JP7040492B2 - 非接触給電装置、非接触受電装置、及び非接触給電システム - Google Patents
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Description
この非接触給電装置によれば、インバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、インバータ回路において発生する損失を低減することができ、車両への送電の効率の向上が可能である。
この非接触受電装置によれば、整流回路に入力される交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、非接触受電装置へ電力を送電する非接触給電装置に含まれるインバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができ、インバータ回路において発生する損失を低減することができ、車両への送電の効率の向上が可能である。
この非接触給電システムによれば、非接触給電装置において、インバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、インバータ回路において発生する損失を低減することができる。また、非接触受電装置において、整流回路に入力される交流電力の高調波成分を小さくすることができる。これにより、非接触受電装置へ電力を送電する非接触給電装置に含まれるインバータ回路の交流電力の高調波成分を小さくすることができ、インバータ回路において発生する損失を低減することができる。従って、非接触送電装置から非接触受電装置を搭載した車両への給電の効率を向上させることが可能である。
図1に示すように、非接触給電システムは、道路RSに設置された非接触給電装置100と、道路RSを走行する車両200に搭載された非接触受電装置205とを含み、車両200の走行中に電力を供給することが可能なシステムである。車両200は、例えば、電気自動車やハイブリッド車として構成される。図1において、x軸方向は車両200の進行方向を示し、y軸方向は車両200の幅方向を示し、z軸方向は鉛直上方向を示す。後述する他の図におけるx,y,z軸の方向も、図1と同じ方向を示している。
Z2=Z022/Z3=(Z022/Z032)・Z4 ・・・(1)
Z02はT型等価回路TECの特性インピーダンスであり、Z03は受電側のイミタンス変換回路124の特性インピーダンスである。T型等価回路TECの特性インピーダンスZ02は、交流電力の角周波数をω0として用いて下式(2)で表される。受電側のイミタンス変換回路124の特性インピーダンスZ03は下式(3)で表される。
Z02=ω0・Lm ・・・(2)
Z03=(L2/C2)1/2 ・・・(3)
Z1=(1-ω2・L1・C1)・Z2+jω・L1・(2-ω2・L1・C1)/((1-ω2・L1・C1)+jω・C1・Z2) ・・・(4)
L1・(2-ω2・L1・C1)・-(1-ω2・L1・C1)-C1・Z22・(1-ω2・L1・C1)=0 ・・・(5)
ω0_1=1/(L1・C1)1/2 ・・・(6)
ω0_2=(2-(C1/L)・Z22)1/2/(L1・C1)1/2 ・・・(7)
Q=(1-Z22・(L1/C1))1/2・(L1/C1)1/2/Z2 ・・・(8)
Q=(L1/C1)1/2/Z2 ・・・(9)
Z01=(L1/C1)1/2 ・・・(10)
ω0_2=(2-Z22/Z012)1/2/(L1・C1)1/2 ・・・(11)
Z01/Z2≦1 ・・・(12)
k=Lm/(Lr1・Lr2)1/2 ・・・(13)
そこで、結合係数kが最小となる条件、すなわち、インバータ電流に含まれる高調波成分が最も大きくなる条件で、特性インピーダンスZ01を後段側インピーダンスZ2に対して調整することが好ましい。結合係数kが最小となる条件は、受電コイルLr2の中心の位置が、送電コイルLr1の中心の位置に対して、高さ方向(図1のz方向である)で許容されている最大の高さにあり、かつ、水平方向(図1のy方向である)のずれとして許容されている範囲内で最大のずれの位置にある場合である。この条件で、特性インピーダンスZ01を後段側インピーダンスZ2に対して調整すれば、最も厳しい高調波発生の条件において高調波成分を低減することが可能である。なお、受電コイルLr2の高さは、上記したように通常車両の底面に配置されるので、通常、車両に依存するパラメータである。
図2に示した非接触受電装置205の受電回路220に設けられた受電側のイミタンス変換回路224に関しても、整流回路226の整流動作によって、イミタンス変換回路224に矩形波の交流電力が印加される動きとして扱うことができる。このため、受電側のイミタンス変換回路224は、図9に示すように、イミタンス変換回路224の出力側すなわち後段側(本例では入力側となる)に交流電源SACが接続され、イミタンス変換回路224の入力側すなわち前段側(本例では出力側となる)にインピーダンスZ3*が接続された等価回路で表される。なお、このインピーダンスZ3*は、図10に示す図3と同様の等価回路において、イミタンス変換回路224の入力側の端子対P3-P3*から前段側を見たインピーダンスである。なお、以下の説明では、このインピーダンスZ3*を「前段側インピーダンスZ3*」とも呼ぶ。
Z03/Z3*≦1 ・・・(14)
