JP2018166394A - 誘導給電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】実用性に優れた誘導給電装置を提供する。【解決手段】車輌バッテリへの給電を開始する前に、車輌コイル（二次コイル）２２が巻かれていない可動コア２１が、地上コイル（一次コイル）１２が巻かれた地上コア１１の上に降下する。これにより、車輌コイルと地上コイルとの間の相互インダクタンスが大幅に改善される。地上コイルに接続されるトランスミッタは地上コイルの漏れインダクタンスに蓄積される磁気エネルギーを使用する降圧チョッパをもつ。車輌コイルに接続されるレシーバは、車輌コイルの漏れインダクタンスに蓄積される磁気エネルギーを使用する昇圧チョッパをもつ。レシーバ及びトランスミッタは絶縁タイプの単方向又は双方向DCDCコンバータを構成する。変圧器を構成するトランスミッタの一次コイル及びレシーバの二次コイルはそれぞれ、チョッパのインダクタとして動作する漏れインダクタンスをもつ。【選択図】図１

Description

本発明は、誘導給電装置に関し、特に電気自動車用の誘導充電装置に関する。

小型バッテリが採用されるなら、電気自動車の製造コスト及び重量は低減される。この重量軽減は電気自動車の走行距離を延長する。しかし、頻繁な充電を必要とする小型バッテリは充電作業の自動化を要求する。これにより、エアギャップを通じて地上コイルから車輌コイルへ電磁エネルギーを供給する公知のワイヤレス充電技術は電気自動車技術において潜在的に非常に重要であることが理解される。

２０kHzというような比較的低い周波数を用いる誘導給電（IPT)技術は電磁波ノイズ問題及びスイッチング損失問題を改善する。しかし、従来のIPT技術において、有効なエアギャップ長及び有効な水平位置ずれ長は非常に短い。本発明者により出願された特許文献１及び２は、車輌コアに巻かれた車輌コイルを移動させるIPＴ技術を提案している。しかしながら、重い車輌コア及び車輌コイルは大型の昇降装置が必要となる。

従来のワイヤレス充電技術は力率改善のために共振回路を採用する。しかし、漏れインダクタンスとキャパシタとの間を往復する共振電流は、地上コイルから車輌コイルへの有効な電力伝送とは無関係な電力損失を発生させる。さらに、地上コイル及び車輌コイルの各インダクタンス値はそれぞれ、環境変化により変化する。したがって、地上コイル及び車輌コイルの各共振を正確に実現することは簡単では無い。

特開２０１０-２２１８３号公報 特開２０１１-１５２０２５号公報

本発明の一つの目的は、実用性に優れた誘導給電装置を提供することである。本発明の更に具体的な目的は、製造コスト、電力伝送効率、水平位置ずれマージン、電磁波ノイズなどの点で優れた性能をもつ電気自動車用の誘導給電装置を提供することである。

本発明の一つの様相によれば、車輌コアの一部である可動コアだけが誘導給電のために地上コアの上に降下する。これにより、優れた特性をもつ誘導給電装置を実現することができる。

好適には、車輌コアは、車輌の底部に固定された固定コアと、固定コアに磁気的に接続される可動コアとからなる。車輌コイルは固定コアに巻かれる。可動コアは、垂直移動可能な前アーム及び後アームをもつ。回動可能な前アームは固定コアの前端に接触する。回動可能な後アームは固定コアの後端に接触する。車輌の幅方向に延在する前プレートが前アームの先端部に支持される。車輌の幅方向に延在する後プレートが後アームの先端部に支持される。地上コアは、地上コイルが巻かれた中央ロッドと、中央ロッドから前方へ延在する前ロッドと、中央ロッドから後方へ延在する後ロッドとを有する。これにより、十分な位置ずれマージンを実現することができる。

本発明のもう一つの様相によれば、地上コイルに電力を供給するトランスミッタと、車輌コイルから受け取る電力を整流するレシーバとが準備される。このトランスミッタは地上コイルの漏れインダクタンスを降圧チョッパのインダクタとして用いる。このレシーバは、車輌コイルの漏れインダクタンスを昇圧チョッパのインダクタとして用いる。これにより、優れた電力伝送効率をもつ誘導給電装置が経済的に実現される。好適には、直列接続された二次インダクタ及び車輌コイルは、トラクションインバータの交流出力端子にダイオードを通じて接続される。昇圧チョッパのインダクタに磁気エネルギーを蓄積する二次トランジスタは、トラクションインバータの下アームトランジスタからなる。昇圧チョッパのインダクタに蓄積された磁気エネルギーを車両用バッテリに出力する出力ダイオードは、トラクションインバータの上アームトランジスタの逆並列ダイオードを含む。これにより、レシーバの製造コストが低減される。

