行駛中非接觸供電系統的制作方法
【專利摘要】本發明涉及行駛中非接觸供電系統。在地上側以使磁極的長邊方向與車輛行進方向一致的方式分離地設置多個初級側供電變壓器，該多個初級側供電變壓器具備在H字形芯體卷繞了繞線的雙側卷繞線圈。在車輛側以使磁極的長邊方向與車輛前后方向一致的方式搭載具備H字形芯體的次級側供電變壓器。當將磁極的尺寸設為D時，初級側供電變壓器彼此間的分離距離按照相鄰的初級側供電變壓器的磁極中心間的距離不超過3D的范圍來設定。
【專利說明】
行駛中非接觸供電系統
技術領域
[0001] 本發明涉及對行駛中的移動體以非接觸方式進行供電的供電系統。
【背景技術】
[0002] -直以來，作為對電動汽車、插電式混合動力汽車的電池進行充電的系統，如圖13 所示那樣，開發了如下方式，使搭載于車輛的底板的非接觸供電變壓器的次級側線圈（受電 線圈）102與設置于地上側的初級側線圈（輸電線圈）202對置，來從地上側向停車中的車輛 以非接觸方式供電。
[0003] 下述專利文獻1中記載了如下情況:為了擴大該充電系統的初級側線圈以及次級 側線圈之間的位置偏移、間隙變動的允許量并且實現線圈的小型化，如圖14所示那樣，使用 圍繞板狀的鐵氧體芯體10卷繞繞線11的"雙側卷繞線圈"。在該雙側卷繞線圈中，通過鐵氧 體芯體10內的主磁通通過芯體兩端的磁極部來進出。
[0004] 另外，如圖15所示，下述專利文獻2中記載了為了實現雙側卷繞線圈的進一步小型 輕量化而開發的、具備H字形的鐵氧體芯體的線圈。在該線圈中，在相當于H字形芯體的橫桿 的部分卷繞有繞線11，H字形芯體的兩側的平行的部分12為磁極部。
[0005] 另外，專利文獻2中記載了與兩方的磁極平行的線的方向（X方向）的位置偏移的允 許度大于與兩方的磁極正交的線的方向(y方向）的位置偏移的允許度。
[0006] 現在，在電動汽車中，因電池性能導致一次充電能夠行駛的距離比較短的點被列 舉為課題，為了解決該課題，考慮各種對行駛中的車輛進行非接觸供電的系統。
[0007]在下述專利文獻3公開的系統中，沿著車輛的跑道設置有多個供電裝置，對具備受 電線圈的行駛中的車輛進行供電，上述供電裝置具備交流電源、高頻電力驅動器、初級線 圈、初級自諧振線圈、電力傳感器、ECU等。
[0008] 另外，在下述非專利文獻1中，為了延長各個供電裝置的供電區間，如圖17所示那 樣，將圖16的等價電路所表示的多個諧振器連續地配置于供電裝置的源線圈，并研究其特 性。
[0009] 專利文獻1:日本特開2010-172084號公報 [0010] 專利文獻2:日本特開2012-175793號公報 [0011] 專利文獻3:日本特開2011-166992號公報
[0012] 非專利文獻 I: Jin Wook Kim et al" Wireless power transfer for free positioningusing compact planar multiple self-resonators"2012IEEE MTT-S International IMffS-IWPT 2012pp.127-130
[0013] 在非專利文獻I中，報告有如下內容:如圖18所示，即便在像圖17那樣無間隙地排 列初級側線圈的情況下，也會在初級側線圈上出現向次級側線圈的供電被中斷的"死區"。
【發明內容】
[0014] 本發明是考慮到上述情況而發明的，其目的在于提供一種初級側(地上側）的設置 工程容易且能夠確保較長的供電區間的行駛中非接觸供電系統。
[0015] 本發明是一種從地上側向行駛中的移動體非接觸地供電的非接觸供電系統，其特 征在于，地上側具備:多個初級側供電變壓器，沿移動體的行駛路徑設置;高頻電源，經由電 線向初級側供電變壓器供給高頻交流電；以及初級側串聯電容器，與初級側供電變壓器串 聯連接，移動體具備:次級側供電變壓器，從初級側供電變壓器以非接觸方式被供電；整流 器，將由次級側供電變壓器受電的交流電整流為充電用；以及次級側諧振電容器，被串聯連 接或并聯連接在次級側供電變壓器與整流器之間，初級側供電變壓器以及次級側供電變壓 器分別由雙側卷繞線圈構成，該雙側卷繞線圈在芯體的磁極間的部分卷繞有繞線，該芯體 在兩端具有磁極，并且初級側供電變壓器以及次級側供電變壓器以和芯體兩端的磁極平行 的線的方向與移動體的行進方向一致的方式設置于行駛路徑或移動體，在將初級側供電變 壓器的移動體行進方向上的磁極的尺寸設為D時，按照從初級側供電變壓器的磁極的中心 位置至鄰接的初級側供電變壓器的磁極的中心位置為止的距離不超過3D的范圍，沿著行駛 路徑分離地設置有多個初級側供電變壓器。
