WO2006022365A1

WO2006022365A1 - 非接触電力伝送装置

Info

Publication number: WO2006022365A1
Application number: PCT/JP2005/015506
Authority: WO
Inventors: Yukinaga Yamauchi; Hidekazu Hirase
Original assignee: Hokushin Denki Co., Ltd.
Priority date: 2004-08-27
Filing date: 2005-08-26
Publication date: 2006-03-02
Also published as: JPWO2006022365A1; US20070252441A1; US7782633B2

Abstract

　高効率で小型化を図ることができ、１次側コイルから不要輻射する高調波成分を低減させることのできる非接触電力伝送装置を得る。　結合トランスの１次側と２次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる１次側ユニットと２次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置であって、１次側コイルＬ１と共振するコンデンサＣ１を、１次側コイルＬ１に直列に接続して１次側直列共振回路を形成し、この１次側直列共振回路と駆動回路との間に、コイルＬ３及びこのコイルＬ３に共振するコンデンサＣ７を有するＬ形共振回路を挿入し、このＬ形共振回路と前記１次側直列共振回路とを直列に接続した。

Description

明細書

非接触電力伝送装置

技術分野

[0001] 本発明は、非接触電力伝送装置に関し、特に、電力伝送効率を向上させ、小型化、高効率ィ匕を図ることができ、 1次側コイル力も不要輻射される高調波成分を低減させることのできる非接触電力伝送装置に関する。

背景技術

[0002] 従来の結合トランスの 1次側と 2次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる 1次側ユニットと 2次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置にぉ、ては、装置を大型化させることなぐ電力伝送効率を向上させることが要求されている。

この目的を達成するために、従来は専ら、非接触トランスの結合係数を大きくすることで対処していた (例えば、特許文献 1, 2参照)。

特許文献 1 :特許公開 2002— 199598号公報

特許文献 2：特許公開 2000 - 269058号公報

[0003] し力し、結合トランスの 1次コアと 2次コア間のギャップが 10mm近くになると、結合係数を大きくすることは容易でない。これが高出力電力非接触電力伝送装置を実現する際における第 1の阻害要因である。

[0004] また、非接触電力伝送装置において結合トランスの 2次側共振回路に従来用いられて、る並列共振回路を用いた場合、負荷インピーダンスが低!、ほど負荷に供給出来る電力が少なくなるという問題があった。これが低インピーダンス負荷における非接触電力伝送装置の高出力電力実現ィ匕の第 2の阻害要因である。

これを、図 6を参照しながら説明する。

図 6に示すような 2次側並列共振回路と負荷を接続した等価回路においては、共振回路に並列に接続された負荷 Rに流れる電流 Iは、角周波数を ω、 2次側回路の負

し 2

荷を Q 、 1次側回路のコイル電流を I、結合トランスの相互インダクタンスを Μ、二次し 1

側コイルのインダクタンスを Lとして以下の式で表される。

2

[0005] [数 1]

(式 1)

[0006] [数 1]

(式 2)

[0007] であるから、式（1)に式（2)の Qを代入して、

L

[0008] [数 3]

(式 3)

[0009] を得る。

この（式 3)よれば、 1次電流 Iが一定であれば、負荷

1 Rに関係なく負荷電流

L Iは

2 一定になる。 2次側は等価的に定電流電源で表される。そのため、負荷を小さくしても負荷電流が一定であるので、負荷に供給できる電力は減少することになる。

[0010] また、結合トランスの 1次側を矩形波で駆動すると、結合トランスの 1次側コイル Lから空間に高調波成分が不要輻射され周囲の電子機器を妨害するおそれがあった。そこで、非接触給電装置において、 1次側給電線（1次側コイル)の高調波電流を低減するために、 1次側給電線の手前にローパスフィルターを接続した回路が提案されている（例えば、特許文献 3参照)。

特許文献 3:特開平 11 224822号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0011] この文献に記載の回路では、コイルとコンデンサと力もなるローパスフィルターの後段に、 1次側給電電線を直列に接続している。この文献に記載の技術によっても、ある程度は 1次側給電電線の不要輻射を低減させることができるが、全体の共振回路の Qの大きさが不十分で、 1次側コイルにぉ、て未だ歪み率が大きヽと、う問題がある。