これにより、整流回路226に入力される交流電力における高調波成分の割合を抑制することが可能であり、この結果、非接触給電装置100のインバータ回路122から出力される交流電力における高調波成分の割合を抑制することができる。この結果、インバータ回路122におけるスイッチング損失を低減することが可能であり、非接触給電システムの全体としての送電の効率を向上させることが可能である。また、特性インピーダンスZ03を前段側インピーダンスZ3の1/5以下とすれば、3次高調波成分の割合を3%以下に低減可能であり、より効果的に、この結果、より効果的に、非接触給電システムの全体としての送電の効率を向上させることが可能である。
Z3*=Z022/Z2*=(Z022/Z012)・Z1* ・・・(15)
Z02はT型等価回路TECの特性インピーダンスであり、上式(2)で表される。また、Z01は送電側のイミタンス変換回路124の特性インピーダンスであり、上式(10)で表される。Z2*は図10に示すように、受電側のイミタンス変換回路124の出力の端子対P2-P2*から前段側を見たインピーダンスである。インピーダンスZ2*はV2*/I2*である。V2*は端子対P2-P2*間の電圧であり、I2*は前段側に流れる電流である。Z1*は図10に示すように、受電側のイミタンス変換回路124の入力側の端子対P1-P1*から前段側を見たインピーダンスである。インピーダンスZ1*はV1*/I1*である。V1*は端子対P1-P1*間の電圧であり、I1*は前段側に流れる電流である。
第1実施形態では、非接触給電装置100の送電回路120に設けられたイミタンス変換回路124について、その特性インピーダンスZ01が後段側インピーダンスZ2に対して調整される構成について説明した。また、第2実施形態では、車両200に搭載された非接触受電装置205の受電回路220に設けられたイミタンス変換回路224について、その特性インピーダンスZ03が前段側インピーダンスZ3*に対して調整される構成について説明した。各実施形態で説明したように、非接触給電装置あるいは非接触受電装置の一方のイミタンス変換回路の特性インピーダンスが上記したように調整されている構成であってもよく、両方のイミタンス変換回路の特性インピーダンスが上記したように調整されている構成であってもよい。両方のイミタンス変換回路の特性インピーダンスが上記したように調整されている構成とすれば、より効果的に、非接触給電装置100から車両200の非接触受電装置205への給電の効率をより向上させることが可能である。
(1)上記実施形態の説明では、送電側の送電コイル112も受電側の受電コイル212も単相の場合を例に説明している。しかしながら、これに限定されるものではない。送電側を複数相の送電コイルの構成としてもよい。また、受電側を複数相の受電コイルの構成としてもよい。例えば、送電側は単相の導電コイルで受電側は2相あるいは3相以上の複数相の受電コイルの構成としてもよい。また、送電側は2相あるいは3相以上の複数相の送電コイルの構成で、受電側は単相、あるいは、複数相の受電コイルの構成であってもよい。複数相の送電コイルあるいは受電コイルの構成の場合、各相について、それぞれにイミタンス変換回路が設けられ、それぞれのイミタンス変換回路の特性インピーダンスは、上記実施形態で説明したようにして調整されることが好ましい。
Claims (11)
- 非接触で車両に電力を供給する非接触給電装置であって、
送電共振回路(110)と、
直流電力を供給する電源回路(130)と、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換して前記送電共振回路に供給する送電回路(120)と、
を備え、
前記送電回路は、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路(122)と、
前記インバータ回路の交流電力を調整して前記送電共振回路に供給する送電側イミタンス変換回路(124)と、
を備え、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス(Z01)は、前記インバータ回路の交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記送電側イミタンス変換回路から前記送電共振回路側を見た後段側インピーダンス(Z2)に対する比が調整される、非接触給電装置。 - 請求項1に記載の非接触給電装置であって、
前記後段側インピーダンスに対する前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が1以下となるように、前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記後段側インピーダンスが調整される、非接触給電装置。 - 請求項2に記載の非接触給電装置であって、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記後段側インピーダンスの1/5以下に調整される、非接触給電装置。 - 非接触で車両に供給される電力を受電する非接触受電装置(205)であって、
受電共振回路(210)と、
前記受電共振回路で受電された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する受電回路(220)と、
