定電流充電における充電手順を示す図 図７の充電手順における充電制御動作図 従来の非接触充電装置を示す図

図１は、本発明の実施形態に係る非接触充電装置を示している。この装置は、非接触給電トランスの一次側コイル１３の側に、商用電源の交流から直流を生成するＡＣ／ＤＣ電源１０と、ＡＣ／ＤＣ電源１０で生成された直流を平滑化する平滑コンデンサ１１と、ＡＣ／ＤＣ電源１０から入力される直流から高周波交流を生成して一次側コイル１３に供給するインバータ１２と、一次側コイル１３とインバータ１２との間に直列接続された一次側直列コンデンサＣｓ１とを備えており、また、非接触給電トランスの二次側コイル１４の側に、二次側コイル１４で受電された交流を整流して蓄電素子１７に供給する倍電流整流回路１５と、倍電流整流回路１５で生成された直流を平滑化する平滑コンデンサ１６と、二次側コイル１４と倍電流整流回路１５との間に直列に接続された二次側直列共振コンデンサＣｓ２とを備え、さらに、ＡＣ／ＤＣ電源１０からインバータ１２に入力されるインバータ入力直流電流やインバータ入力直流電圧を監視して蓄電素子１７への充電を制御する充電制御部２０を備えている。

非接触給電トランスの一次側コイル１３及び二次側コイル１４には、図２（ａ）に示すように、磁性体コア１３１の周りに電線１３２を巻回した「両側巻コイル」や、図２（ｂ）に示すように、円形磁性体１３３の片側に渦巻状の電線１３４を配置した「片側巻コイル」が使用される。

倍電流整流回路１５は、４個のダイオードを備える全波整流回路の２個分のダイオードをリアクトル１５１、１５２で置き換えたものに相当し、二次側コイル１４から入力される交流電圧が正極の時にのみ電力を出力して、負極のときには入力を遮断する半波整流回路と、逆に、二次側コイル１４から入力される交流電圧が負極の時にのみ電力を出力して、正極のときには入力を遮断する半波整流回路との二組から成る。そのため、２個のダイオード１５３、１５４が同時に導通することは無く、通電するダイオードは、常に１個である。

図３は、この非接触充電装置の一次側直列コンデンサＣｓ１、二次側直列共振コンデンサＣｓ２、一次側コイル１３及び二次側コイル１４を含む回路部分の等価回路を示している。ここで、鉄損を示すr'₀と巻線抵抗r'₁、r₂は、対応するリアクタンスx'₀、x'₁ 、x₂に比べて十分小さいため、無視することができる。
一次側直列コンデンサＣｓ１の値は、非接触給電トランスの一次側コイル１３と共振するように（数１）により設定する。
ここで、ω₀＝２πｆ （ｆ：電源周波数）、x'₀：二次換算励磁リアクタンス、x'₁：二次換算一次漏洩リアクタンス、である。

また、二次側直列共振コンデンサＣｓ２の値は、非接触給電トランスの二次側コイル１４と共振するように（数２）により設定する。
ここで、x₂：二次漏洩リアクタンス、である。

このとき、一次側と二次側の電圧・電流の関係は（数３）（数４）で表される。
（数３）は、一次側を定電圧で駆動すれば、二次側は定電流になることを示している。

図４は、この非接触充電装置のＡＣ／ＤＣ電源１０からインバータ１２に入力するインバータ入力直流電圧Ｖ_DCと蓄電素子１７の充電電流Ｉ_Lとの関係を示している。従って、一次側を定電圧で駆動すれば、蓄電素子１７の定電流充電が可能になる。また、一次側の定電圧の値を変えることで、蓄電素子１７に供給される定電流の値を変えることができる。
また、（数４）の関係が存在するため、インバータ１２に入力するインバータ入力直流電流Ｉ_INを監視すれば、蓄電素子１７の端子電圧Ｖ_Lを知ることができる。