[0012] 本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、小型かつ高効率で、 1次側コイルから不要輻射する高調波成分を低減させることのできる非接触電力伝送装置の提供を目的とする。

課題を解決するための手段

[0013] 本発明の発明者は、装置を大型化することなく高効率に電力の伝送を行うことができるようにするために、 1次側と 2次側の相互インダクタンスに着目した。

結合トランスの相互インダクタンス Mは、結合係数を k、 1次側コイルのインダクタンスを L , 2次側コイルのインダクタンスを Lとして、

1 2

M = k (L -L ) (式 4)

1 2

で表される。

[0014] この式 4は、 1次側コイルのインダクタンス Lや 2次側コイルのインダクタンス Lを大

1 2 きくすることで相互インダクタンス Mを大きくでき、これによつて結合係数を向上させるのと同様の効果が得られ、電力伝送効率を上げることができることを示している。また、本発明の発明者は、直列共振回路では、 I = ( ω Χ Μ Χ Ι ) /Rであることか

2 1 し

ら、直列共振回路を 1次側若しくは 1次側及び 2次側の双方に設けることで、電力伝送効率を高めることができる点に着目した。

[0015] さらに、本発明の発明者は、 1次側の直列共振回路と駆動回路との間に、コイルとコンデンサを L形に接続してなる共振回路を直列に挿入することで、高周波インバータからの矩形波駆動を、 1次側コイルで歪みの少な、正弦波電圧波形にすることができ、空間への高調波成分の不要輻射が低減できることを見出した。

[0016] 具体的に本発明の非接触電力電送装置は、請求項 1に記載するように、結合トランスの 1次側と 2次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる 1次側ユニットと 2次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置であって、 1次側コイルと共振するコンデンサを、前記 1次側コイルに直列に接続して 1次側直列共振回路を形成し、この 1次側直列共振回路と駆動回路との間に、コイル及びこのコイルに共振するコンデンサを有する L形共振回路を挿入し、この L形共振回路と前記 1次側直列共振回路とを直列に接続した構成としてある。

この場合、請求項 2に記載するように、 1次側だけでなく 2次側についても、 2次側コィルと共振するコンデンサを、前記 2次側コイルと直列に接続して 2次側直列共振回路を形成するとよい。

[0017] 本発明の非接触電力電送装置において、駆動回路としては高周波インバータを含むものを利用することができ、ハーフブリッジ形、フルブリッジ形のいずれでもあってもよい。

前記した L形共振回路は、請求項 3に記載するように、ローパスフィルタ一等のフィルタを構成するものとするとよい。そして、この場合の L形共振回路の共振周波数は、請求項 4に記載するように、前記駆動回路の駆動周波数よりも 5%〜25%低いものであるとよい。

前記 1次側直列共振回路の共振周波数は、請求項 5に記載するように、前記駆動回路の駆動周波数と同じにするとよい。同様に、 2次側直列共振回路の共振周波数についても、請求項 6に記載するように、前記高周波インバータの駆動周波数と同じにするとよい。

[0018] なお、本発明の非接触電力電送装置においては、請求項 7に記載するように、前記 1次側直列共振回路にお！ヽて、他のコンデンサを前記 1次側コイルと並列接続してちょい。

このようにすることで、 1次側直列共振回路を構成するコンデンサと前記他のコンデンサの値の設定により、 2次側出力電圧を加減できるようになる。

本発明における L形共振回路は、請求項 8に記載するように、インピーダンスマッチング回路として構成することも可能である。そして、 L形共振回路を利用して、 L形共振回路側から見た 1次側直列共振回路のインピーダンスと、 1次側直列共振回路側力見た L形共振回路のインピーダンスとが等しくなるようにインピーダンスマッチングを行うことができる。

発明の効果

[0019] 本発明によれば、 1次側又は 1次側及び 2次側の双方に直列共振回路を設けることで、伝送効率の向上と装置の小型化を図ることができる。

また、 1次側コイルを含む 1次側直列共振回路と L形共振回路とを直列に接続することで、高周波インバータからの矩形波駆動電圧を、 1次側コイルで電圧波形の歪みが少ない正弦波電圧波形に変換することが可能になり、 1次側コイルから空間への高調波成分の不要輻射を低減することができる。