を備え、
前記受電回路は、
前記受電共振回路から入力される交流電力を調整する受電側イミタンス変換回路(224)と、
前記受電側イミタンス変換回路から入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路(226)と、
前記整流回路から入力される直流電力を、前記負荷に供給可能な電力に変換する電力変換回路(228)と、
を備え、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス(Z03)は、前記整流回路に入力される交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記受電側イミタンス変換回路から前記受電共振回路側を見た前段側インピーダンス(Z3*)に対する比が調整される、非接触受電装置。 - 請求項4に記載の非接触受電装置であって、
前記前段側インピーダンスに対する前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が1以下となるように、前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記前段側インピーダンスが調整される、非接触受電装置。 - 請求項5に記載の非接触受電装置であって、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記前段側インピーダンスの1/5以下に調整される、非接触受電装置。 - 道路に配置された複数の送電共振回路(110)と、車両に搭載された受電共振回路(210)とを用いて、非接触で車両に電力を供給する非接触給電システムであって、
前記複数の送電共振回路を有する非接触給電装置(100)と、
前記車両に搭載される非接触受電装置(205)と、
を備え、
前記非接触給電装置は、
前記複数の送電共振回路と、
直流電力を供給する電源回路(130)と、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換して前記複数の送電共振回路に供給する複数の送電回路(120)と、
を備え、
前記送電回路は、
前記電源回路の直流電力を交流電力に変換するインバータ回路(122)と、
前記インバータ回路の交流電力を調整して前記送電共振回路に供給する送電側イミタンス変換回路(124)と、
を備え、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス(Z01)は、前記インバータ回路の交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記送電側イミタンス変換回路から前記送電共振回路側を見た後段側インピーダンス(Z2)に対する比が調整され
前記非接触受電装置は、
前記受電共振回路と、
前記受電共振回路で受電された交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する受電回路(220)と、
を備え、
前記受電回路は、
前記受電共振回路から入力される交流電力を調整する受電側イミタンス変換回路(224)と、
前記受電側イミタンス変換回路から入力される交流電力を直流電力に変換する整流回路(226)と、
前記整流回路から入力される直流電力を、前記負荷に供給可能な電力に変換する電力変換回路(228)と、
を備え、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンス(Z03)は、前記整流回路に入力される交流電力の高調波成分が小さくなるように、前記受電側イミタンス変換回路から前記受電共振回路側を見た前段側インピーダンス(Z3*)に対する比が調整される
非接触給電システム。 - 請求項7に記載の非接触給電システムであって、
前記後段側インピーダンスに対する前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が1以下となるように、前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記後段側インピーダンスが調整される、非接触給電システム。 - 請求項8に記載の非接触給電システムであって、
前記送電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記後段側インピーダンスの1/5以下に調整される、非接触給電システム。 - 請求項7から請求項9までのいずれか一項に記載の非接触給電システムであって、
前記前段側インピーダンスに対する前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスの比が1以下となるように、前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスおよび前記前段側インピーダンスが調整される、非接触給電システム。 - 請求項10に記載の非接触給電システムであって、
前記受電側イミタンス変換回路の特性インピーダンスは、前記前段側インピーダンスの1/5以下に調整される、非接触給電システム。
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