降圧チョッパを有するトランスミッタ、及び、昇圧チョッパを有するレシーバを有する上記誘導給電装置は非共振動作する。この非共振型の誘導給電装置は電気自動車以外の用途において採用されることができる。レシーバの出力電圧はトランスミッタに印加される一次電圧と本質的に無関係であるため、レシーバは降圧動作を実行することもできる。たとえば、このトランスミッタ及びレシーバを有する非共振型の誘導充電装置はポータブル電子機器に内蔵されるバッテリの充電に好適である。この非共振型の誘導充電装置の一つの利点は、二次コイルと一次コイルとからなる変圧器が大きな電磁結合係数の変化を許容することである。これは、一次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための一次共振周波数の調整、及び、二次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための二次共振周波数の調整が省略できることを意味する。さらに、一次共振キャパシタ及び二次共振キャパシタを省略することができる。たとえば、レシーバを内蔵するスマートホンは、それをプレート状のトランスミッタの上に置くだけで充電される。

図１は実施例１のIPTシステムの変圧器を示す模式垂直断面図である。 図２は図１に示される変圧器を示す模式平面図である。 図３は地上コイルが巻かれた中央ロッドを示す垂直断面図である。 図４は車輌コアの前プレート、前アーム、及び中央ロッドを示す模式図である。 図５は車輌コアの前プレート、前アーム、及びギヤードモータを示す模式図である。 図６は前アームを示す水平断面図である。 図７は前プレートを示す垂直断面図である。 図８は車輌コイルが巻かれた中央ロッドを示す軸方向断面図である。 図９は車輌コイルが巻かれた中央ロッドを示す径方向断面図である。 図１０は非共鳴誘導充電（NR-IPT)回路を示す配線図である。 図１１はNR-IPTの蓄積期間を示す等価回路図である。 図１２はNR-IPTの出力期間を示す等価回路図である。 図１３は実施例２のＩＰＴシステムを示す模式平面図である。 図１４は図１３に示されるIPTシステムの地上部を示す垂直断面図である。 図１５は地上コントローラと車輌コントローラとの通信を行う通信回路を示す第３実施例のブロック回路図である。 図１６はトラクションインバータをスイッチング回路として含むレシーバを示す実施例４の回路図である。

本発明の好適な実施態様が図面を参照して説明される。図面において、文字Ｈは高さ方向を示し、文字Ｌは長手方向を示し、文字Ｗは幅方向を示す。

駐車スペースにおける電気自動車の充電が図１-図９を参照して説明される。図１は駐車スペースに設置される誘導給電（ＩＰＴ）システムの変圧器１００を示す模式垂直断面図である。図２は変圧器１００の模式平面図である。変圧器１００は地上部１と車輌部２とからなる。地上部１は駐車スペースの地表面に設置され、車輌部２は電気自動車の底部に設置されている。地上部１は地上コア１１に巻かれた地上コイル１２をもつ。車輌部２は車輌コア２１に巻かれた車輌コイル２２をもつ。地上コア１１及び車輌コア２１はパワーフエライトと呼ばれるソフトフエライトにより作製されている。

地上コア１１は駐車スペースの長手方向及び幅方向において中央部に配置されている。地上コア１１は前ロッド１１１、後ロッド１１２、中央ロッド１１３、前ブロック１１４、及び後ブロック１１５からなる。地上コイル１２は中央ロッド１１３に巻かれている。図２に示されるように、前ロッド１１１、後ロッド１１２、中央ロッド１１３、前ブロック１１４、及び後ブロック１１５は駐車スペースの長手方向へ一列に配置されている。

前ブロック１１４は中央ロッド２１３の前端を前ロッド１１１の後端に磁気的に結合している。後ブロック１１５は中央ロッド１１３の後端を後ロッド１１２の前端に磁気的に結合している。前ロッド１１１及び後ロッド１１２はそれぞれ、順番に隣接する複数の短ロッドに分割されることができる。