上記したような本発明の非接触電力伝送装置は、特に高電力の電力伝送において効果的である。

図面の簡単な説明

[0020] [図 1]本発明の一実施形態にかかり、非接触電力伝送装置の回路構成を説明する図である。

[図 2]図 1の非接触電力伝送装置の変形例にかかり、その回路構成を説明する図である。

[図 3]結合トランスの一例にかかる、その構成を説明する概略図である。

[図 4]この実施形態の非接触電力伝送装置の作用を説明するタイムチャートである。

[図 5]直列共振回路を 1次側及び 2次側に設けた場合に残存する問題点を説明する回路図である。

[図 6]従来の非接触電力伝送装置における第 2の問題点を説明するための回路 (等価回路）図である

符号の説明

[0021] L : 1次側コイル

L : 2次側コイル

2

C : 1次側直列共振用のコンデンサ

C : 2次側直列共振用のコンデンサ

2

L： L形共振回路のコイル

3

C： L形共振回路のコンデンサ

発明を実施するための最良の形態

[0022] 以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図 3を参照しながら、この実施形態における結合トランスの構成を説明する。図 3に示すように、 1次側ユニット（紙面左側のユニット）に設けた U字型の 1次コアの胴部に 1次巻き線を巻き回して 1次側コイル Lを形成する。また、 2次側ユニット（同右側のユニット）に設けた U字型の 2次コアの胴部に巻き線を巻き回して 2次側コイル Lを形成する。この 2次側コイル Lを用いて、 1次側コイル Lの磁力線から高周波電

2 2 1

力を取り出す。

結合トランスの 1次側ユニット 1と 2次側ユニットとの間には、 1次側ユニットの榭脂製外郭と 2次側ユニットの榭脂製外郭が介在している。そして、結合トランスの 1次側ュニットの U字型コアの脚部の先端と 2次側 U字型コアの脚部の先端とが、これら榭脂製外郭により、数 mmのギャップを隔てて対向している。

[0023] 次に、本発明の非接触電力伝送装置の回路構成を、図 1及び図 2を参照しながら説明する。

図 1に示すように、 1次側コイル Lと直列にコンデンサ Cを接続し、 1次側直列共振

1 1

回路を形成する。また、 2次側コイル Lにコンデンサ Cを直列に接続して、 2次側直

2 2

列共振回路を形成する。

そして、結合トランスの 1次側コイル Lと直列に接続しているコンデンサ Cの共振周波数が、インバータの駆動周波数と同じになるように、また、結合トランスの 2次側コィル Lと直列に接続してあるコンデンサ Cの共振周波数力インバータの駆動周波数

2 2

と同じになるように設定する。

[0024] 1次側ユニット 1のインバータは、図 1に示すように、 1次側整流回路の直流出力を電源とする。前記インバータはハーフブリッジ接続され 2相発振器により駆動される。この 2相発振器は、インバータを構成する電界効果トランジスタ Qのゲートソース（ G— S)間及び電界効果トランジスタ Qの G— S間にデットタイムを設けて、交互に電

2

圧駆動する固定周波数の発振器である。

[0025] また、インバータにおいては、電界効果トランジスタ Qのドレイン Dを 1次側整流回

1

路の VCC側に接続し、電界効果トランジスタ Qのソース Sと電界効果トランジスタ Q

1 2 のドレイン Dを直列に接続し、電界効果トランジスタ Qのソース Sを 1次側整流回路の

2

GND側に接続している。

この実施形態では、前記したインバータ、 1次側整流器及び 2相発信器が駆動回路を構成する。

[0026] 上記のように、 1次側及び 2次側に直列共振回路を設けることで、高効率で電力を 2 次側に供給することができる。しかし、直列共振回路を設けただけでは、高調波成分の不要輻射と、う問題が依然残存する。