[0016] 在該系統中，使用位置偏移允許度大的雙側卷繞線圈構成配置于行駛路徑上的初 級側供電變壓器，且沿雙側卷繞線圈的位置偏移允許度大的方向（與芯體兩端的磁極平行 的線的方向）排列初級側供電變壓器，因此即便將初級側供電變壓器配置為踏腳石狀，也不 會產生向次級側線圈的供電的中斷。
[0017] 另外，在本發明的非接觸供電系統中，可以將多個初級側供電變壓器與高頻電源 串聯連接。
[0018] 在將多個初級側供電變壓器串聯連接的情況下，布線簡單，針對行駛路徑的設置 工程容易。
[0019] 另外，在該情況，初級側串聯電容器可以僅串聯連接在高頻電源和與高頻電源連 接的一個初級側供電變壓器之間。
[0020] 對初級側串聯電容器而言，在次級側諧振電容器被串聯連接的情況下，以初級側 電路構成串聯諧振電路的方式設定電容器值，另外，在次級側諧振電容器被并聯連接的情 況下，以初級側功率因數為1的方式設定電容器值。
[0021] 另外，也可以將初級側串聯電容器分割地分別串聯連接在高頻電源和與高頻電源 連接的一個初級側供電變壓器之間、以及鄰接的初級側供電變壓器之間。
[0022] 在該情況下，初級側串聯電容器的分割數為η時，分割后的各初級側串聯電容器的 電容器值為IiXC1，在次級側諧振電容器被串聯連接的情況下，以初級側電路構成諧振電路 的方式設定C 1的電容器值，在次級側諧振電容器被并聯連接的情況下，以初級側功率因數 為1的方式設定C1的電容器值。
[0023] 另外，在本發明的系統中，可以將多個初級側供電變壓器與高頻電源并聯連接。
[0024] 在并聯連接的初級側供電變壓器中，電流集中在與次級側供電變壓器接近的初級 側供電變壓器，因此能夠抑制來自不與移動體對置的位置的初級側供電變壓器的漏磁通。
[0025] 另外，在該情況下，將一個初級側串聯電容器連接在高頻電源和與高頻電源并聯 連接的各初級側供電變壓器之間。
[0026] 對一個初級側串聯電容器的電容器值而言，在次級側諧振電容器以串聯的方式連 接的情況下，以初級側電路構成串聯諧振電路的方式進行設定，在次級側諧振電容器以并 聯的方式連接的情況下，以初級側功率因數為1的方式進行設定。
[0027] 另外，在本發明的系統中，優選雙側卷繞線圈的芯體為H字形芯體。
[0028] 通過H字形芯體的使用，能夠實現初級側供電變壓器的小型輕量化。
[0029] 在本發明的非接觸供電系統中，能夠將初級側供電變壓器配置為踏腳石狀，因此 針對行駛路徑的設置工程容易。另外，能夠通過較少數量的初級側供電變壓器確保較長的 供電區間。
【附圖說明】
[0030] 圖1是表示本實施方式所涉及的非接觸供電系統的圖。
[0031] 圖2是表示圖1的系統的電路構成的圖（初級側供電變壓器：串聯，Cl:單一，C2:并 聯)。
[0032] 圖3是表示圖1的系統的電路構成的圖（初級側供電變壓器：串聯，C1:分割，C2:并 聯)。
[0033] 圖4是表示圖1的系統的電路構成的圖（初級側供電變壓器：串聯，C1:單一，C2:串 聯)。
[0034] 圖5是表示圖1的系統的電路構成的圖（初級側供電變壓器：串聯，C1:分割，C2:串 聯)。
[0035] 圖6是表示圖1的系統的電路構成的圖（初級側供電變壓器:并聯，C1:單一，C2:并 聯)。
[0036] 圖7是表示圖1的系統的電路構成的圖（初級側供電變壓器:并聯，C1:單一，C2:串 聯)。
[0037]圖8是表示本實施方式中的實驗裝置的構成的圖。
[0038]圖9是表示本實施方式中的實際的實驗裝置的圖。