充電制御部２０は、ＡＣ／ＤＣ電源１０からインバータ１２に入力するインバータ入力直流電流Ｉ_DCやインバータ入力直流電圧Ｖ_DCを監視しながら、蓄電素子１７の定電流充電を制御する。
図５は、充電制御部２０の制御手順を示している。図６の充電制御動作図を参照しながら、制御手順を説明する。
充電制御部２０は、インバータ入力直流電流Ｉ_DCを監視し、インバータ入力直流電流Ｉ_DCが、蓄電素子１７の端子電圧の動作電圧範囲下限値Ｖ_Lminに相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmin以上であれば（ステップ１においてＹｅｓ）、インバータ入力直流電圧を定電圧Ｖ_DCに維持して一次側を駆動する（ステップ２）。このとき、図６に示すように、蓄電素子１７は定電流Ｉ_Lで充電される。
蓄電素子１７の定電流Ｉ_Lによる充電は、インバータ入力直流電流Ｉ_DCが、蓄電素子１７の端子電圧の動作電圧範囲上限値Ｖ_Lmaxに相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmaxに達するまで継続し、Ｉ_DCがＩ_DCmaxに達した場合（ステップ３でＹｅｓ）、充電を終了する（ステップ４）。

また、図７は、多段定電流充電を行う場合の制御手順を示し、その充電制御動作図を図８に示している。
なお、多段定電流充電は、蓄電素子の内部抵抗による影響を小さくして、より満充電に近い状態まで充電する方法である。定電流充電時に検出される蓄電素子の端子電圧には、蓄電素子の内部抵抗で生じる電圧上昇分が含まれるため、内部抵抗による電圧上昇分が小さくなるように、電流値を下げて定電流充電を繰り返す。

図７において、ステップ１からステップ３までの手順は、図５の場合と同じである。
ステップ３において、インバータ入力直流電流Ｉ_DCが、蓄電素子１７の端子電圧の動作電圧範囲上限値Ｖ_Lmaxに相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmaxに達すると、充電制御部２０は、インバータ入力直流電圧Ｖ_DCを、例えばＶ_DC／２に減らし（ステップ５）、インバータ入力直流電圧を定電圧Ｖ_DC／２に維持して一次側を駆動する（ステップ６）。このとき、図８に示すように、蓄電素子１７は、定電圧Ｖ_DC／２に対応する定電流Ｉ_Lで充電される。蓄電素子１７の端子電圧Ｖ_Lは、充電電流の低下により、蓄電素子１７の内部抵抗による電圧上昇分が減少して一時的に下がるが、定電流充電の継続により徐々に上昇する。
充電制御部２０は、インバータ入力直流電流Ｉ_DCが、蓄電素子１７の端子電圧の動作電圧範囲上限値Ｖ_Lmaxに相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmaxに再び達すると（ステップ７でＹｅｓ）、多段定電流充電の多段回数（繰り返す回数）ｎが１のときは、充電を終了する（ステップ９）。
また、ｎが２以上の場合は、ステップ５に戻り、インバータ入力直流電圧Ｖ_DC／２を更に半減してステップ６、７の手順を所定回数繰り返した後、充電を終了する（ステップ９）。

このように、この非接触充電装置では、一次側回路を監視し、一次側回路の状態を調節するだけで、蓄電素子の定電流充電が制御できる。そのため、充電制御が簡単である。
また、この非接触充電装置では、二次側の倍電流整流回路の出力を蓄電素子に直接供給して蓄電素子の定電流充電を行うことが可能であり、充電回路を別段設ける必要がない。そのため、充電回路が不要なことや、二次側の整流回路を倍電流整流回路で構成していることにより、この装置では、使用する半導体素子の数を大幅に減らすことができ、半導体素子の通電損失やスイッチングノイズが抑制できる。

本発明の非接触充電装置は、リチウム二次電池や電気二重層キャパシタなどの内部抵抗の小さい蓄電素子の充電に適しているが、その他の蓄電素子の定電流充電にも使用することは可能である。
また、ここでは、多段定電流充電を行う場合に、各段で蓄電素子に供給する定電流が半分に低減するように、インバータ入力直流電圧を１／２に減らしているが、その低減率や多段回数は任意に設定することができる。