すなわち、図 5に示すように、 1次側コイルにコンデンサを直列接続して直列共振回路を形成すると、 1次側コイルに印可する駆動電圧は歪が多い正弦波であることから、 1次側コイルの駆動電圧の高調波成分が空間に不要輻射されることになる。

[0027] そこで、この実施形態では、図 1に示すように、電界効果トランジスタ Qのソース Sと電界効果トランジスタ Qのドレイン Dの接続点にコイル Lを接続し、さらに、このコィ

2 3

ル Lと共振するコンデンサ Cを、図示するように逆 L字形に直列接続して、共振回路

3 7

(本明細書にぉ、て「L形共振回路」 t 、う）を形成して！/、る。

[0028] そして、この L形共振回路のコイル Lとコンデンサ Cの接続点にコンデンサ Cを接

3 7 1 続するとともに、コンデンサ Cの他端を 1次側コイルに接続する。また、 1次側コィル Lの他端を電界効果トランジスタ Qのソース Sに接続する。電界効果トランジスタ Q

1 2

のドレイン Dとソース Sに並列にコンデンサ Cを、電界効果トランジスタ Qのドレイン

1 3 2

Dとソース Sに並歹 Uにコンデンサ Cを接続する。

4

なお、符号 D、 Dは、電界効果トランジスタ Q、 Qのボディダイオードである。

1 2 1 2

[0029] 上記した L形共振回路のコイル Lは、インバータの駆動周波数において結合トラン

3

スの 1次側コイル Lに流す電流を決める目的で設置される。すなわち、 1次側コイル L に流れる電流が所望の値になるように、コイル Lのインダクタンスを決定し、しかる後

1 3

、コイル Lとコンデンサ Cの共振周波数が、前記駆動周波数より 5%〜25%低くなる

3 7

ように、好ましくは 10%〜20%低くなるように、コンデンサ Cの値を決定する。

[0030] このように、本発明の非接触電源伝送装置では、インバータの駆動周波数より共振周波数が 10%〜20%程度低く設定された L形共振回路と、結合トランスの 1次側コィル Lとコンデンサ Cとから構成されインバータの駆動周波数に合わせた共振周波数の 1次側直列共振回路とが、 2段直列に接続された構成となっている。

この実施形態における L形共振回路は、フィルター（ローパスフィルター）としての機能も併せ持ち、 1次側コイル L力ゝらの高調波成分の不要輻射を低減することができるまた、上記の L形共振回路を利用して、 L形共振回路から見た 1次側コイル及び 1次側コイル Lと直列に接続されたコンデンサ Cのインピーダンスと、 1次側コイル L 及びコンデンサ C力見た L形共振回路のインピーダンスが等しくなるように、インピ一ダンスマッチングを行って、る。

[0031] 図 2は、図 1に示す非接触電力伝送装置の変形例である。この実施形態では、図 1 の 1次側コイル Lにコンデンサ Cをさらに並列接続している。

1 8

図 2のコンデンサ Cとコンデンサ Cを加算したキャパシタンスの値は、図 1の非接触

1 8

電力伝送装置におけるコンデンサ cの値と同じに設定する。

この実施形態によれば、コンデンサ Cを追加することで、電界効果トランジスタ Q

8 1、

Qのドレイン電流を、図 1における電界効果トランジスタ Q、 Qのドレイン電流より少

2 1 2

なくでき、また、コンデンサ C , Cの値の設定により、 2次側出力電圧を加減できると

1 8

いう利点がある。

[0032] 本発明の作用を、図 4のタイミングチャートを参照しながら説明する。

図 4のタイミングチャートにおいて電界効果トランジスタ Qの G— S間を駆動する電圧を Q V と表し、電界効果トランジスタ Qの G— S間を駆動する電圧を Q V と表