前ロッド１１１、後ロッド１１２、前ブロック１１４、及び後ブロック１１５は、駐車スペースの地表面上に固定されている。中央ロッド１１３は前ブロック１１４及び後ブロック１１５の上部に接している。アルミニウム合金で作製された椀状カバー１１６が、中央ロッド１１３、前ブロック１１４、後ブロック１１５及び地上コイル１２を覆っている。前ロッド１１１は椀状カバー１１６から前方へ突出している。後ロッド１１２はカバー１１６から後方へ突出している。前ロッド１１１及び後ロッド１１２はそれぞれ長板からなる。アルミニウム合金製の保護バー１１７が前ロッド１１１及び後ロッド１１２の両側に沿って延在している。保護バー１１７はそれぞれ角形の断面をもつ。図３は地上コイル１２が巻かれた中央ロッド１１３の垂直断面を示す。円柱形状の中央ロッド１１３は軸心m３をもつ。もし可能であれば、前ブロック１１４、中央ロッド１１３、後ブロック１１５及び地上コイル１２は、車輌スペース又は道路の表面下に埋設されることが好適である。

車輌部２は車輌コア２１に巻かれた車輌コイル２２を有する。車輌コア２１は、前プレート２１１、後プレート２１２、中央ロッド２１３、前ブロック２１４、後ブロック２１５、前アーム２１６、及び後アーム２１７からなる。パワーフエライトからなるコア部材２１１-２１７はそれぞれ、複数の短いコア部材により構成されることができる。これにより、コア部材２１１-２１７が機械衝撃により破損するのを抑制することができる。車輌コイル２２は中央ロッド２１３に巻かれている。中央ロッド２１３、前ブロック２１４、及び後ブロック２１５は車輌の底部に固定されている。円柱形状の中央ロッド２１３は軸心ｍ２をもつ。

中央ロッド２１３は電気自動車の左座席及び右座席の間を車輌の長手方向へ延在している。中央ロッド２１３及び車輌コイル２２は非磁性のカバーにより覆われている。立方体状の前ブロック２１４は中央ロッド２１３の前端と前ロッド２１１の後端とを磁気的に結合している。立方体状の後ブロック２１５は中央ロッド２１３の後端と後ロッド２１２の前端とを磁気的に結合している。

図４は前プレート２１１、前アーム２１６、及び中央ロッド２１３を模式的に示す。図５は前プレート２１１、前アーム２１６、及びギヤードモータＭ１を模式的に示す。図６は前アーム２１６の水平断面を示す。図７は前プレート２１１の垂直断面を示す。前プレート２１１は車輌の幅方向へ延在している。板状の前プレート２１１は前ロッド１１１の上面に接している。前プレート２１１は、上方へ突出する突起２１８をもつ。

板状の前アーム２１６の２個の下端部は、図２に示されるように前プレート２１１の突起２１８を挟んでいる。前アーム２１６の側面は突起２１８の側面に接している。図７に示されるように、非磁性金属製のピン２２６が２個の前アーム２１６と突起２１８を貫通している。ピン２２６は軸心ｍ４をもつ。これにより、前プレート２１１は垂直面内において回動可能となっている。

前アーム２１６の２個の上端部は車輌コア２１の前ブロック２１４を挟んでいる。前アーム２１６の側面は前ブロック２１４の側面に接している。図５に示されるように、軸心ｍ１をもつ軸２２７が２個の前アーム２１６及び前ブロック２１４を貫通している。前アーム２１６に固定された軸２２７は、車輌の底板に固定されたギヤードモータＭ１の軸に連結されている。ギヤードモータＭ１は前アーム２１６を垂直面内において回動させる。前アーム２１６は非充電時に水平方向に延在し、充電時に斜めに延在する。これにより、前プレート２１１は非充電時に電気自動車の底板付近に上昇し、充電時に地上コア１１の前ロッド１１１に接触する。

図６に示されるように、前アーム２１６の３つの平坦な表面はアルミ製の補強アーム２２１に接着されている。同様に、後アーム２１７も補強アームに接着されている。

図７に示されるように、前プレート２１１の下面を除く３つの平坦な表面はアルミ合金製の補強プレート２２１に接着されている。同様に、後プレート２１２の下面を除く３つの平坦な表面はアルミ合金製の補強プレートに接着されている。これらの補強アーム及び補強プレートは、渦電流を防止するために、パワーフエライト製の軟磁性コア部材を完全に囲んでいない。