本発明の非接触充電装置は、産業用電動車両を始めとする各種の移動体などに配置された蓄電素子の定電流充電に広く利用することができる。

１０ ＡＣ／ＤＣ電源
１１ 平滑コンデンサ
１２ インバータ
１３ 一次側コイル
１４ 二次側コイル
１５ 倍電流整流回路
１６ 平滑コンデンサ
１７ 蓄電素子
２０ 充電制御部
１００ ＡＣ／ＤＣ電源
１０１ インバータ
１０２ 一次側コイル（送電コイル）
１０３ 二次側コイル（受電コイル）
１０４ 整流回路
１０５ 充電回路
１０６ 蓄電素子
１３１ 磁性体コア
１３２ 巻回電線
１３３ 円形磁性体
１３４ 渦巻状電線
Ｃｓ 一次側直列コンデンサ
Ｃｐ 二次側並列共振コンデンサ
Ｃｓ１ 一次側直列コンデンサ
Ｃｓ２ 二次側直列共振コンデンサ

Claims (5)

1. 蓄電素子に定電流を供給して該蓄電素子の充電を行う非接触充電装置であって、
   非接触給電トランスの一次側コイルの側に、
   直流を出力する直流電源と、
   前記直流電源から入力される直流から高周波交流を生成して前記一次側コイルに供給するインバータと、
   前記一次側コイルと前記インバータとの間に直列に接続された一次側直列コンデンサと、
   を備え、前記非接触給電トランスの二次側コイルの側に、
   前記二次側コイルで受電された交流を整流して前記蓄電素子に供給する倍電流整流回路と、
   前記二次側コイルと前記倍電流整流回路との間に直列に接続された二次側直列共振コンデンサと、
   を備え、さらに、前記直流電源から前記インバータに入力されるインバータ入力直流電圧が定電圧となるように制御する充電制御部を備えることを特徴とする非接触充電装置。
2. 請求項１に記載の非接触充電装置であって、前記充電制御部が、前記直流電源から前記インバータに入力されるインバータ入力直流電流を監視し、前記インバータ入力直流電流の大きさに基づいて前記蓄電素子への充電の開始及び停止を制御することを特徴とする非接触充電装置。
3. 請求項１または２に記載の非接触充電装置であって、前記蓄電素子が、リチウム二次電池または電気二重層キャパシタであることを特徴とする非接触充電装置。
4. 非接触給電トランスの一次側コイルの側に、直流を出力する直流電源と、前記直流電源から入力される直流から高周波交流を生成して前記一次側コイルに供給するインバータと、前記一次側コイルと前記インバータとの間に直列に接続された一次側直列コンデンサと、を備え、前記非接触給電トランスの二次側コイルの側に、前記二次側コイルで受電された交流を整流して蓄電素子に供給する倍電流整流回路と、前記二次側コイルと前記倍電流整流回路との間に直列に接続された二次側直列共振コンデンサと、を備える非接触充電装置を用いて前記蓄電素子への充電を行う充電方法であって、
   前記直流電源から前記インバータに入力されるインバータ入力直流電流を監視して、前記インバータ入力直流電流が、前記蓄電素子の端子電圧の動作電圧範囲下限値に相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmin以上であるとき、充電を開始する充電開始ステップと、
   前記蓄電素子への充電中、前記直流電源から前記インバータに入力されるインバータ入力直流電圧を定電圧に維持する定電圧駆動ステップと、
   前記インバータ入力直流電流を監視して、前記インバータ入力直流電流が、前記蓄電素子の端子電圧の動作電圧範囲上限値に相当するインバータ入力電流Ｉ_DCmaxに達したときに充電を停止する充電停止ステップと、
   を備えることを特徴とする充電方法。
5. 請求項４に記載の充電方法であって、前記充電停止ステップの後に、さらに、
   前記直流電源から前記インバータに入力するインバータ入力直流電圧を低減する入力電圧低減ステップと、
   前記インバータ入力直流電圧を前記入力電圧低減ステップで設定した低減電圧に維持して前記蓄電素子への充電を行う低減定電圧駆動ステップと、
   前記インバータ入力直流電流を監視して、前記インバータ入力直流電流が前記インバータ入力電流Ｉ_DCmaxに再び達したときに充電を停止する充電停止ステップと、
   を備えることを特徴とする充電方法。