[0039] 圖10是表示本實施方式中的初級側供電變壓器的變壓器間隔與次級側輸出電力 的關系的圖。
[0040] 圖11是表示本實施方式中的初級側供電變壓器的變壓器間隔與供電效率的關系 的圖。
[0041 ]圖12是表示圖1的變形例的圖。
[0042] 圖13是表示插電式混合動力汽車的供電系統的圖。
[0043] 圖14是表示在鐵氧體芯體板卷繞繞線的雙側卷繞線圈的圖。
[0044] 圖15是表示在H字形芯體卷繞繞線的雙側卷繞線圈的圖。
[0045]圖16是考慮以往的行駛中供電的線圈的等價電路的圖。
[0046]圖17是表不具有圖16的等價電路的線圈構成的圖。
[0047]圖18是表示使用圖17的線圈構成時的分析結果的圖。
【具體實施方式】
[0048]圖1表示本發明的實施方式所涉及的非接觸供電系統。圖1(a)用側視圖表示分離 地設置于地上的行駛路徑的初級側供電變壓器1、2、3、4、和搭載于車輛的次級側供電變壓 器20。附圖標記21表示次級側供電變壓器20移動后的狀態。另外，圖1(b)表示其俯視圖。
[0049] 初級側供電變壓器1、2、3、4以及次級側供電變壓器20均具有在H字形芯體的磁極 31、32之間的部分卷繞繞線33的雙側卷繞線圈，另外，還具備鋁屏蔽板34,該鋁屏蔽板34用 于隔斷在雙側卷繞線圈中與對象線圈的對置面的相反側產生的漏磁通。
[0050] 初級側供電變壓器1、2、3、4以同磁極31、32平行的線的方向（圖15的X方向）與行駛 路徑的車輛行進方向一致的方式設置于行駛路徑，另外，次級側供電變壓器20以同磁極31、 32平行的線的方向（圖15的X方向）與車輛的前后方向一致的方式搭載于車輛。
[0051 ]另外，在設磁極31、32的長度為D時，初級側供電變壓器按照鄰接的初級側供電變 壓器間的磁極中心間的距離不超過3D的范圍（因此，從一方的初級側供電變壓器的磁極的 端部至另一方的初級側供電變壓器的磁極的端部為止的間隔1不超過2D的范圍），沿著行駛 路徑分離地設置。
[0052]圖2表示該非接觸供電系統的電路構成的一個例子。
[0053]地上側具備：高頻電源40，向初級側供電變壓器1、2、3、4供給高頻交流電；和初級 側串聯電容器C1，與初級側供電變壓器串聯方式連接，初級側供電變壓器1、2、3、4與高頻電 源40串聯連接。高頻電源40具有:AC/DC轉換器41，將工業電源的交流電轉換為直流電；和逆 變器42,從轉換后的直流電生成高頻交流電。
[0054]車輛側具備:整流電路51，對由次級側供電變壓器20受電的交流電進行整流;充電 電路52,利用整流過的電流對蓄電元件53進行充電；以及次級側諧振電容器&，被并聯連接 在次級側供電變壓器20與整流電路51之間。
[0055] 次級側諧振電容器C2的電容以在次級側形成并聯諧振電路的方式按照（公式1)那 樣進行設定。
[0056] [公式 1]
[0057]
[0058] 這里，ω =2對，f是電源頻率，L2是次級側自感。
[0059] 另外，初級側串聯電容器C1的電容以初級側功率因數為1的方式按照(公式2)那樣 進行設定。
[0060] [公式 2]
[0061]
[0062] 這里，a是匝數比（=一次匝數/二次匝數），1〇是勵磁電感，I1是勵磁電感，I 2是勵磁 電感。
[0063] 這樣，在將多個初級側供電變壓器1、2、3、4串聯連接的情況下，布線簡單，針對行 駛路徑的設置工程容易。
[0064] 另外，初級側串聯電容器C1也可以如圖3所示那樣，分割為(^、(^、(^、(^，分別以 串聯的方式連接在高頻電源40與初級側供電變壓器1之間、初級側供電變壓器1與初級側供 電變壓器2之間、初級側供電變壓器2與初級側供電變壓器3之間、以及初級側供電變壓器3 與初級側供電變壓器4之間。
[0065] 該情況下，&1、&2、&3、(：14的電容為(： 11 = (：12 = (：13 = (：14 = 4(：1，將(：1按照(公式2)那樣 進行設定。
[0066] 另外，圖4表示將車輛側的次級側諧振電容器(：2串聯連接在次級側供電變壓器20 與整流電路51之間的電路。該情況下，次級側諧振電容器(：2的電容以串聯諧振電路形成于 次級側的方式按照(公式1)那樣進行設定。