後アーム２１７は前アーム２１６と同一形状をもち、後プレート２１２は前プレート２１１と同一形状をもつ。車輌の幅方向へ延在している後プレート２１２は地上コア１１の後ロッド１１２の上面に接している。突起２１８と同一形状の突起２１９が後プレート２１２の中央部から上方へ突出している。

後アーム２１７の２個の下端部は後プレート２１２の突起２１９を挟んでいる。後アーム２１７の側面は突起２１９の側面に接している。軸心ｍ４をもつ非磁性ピンが２個の後アーム２１７と突起２１９を貫通している。これにより、後プレート２１２は垂直面内において回動可能となっている。

後アーム２１７の２個の上端部は後ブロック２１５を挟んでいる。後アーム２１７の側面は後ブロック２１５の側面に接している。軸ｍ１をもつ軸２２８が２個の後アーム２１７及び後ブロック２１５を貫通している。後アーム２１７に固定されている軸２２８は、車輌の底板に固定された第２のギヤードモータの軸に連結されている。第２のギヤードモータは後アーム２１７を垂直面内において回動させる。図１に示されるように、後アーム２１７は非充電時に水平方向に延在し、充電時に斜めに延在する。これにより、後プレート２１２は非充電時に電気自動車の底板付近に上昇し、充電時に地上コア１１の後ロッド１１２に接触する。

図８及び図９は車輌コイル２２が巻かれた中央ロッド２１３を示す。中央ロッド２１３の前端は前ブロック２１４の後端面に接触している。中央ロッド２１３の後端は後ブロック２１５の前端面に接触している。前ブロック２１４、中央ロッド２１３、車輌コイル２２、及び後ブロック２１５はアルミ合金で作製された半円筒状のカバー２３１により覆われている。カバー２３１の底部は樹脂板２３０により覆われている。カバー２３１は、冷却空気流ＡＩＲが車輌コイル２２の周囲を旋回する空気ダクトとして働く。図略の冷却フアンにより形成された冷却空気流ＡＩＲは、カバー２３１の入り口からカバー２３１の内部に導入され、カバー２３１の出口から排出される。案内部材２３７は冷却空気流ＡＩＲを案内する。

互いに分離された４枚の放熱用銅板２３３が中央ロッド２１３と車輌コイル２２との間に軸方向へ挿入されている。銅板２３３は、車輌コイル２２の外側へ延在する外板部２３２及び外板部２３４をもつ。外板部２３４はカバー２３１に接している。これにより、中央ロッド２１３及び車輌コイル２２は良好に冷却される。電気絶縁用の樹脂部材２３５が、互いに隣接する２つの銅板２３３の間に配置されている。

車輌バッテリの充電動作が以下に説明される。地上部１は、電力を地上コイル１２に供給するトランスミッタと、このトランスミッタを制御する地上コントローラをもつ。車輌部２は、電力を車輌バッテリに供給するレシーバと、このレシーバを制御する車輌コントローラをもつ。

地上コントローラは、地上コイル１２のインダクタンス値を検出するために、地上コイル１２に定期的に交流電流を供給する。電気自動車が地上部１の上に存在する時、地上コイル１２のインダクタンス値は増加する。地上コイル１２のインダクタンスが所定値を超える時、トランスミッタはバッテリ充電のための交流電流を地上コイル１２に供給する。

車輌コントローラは、車輌コイル２２に誘導される交流電圧を検出する。検出された交流電圧が所定値を超える時、車輌コントローラは、前プレート２１１及び後プレート２１２が前ロッド１１１及び後ロッド１１２の上方に位置していると判定し、電気自動車を停止させる。電気自動車が停止した後、車輌コントローラは前アーム２１６及び後アーム２１７を回動させる。これにより、前プレート２１１が前ロッド１１１の上面に接触し、後プレート２１２が後ロッド１１２の上面に接触する。

これにより、車輌コイル２２と地上コイル１２との磁気結合係数が改善され、車輌コイル２２に誘導される二次電圧が上昇する。車輌コイル２２に接続されたレシーバは、車輌コイル２２の誘導電圧を整流する。整流された電圧は車輌バッテリに印加される。車輌コントローラは、バッテリの充電電流を制御するために、車輌バッテリの充電状態に基づいてレシーバを制御する。