1 GS 2 2 GS す。

同様に、図 4のタイミングチャートにおいて電界効果トランジスタ Qの電圧 Q V と

1 1 GS 電界効果トランジスタ Qの電圧 Q V 間のデットタイムを、 Dtと表す。

2 2 GS

図 1又は図 2の回路図及び図 4のタイムチャートにおいて、 Qの OFF直前を Tとす

1 0 る。

[0033] T以前は Qのゲートソース間にゲート電圧が加えられている。この状態を

0 1

Q V ONとする。 Q V ONの期間 Q V に電流が流れ ON状態である。この状態

1 GS 1 GS 1 DS

を Q ONとする。

Q ONの期間中に Qのドレインには電源電圧 VCCが印可されている。この間、 Q

1 2 1 のドレイン電流 I が暫時増加している。 Lの電流は Tの時点で Qのドレイン電流 I と同じ大きさになっている。

[0034] Tの時点で Qを OFFにすると、 Lの自己誘導作用により Lに流れていた電流が C 、 Cに分岐して流れ、 Q V を暫減させ Tの時点で零ボルトにいたる。この時点で

3 4 2 DS 1

Qがまだ ONしていない場合、コンデンサ C , Cに流れていた電流は Dに移行する

2 3 4 2 コンデンサ C , ドレイン Dの電流は Qのソース側からドレイン側に流れている。

4 2 2

[0035] Tの時点で Q力ONすると、ドレイン Dに流れていた電流は Qに移行する。電流

2 2 2 2

は Qのソース側カゝらドレイン側に流れている。コイル Lの電流は Tの時点から暫減し

2 3 0

ており、 1次側コィノレ Lの電流が OAを下回ると、 Qの電流がソースからドレインへと

1 2

流れ時間と共に増加していく。 Tの時点で Qが OFFすると、 Q力OFFした時と同じ

3 2 1

ような動作を行い Q V は増加していき VCC電圧に達する。 Q、 Qは交互に ON—

2 DS 1 2

OFFを繰り返し L形共振回路に高周波電流を供給する事となる。

本発明によれば、 2次側において、 2次側コイル Lには 1次側コイル Lと同様の正

2 1

弦波の電圧波形が表れ、このときの 1次側から 2次側への総合電力伝送効率は 80% 以上の高効率にすることができる。また、結合トランスの 1次側コイル Lの電圧、電流は歪みの少ない正弦波になり、駆動周波数の高調波成分が空間に不要輻射されるのを低減できる。

本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。

例えば、上記の説明では、 1次側と 2次側の両方に直列共振回路を設けるものとして説明したが、 1次側の一方だけであってもよ、。

産業上の利用可能性

[0036] 本発明の非接触電力伝送装置は、車両やロボット、その他の電動機器に用いられるバッテリーへの充電や、これら機器への電源供給に適用が可能である。

Claims

請求の範囲

[1] 結合トランスの 1次側と 2次側を個別に収容して、相互に分離可能に構成してなる 1 次側ユニットと 2次側ユニットを具備した非接触電力伝送装置であって、

1次側コイルと共振するコンデンサを、前記 1次側コイルに直列に接続して 1次側直列共振回路を形成し、この 1次側直列共振回路と駆動回路との間に、コイル及びこのコイルに共振するコンデンサを有する L形共振回路を挿入し、この L形共振回路と前記 1次側直列共振回路とを直列に接続したこと、

を特徴とする非接触電力伝送装置。

[2] 2次側コイルと共振するコンデンサを、前記 2次側コイルと直列に接続して 2次側直列共振回路を形成したことを特徴とする請求項 1に記載の非接触電力伝送装置。

[3] 前記 L形共振回路がフィルターを構成することを特徴とする請求項 1又は 2に記載の非接触電力伝送装置。

[4] 前記 L形共振回路の共振周波数を、前記駆動回路の駆動周波数よりも 5%〜25% 低くしたことを特徴とする請求項 3に記載の非接触電力伝送装置。

[5] 前記 1次側直列共振回路の共振周波数を、前記駆動回路の駆動周波数に合わせたことを特徴とする請求項 1〜4のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。

[6] 前記 2次側直列共振回路の共振周波数を、前記駆動回路の駆動周波数に合わせたことを特徴とする請求項 2に記載の非接触電力伝送装置。

[7] 前記 1次側直列共振回路において、他のコンデンサを前記 1次側コイルと並列に接続したことを特徴とする請求項 1〜6のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。

[8] 前記 L形共振回路力 Sインピーダンスマッチング回路を構成することを特徴とする請求項 1〜7のいずれかに記載の非接触電力伝送装置。