[0067] 另外，初級側串聯電容器C1以串聯諧振電路形成于初級側的方式按照（公式3)那 樣進行設定。
[0068] [公式 3]
[0069]
[0070]這里，1^是初級側自感。
[0071 ]這樣，在初級側連接串聯電容器C1、在次級側連接串聯諧振電容器C2的"初級串聯 次級串聯電容器方式"的情況下，以固定電壓驅動初級側的高頻電源40的逆變器42,由此次 級側的整流電路51的輸出為恒定電流。因此，能夠不經由充電電路地將整流電路51與蓄電 元件53連接來對蓄電元件53進行充電。
[0072]另外，圖4的初級側串聯電容器Cl也可以如圖5所示，分割為(^、(^、(^、(^，分別以 串聯的方式連接在高頻電源40與初級側供電變壓器1之間、初級側供電變壓器1與初級側供 電變壓器2之間、初級側供電變壓器2與初級側供電變壓器3之間、以及初級側供電變壓器3 與初級側供電變壓器4之間。
[0073]在該情況下，&1、&2、&3、(： 14的電容為(：11 = (：12 = (：13 = (：14 = 4(：1，將(：1按照（公式3)那 樣進行設定。
[0074]另外，如圖6所示，初級側供電變壓器1、2、3、4也可以與高頻電源40并聯連接。該情 況下，作為初級側串聯電容器，將一個初級側串聯電容器C1W串聯的方式連接在高頻電源 40與初級側供電變壓器1、2、3、4的每一個之間。
[0075]在次級側諧振電容器C2像圖6那樣被并聯連接在次級側供電變壓器20與整流電路 51之間的情況下，初級側串聯電容器C1的電容以初級側電源功率因數為1的方式按照(公式 2)那樣進行設定。另外，在次級側諧振電容器(： 2像圖7那樣被串聯連接在次級側供電變壓器 20與整流電路51之間的情況下，將初級側串聯電容器&的電容以在初級側形成串聯諧振電 路的方式按照(公式3)那樣進行設定。
[0076]這樣，若將初級側供電變壓器1、2、3、4與高頻電源40并聯連接，則電流集中在與次 級側供電變壓器20接近的初級側供電變壓器2,因此能夠抑制來自不與車輛對置的位置的 初級側供電變壓器1、3、4的漏磁通。
[0077]接下來，對確認本發明的非接觸供電系統的特性的實驗結果進行說明。
[0078]在該實驗中，如圖8所示，在串聯連接的多個初級側供電變壓器61、62、63與次級側 供電變壓器70對置的狀態下移動次級側供電變壓器70的位置，對改變初級側供電變壓器彼 此間的間隔時次級側輸出的變化、效率的變化進行了測定。圖9表示實際的實驗裝置。初級 側供電變壓器以及次級側供電變壓器由在H字形芯體卷繞繞線的雙側卷繞線圈構成，并配 置為與圖1相同的朝向，該H字形芯體的磁極的長度為3 0 Omm，磁極間的距離為2 5 Omm。
[0079]圖10表示改變兩個初級側供電變壓器的間隔時次級側供電變壓器的輸出的變化。 這里，在DC輸入為210V、高頻電源的輸出頻率f = 30kHz、初級側供電變壓器與次級側供電變 壓器的間隙= 70mm的條件下進行測定。
[0080]圖10的橫軸表示次級側供電變壓器的移動位置(mm)，縱軸表示來自次級側供電變 壓器的輸出電力(W)。在該圖中，曲線（1)表示兩個的初級側供電變壓器的磁極端部間的距 離（以下，稱為變壓器間隔）為300mm的情況，曲線⑵表示變壓器間隔為350mm的情況，曲線 (3)表示變壓器間隔為400mm的情況，曲線(4)表示變壓器間隔為450mm的情況，曲線(5)表示 變壓器間隔為500mm的情況，曲線(6)表示變壓器間隔為550mm的情況，而且，曲線（7)表示變 壓器間隔為600mm的情況。
[0081 ]另外，圖11表示該情況下的供電效率（向初級側供電變壓器的輸入電力與來自次 級側供電變壓器的輸出電力之比）。
[0082]根據上述測定結果能夠確認：即便變壓器間隔為600mm(即，初級側供電變壓器的 磁極長度的2倍的距離），也能夠實現向次級側供電變壓器的供電。此外，"變壓器間隔為初 級側供電變壓器的磁極長度的2倍"是指從初級側供電變壓器的磁極的中心至鄰接的初級 側供電變壓器的磁極的中心為止的距離為磁極長度的3倍。