車輌バッテリの充電状態が所定レベルを超えた時、車輌コントローラは、前アーム２１６及び後アーム２１７を反対方向へ回動させる。これにより、前プレート２１１及び後プレート２１２は電気自動車の底板近傍まで上昇する。地上コントローラは、地上コイル１２のインダクタンス値が減少する時、送電を停止する。

この実施例の利点が説明される。まず、閉磁気回路がソフトフエライトコアにより完成されるので、励磁電力は低減される。次に、コイル１１及び２２が円柱状のロッド１１３及び２１３に巻かれるため、銅損が大幅に低減される。次に、車輌コア２１の一部だけがスイングされるため、スイングモータはコンパクトになる。さらに、たとえタイヤ圧力の変化により中央ロッド２１３の高さが変化しても、車輌コア２１と地上コア１１との間のエアギャップをキャンセルすることができる。次に、車輌コイル２２と地上コイル１２との間の水平位置ずれマージンが改善される。

地上部１は、駐車スペースの幅方向の中央部かつ長手方向の中央部に配置される。これにより前進による駐車及び後退による駐車の両方において、地上部１は車輌部２と良好に電磁結合することができる。

上記説明されたトランスミッタ及びレシーバの好適例が図１０-図１２を参照して説明される。共振を利用しないこの誘導給電は非共振誘導給電（NR-IPT）と名付けられる。このNR-IPT回路は、変圧器１００、トランスミッタ２００、レシーバ３００、地上コントローラ５００、及び車輌コントローラ６００からなる。変圧器１００の一次コイルは地上コイル１２からなり、変圧器１００の二次コイルは車輌コイル２２からなる。この実施例において、地上コイル１２及び車輌コイル２２の間の電磁結合係数kは約０．５に設定されている。

トランスミッタ２００は、トランジスタ２０１、フリーホィーリングダイオード２０２、インダクタ２０３、及び地上コイル１２からなる。この実施例によれば、インダクタ２０３は地上コイル１２の漏れインダクタンスからなる。地上側の直流電源（図示せず）の＋端子はインダクタ２０３、地上コイル１２、及びトランジスタ２０１を通じて地上側直流電源の−端子に接続されている。ダイオード２０２のアノード電極は、地上コイル１２とトランジスタ２０１との接続点に接続されている。ダイオード２０２のカソード電極は、地上側直流電源の＋端子に接続されている。言い換えれば、ダイオード２０２は、インダクタ２０３を含む地上コイル１２と逆並列に接続されている。トランスミッタ２００は、交流電流成分及び直流電流成分からなる一次電流をインダクタ２０３を通じて地上コイル１２に供給する。

レシーバ３００は、トランジスタ３０１、出力ダイオード３０２、インダクタ３０３、及び車輌コイル２２からなる。この実施例によれば、インダクタ３０３は車輌コイル２２の漏れインダクタンスからなる。車輌コイル２２の一端は、インダクタ３０３を通じてトランジスタ３０１のドレイン電極に接続されている。車輌コイル２２の他端は、トランジスタ３０１のソース電極に接続されている。出力ダイオード３０２のアノード電極はインダクタ３０３とトランジスタ３０１との接続点に接続されている。出力ダイオード３０２のカソード電極はバッテリ４００の正極に接続されている。バッテリ４００の負極は車輌コイル２２の他端に接続されている。昇圧チョッパとして動作するレシーバ３００は、車輌コイル２２の誘導電圧とインダクタ３０３の電圧との和をバッテリ４００に印加する。

このNR-IPTCの充電動作の一例が以下に説明される。地上コントローラ５００がトランジスタ２０１をオンすると、地上コイル１２に流れる一次電流I1が増加し、インダクタ２０３に磁気エネルギーが蓄積される。

バッテリ４００の電圧Vbが所定値未満である時、車輌コントローラ６００はレシーバ３００を昇圧チョッパとして動作させる。車輌コントローラ６００は車輌コイル２２に誘導される二次電圧V2が所定値を超える時、トランジスタ３０１をオンする。これにより、二次電流I2が増加し、インダクタ３０３に磁気エネルギーが蓄積される。その結果、二次電流I2による変圧器１００の磁束変化を補償するため、一次電流I１が増加する。これにより、インダクタ２０３の磁気エネルギーがさらに増加する。地上コイル１２と車輌コイル２２の巻数が等しい時、一次電流I1は二次電流I2とほぼ等しい。

一次電流I1が所定しきい値I１thを超える時、地上コントローラ５００はトランジスタ２０１をオフする。これにより、一次電流I1はフリーホィーリングダイオード２０２を通じて循環する。その結果、車輌コイル２２に誘導される二次電圧V2はほほゼロとなる。車輌コントローラ６００は、二次電圧V2が所定値未満となる時、トランジスタ３０１をオフする。トランジスタ３０１がオフされる時、インダクタ３０３の磁気エネルギーは二次電流I2をダイオード３０２を通じてバッテリ４に流す。これにより、インダクタ３０３の磁気エネルギー及び二次電流I2は急速に減少する。その結果、変圧器１００の磁束変化を補償するため、一次電流I１が減少する。これは、インダクタ２０３の磁気エネルギーが低減されることを意味する。

この一次電流I1の強制的な減少は、ダイオード２０２を通じて流れるフリーホィーリング電流により保存されているインダクタ２０３の磁気エネルギーが変圧器１００を通じて車輌コイル２２に伝送されたことを意味する。言い換えれば、トランジスタ３０１が遮断される時、インダクタ２０３の磁気エネルギーは、二次電流I２の減少を抑制する。

一次電流I1が所定値未満となる時、地上コントローラ５００はトランジスタ２０１をオンする。これにより、次のサイクルが開始される。バッテリ４００の電圧Vbが所定値に達したら、車輌コントローラ６００はトランジスタ３０１のオンを禁止する。車輌コイル２２の誘導電圧V2は満充電状態のバッテリ４００の電圧よりも常に低い。したがって、満充電状態のバッテリ４００がレシーバ３００により充電されることはない。その結果、二次電流I2はゼロとなり、一次電流I1を減少する。地上コントローラ５００は、もし一次電流I1の増加率が所定値未満となったら、トランジスタ２０１のオンを禁止する。

上記充電制御作例によれば、トランジスタ２０１がオンされる時、トランジスタ３０１はオンされる。さらに、トランジスタ２０１がオフされる時、トランジスタ３０１はオフされる。しかし、他の充電動作例を採用することも可能である。たとえば、車輌コントローラ６００は、二次電流I２が所定しきい値I２thを超える時、トランジスタ３０１をオフすることができる。さらに、車輌コントローラ６００は、このしきい値電流値I2thを制御することにより、バッテリ４００の充電電流を調整することができる。たとえば、トランジスタ２０１のスイッチング周波数は２０kHzであり、そのデユーティ比は５０％である。トランジスタ２０１及び３０１は同時的にスイッチングされることが好ましいが、互いに独立に駆動されることもできる。トランジスタ３０１がトランジスタ２０１のオン期間にオフすることも可能である。トランジスタ３０１がトランジスタ２０１のオフ期間にオンされることも可能である。

図１１は、トランジスタ２０１及び３０１がオンしている蓄積期間を示す。地上側の直流電源（図示せず）はインダクタ２０３を通じて地上コイル１２に直流電圧Ｖ１を印加する。地上コイル１２を流れる一次電流Ｉ１は増加し、インダクタ２０３は逆起電力Ｖ１Ｌを誘起する。車輌コイル２２に誘起される二次電圧V2により、インダクタ３０３に流れる二次電流Ｉ２は増加され、インダクタ３０３は逆起電力Ｖ２Ｌを発生する。結局、インダクタ２０３及び３０３はこの蓄積期間に磁気エネルギーを蓄積する。

図１２はトランジスタ２０１及び３０１がオフしている出力期間を示す。インダクタ２０３に蓄積された磁気エネルギーは、ダイオード２０２を通じて一次電流Ｉ１を循環させる。インダクタ３０３に蓄積された磁気エネルギーは、ダイオード３０２を通じてバッテリ４００に二次電流Ｉ２を流す。二次電流Ｉ２が急速に減少するので、一次電流Ｉ１も急速に減少する。言い換えれば、インダクタ２０３に蓄積された磁気エネルギーは変圧器１００を通じて二次電流Ｉ２の減少を抑制する。結局、インダクタ２０３及び３０３に蓄積された磁気エネルギーはこの出力期間にバッテリ４００を充電する。