[0083] 因此，在本發明的非接觸供電系統中，當將初級側供電變壓器的磁極尺寸設為D 時，只要按照從初級側供電變壓器的磁極的中心位置至鄰接的初級側供電變壓器的磁極的 中心位置為止的距離不超過3D的范圍，即便多個初級側供電變壓器分離成踏腳石狀，也能 夠不中斷地執行向次級側供電變壓器的供電。
[0084] 此外，這里對構成初級側供電變壓器以及次級側供電變壓器的雙側卷繞線圈的芯 體為H字形狀的情況進行了說明，但也可以如圖12所示那樣，使用圍繞板狀的芯體10卷繞繞 線11的雙側卷繞線圈。
[0085] 產業上的可利用性
[0086]本發明的非接觸供電系統針對移動體的行駛路徑的設置工程容易并且能夠遍及 較長區間地對行駛中的移動體進行供電，能夠廣泛地應用于電動汽車、插電式混合動力汽 車等各種移動體的行駛中供電。
[0087] 附圖標記說明：
[0088] 1、2、3、4· · ·初級側供電變壓器；10. · ·板狀芯體；11. · ·繞線；12. · .H字形芯體的磁 極部;20,21...次級側供電變壓器;31，32...磁極;33...繞線;34...鋁屏蔽板;40...高頻 電源;41. . .AC/DC轉換器;42...逆變器;51...整流電路;52...充電電路;53...蓄電元件； 102...次級側線圈（受電線圈）；202...初級側線圈（輸電線圈LC 1...初級側串聯電容器； C2...次級側諧振電容器;(^、(^、(^、(^...分割后的初級側串聯電容器。
【主權項】
1. 一種非接觸供電系統，是從地上側向行駛中的移動體以非接觸方式進行供電的非接 觸供電系統，其特征在于， 地上側具備： 多個初級側供電變壓器，沿著移動體的行駛路徑設置； 高頻電源，經由電線向所述初級側供電變壓器供給高頻交流電；以及 初級側串聯電容器，與所述初級側供電變壓器串聯連接， 移動體具備： 次級側供電變壓器，從所述初級側供電變壓器以非接觸方式被供電； 整流器，將由所述次級側供電變壓器受電的交流電整流為充電用；以及 次級側諧振電容器，被串聯連接或并聯連接在所述次級側供電變壓器與所述整流器之 間， 所述初級側供電變壓器以及次級側供電變壓器分別由繞線被卷繞在芯體的磁極間的 部分的兩側卷繞線圈形成，該芯體在兩端具有磁極，所述初級側供電變壓器以及次級側供 電變壓器以與芯體兩端的磁極平行的線的方向同所述移動體的行進方向一致的方式設置 于所述行駛路徑或移動體， 在將所述初級側供電變壓器的所述行進方向上的所述磁極的尺寸設為D時，按照從所 述初級側供電變壓器的所述磁極的中心位置至鄰接的初級側供電變壓器的所述磁極的中 心位置為止的距離不超過3D的范圍，沿著所述行駛路徑分離地設置有所述多個初級側供電 變壓器。2. 根據權利要求1所述的非接觸供電系統，其特征在于， 所述多個初級側供電變壓器與所述高頻電源串聯連接。3. 根據權利要求2所述的非接觸供電系統，其特征在于， 一個所述初級側串聯電容器被串聯連接在所述高頻電源和與該高頻電源連接的一個 所述初級側供電變壓器之間。4. 根據權利要求2所述的非接觸供電系統，其特征在于， 所述初級側串聯電容器分別被串聯連接在所述高頻電源和與該高頻電源連接的一個 所述初級側供電變壓器之間、以及鄰接的所述初級側供電變壓器之間。5. 根據權利要求1所述的非接觸供電系統，其特征在于， 所述多個初級側供電變壓器與所述高頻電源并聯連接。6. 根據權利要求5所述的非接觸供電系統，其特征在于， 一個所述初級側串聯電容器被連接在所述高頻電源和與該高頻電源并聯連接的各初 級側供電變壓器之間。7. 根據權利要求1所述的非接觸供電系統，其特征在于， 所述芯體形成為Η字形芯體。
【文檔編號】B60L11/18GK106061789SQ201480076751
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2014年3月4日
【發明人】保田富夫, 岸洋之, 乘越勇美
【申請人】株式會社泰庫諾瓦