このNR-IPTによれば、変圧器１００の漏れインダクタンスに蓄積される磁気エネルギーがバッテリ４００の充電に使用される。したがって、このNR-IPTは、従来の共振式IPTと比べて、スイッチング素子及び共振キャパシタのコスト及び電力損失を減らす。特に、共振キャパシタと漏れインダクタンスとの間を流れる共振電流による電力損失が低減される。

信号機をもつ交差点の直前の道路における電気自動車の充電が図１３及び図１４を参照して説明される。図１３は交差点近傍の車道の一部を示す模式平面図であり、図１４はこの車道の垂直断面を模式的に示す。この実施例のIPTシステムは上記駐車スペース用のIPTシステムと本質的に同じである。

複数の地上部１が、車道８００の幅方向における中央部に沿って車道８００の長手方向に所定のインタバルで配置されている。各地上部１はそれぞれ、地上コア１１及び地上コイル１２からなる。地上コア１１は、前ロッド１１１、後ロッド１１２、中央ロッド１１３、前ブロック１１４、及び後ブロック１１５からなる。地上コイル１２は中央ロッド１１３に巻かれている。この地上コア１１は、図１に示される地上コア１１と等しい。しかし、中央ロッド１１３、前ブロック１１４、後ブロック１１５、及び地上コイル１２は車道８００に埋設されている。図１３及び図１４に示される埋設型の地上部１は駐車スペースに配置されることができる。

地上コア１１の詳細が図１４を参照して説明される。前ロッド１１１は板状のフエライトロッド１１１A及び軟磁性アスフアルト層１１１Bからなる。後ロッド１１２は板状のフエライトロッド１１２A及び軟磁性アスフアルト層１１２Bからなる。フエライトロッド１１１A及び１１２Aは本質的に図１に示される前ロッド１１１及び後ロッド１１２と同じである。アスフアルト層１１１Bはフエライトロッド１１１Aの上にコートされている。アスフアルト層１１２Bはフエライトロッド１１２Aの上にコートされている。アスフアルト層１１１B及び１１２Bは、フエライト砂及びフエライト砂利を含む軟磁性アスフアルト層である。フエライト砂及びフエライト砂利を含む軟磁性コンクリート層を軟磁性アスフアルト層の代わりに採用することも可能である。フエライト砂及びフエライト砂利は従来のアスフアルト又はコンクリートの砂及び砂利と等しいサイズをもつ。前ロッド１１１及び後ロッド１１２は、従来の非磁性アスフアルト層６６２又は非磁性コンクリート層の上に敷設されている。

ソフトフエライトにより形成された中央ロッド１１３、前ブロック１１４、後ブロック１１５、及び地上コイル１２は、コンクリートボックス６６５に収容されている。コンクリートボックス６６５の上端開口はコンクリート板６８０により閉鎖されている。前ロッド１１１の後端は前ブロック１１４の上端に密着し、後ロッド１１２の前端は後ブロック１１５の上端に密着している。前ブロック１１４及び後ブロック１１５はそれぞれ、コンクリートボックス６６５の内壁面に沿って下方へ延在している。中央ロッド１１３は、前ブロック１１４及び後ブロック１１５に接している。トランジスタ２０１、ダイオード２０２、及び、コントローラ５００はコンクリートボックス６６５に収容される。

地上コントローラ５００と車輌コントローラ６００の間の通信が図１５を参照して説明される。種々の駐車スペース及び交差点に設置された地上部１を使用する電気自動車の充電料金は毎月積算される必要がある。このために、地上コントローラ５００と車輌コントローラ６００の間の通信が要求される。

図１５に示される通信回路は、地上側回路１０Aと車輌側回路１０Bとからなる。地上側回路１０Aは地上コントローラ５００に含まれ、車輌側回路１０Bは車輌コントローラ６００に含まれる。地上側回路１０Aは、発振回路５A、コイル３、高周波フィルタ６A、整流回路７A、ローパスフィルタ８A、及びキャパシタ９Aを有する。車輌側回路１０Bは、発振回路５B、コイル４、高周波フィルタ６B、整流回路７B、ローパスフィルタ８B、及びキャパシタ９Bを有する。

コイル３は地上コイル１２に隣接して中央ロッド１１３に巻かれている。コイル４は車輌コイル２２に隣接して中央ロッド２１３に巻かれている。コイル３及び４はそれぞれ、コイル１２及び２２よりも少ない巻数をもつ。発振回路５Aは、コイル３及びキャパシタ９Aからなる並列共振回路に地上指令S3に基づいて１００kHzの発振電流を供給する。発振回路５Bは、コイル４及びキャパシタ９Bからなる並列共振回路に指令S4に基づいて１００kHzの発振電流を供給する。

高周波フィルタ６Aは発振電圧成分を整流回路７Aに送る。高周波フィルタ６Bは発振電圧成分を整流回路７Bに送る。整流回路７Aは整流された発振電圧成分をローパスフィルタ８Aに送る。整流回路７Bは整流された発振電圧成分をローパスフィルタ８Bに送る。ローパスフィルタ８Aは整流電圧の低域成分S1を地上コントローラ５００に送り、ローパスフィルタ８Bは整流電圧の低域成分S2を車輌コントローラ６００に送る。さらに、車輌コントローラ６００は、自己のID情報を地上コントローラ５００に送り、地上コントローラ５００は所定の情報をセンターコンピュータに送る。

実施例４が図１６を参照して説明される。この実施例によれば、実施例２に示される非共振誘導給電（NR-IPT）回路に示されるトランジスタ３０１及び出力ダイオード３０２はトラクションインバータ８０からなる。車両バッテリ４００から給電されるこのトラクションインバータ８０はトラクションモータ９００を駆動する。このトラクションモータ９００は星形接続されたU相コイル９１、V相コイル９２、及びW相コイル９３をもつ。トラクションモータ９００は公知の種々の形式を採用することができる。

トラクションインバータ８０は、U相レグ、V相レグ、及びW相レグをもつ。直列接続された上アームトランジスタ８１及び下アームトランジスタ８４からなるU相レグの出力端子はU相コイル９１に接続される。直列接続された上アームトランジスタ８２及び下アームトランジスタ８５からなるV相レグの出力端子はV相コイル９２に接続される。直列接続された上アームトランジスタ８３及び下アームトランジスタ８６からなるW相レグの出力端子はW相コイル９３に接続される。トランジスタ８１-８６は、逆並列ダイオードをもつIGBTからなる。

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トランスミッタ２００は図１０-図１２に示されるトランスミッタ２００と同じである。レシーバ３００はトラクションインバータ８０、ダイオード７１-７３、インダクタ３０３、及び車輌コイル２２からなる。車輌コイル２２の一端は、インダクタ３０３を通じてダイオード７１-７３のアノード電極に接続されている。ダイオード７１-７３のカソード電極は、トラクションインバータ８０の３つの出力端子に別々に接続されている。車輌コイル２２の他端は、バッテリ４００の負極に接続されている。

トラクションインバータ８０の動作が説明される。地上コントローラ５００は、図１０-図１２に示されるトランジスタ２０１のスイッチングを制御する。一次電流I1が所定の低値より低くなる時、トランジスタ２０１はオンされる。一次電流I1が所定の高値に達した時、トランジスタ２０１はオフされる。車両コントローラ６００は車両コイル２２の電圧変化に基づいてトランジスタ２０１の状態を検出し、トランジスタ２０１と同期してトラクションインバータ８０の下アームトランジスタ８４-８６をスイッチングする。言い換えれば、下アームトランジスタ８４-８６はトランジスタ３０１と同じスイッチング動作を実行する。

トランジスタ２０１がオンされる時、一次電流I１が増加し、車輌コイル２２の二次電圧が上昇する。これにより下アームトランジスタ８４-８６がオンされる。その結果、インダクタ３０３に流れる二次電流I２が増加し、磁気エネルギーがインダクタ３０３に蓄積される。その結果、インダクタ２０３に流れる一次電流I１が増加し、磁気エネルギーがインダクタ２０３に蓄積される。

トランジスタ２０１がオフされる時、車輌コイル２２の二次電圧が急激に変化する。これにより、下アームトランジスタ８４-８６はオフされる。その結果、インダクタ３０３に蓄積された磁気エネルギ-は、トラクションインバータ８０の上アームトランジスタ８１-８３の逆並列ダイオードを通じてバッテリ４００に二次電流I２を供給する。上アームトランジスタ８１-８３を同期的にオンするいわゆる同期整流を実行することも可能である。言い換えれば、図１０-図１２に示される出力ダイオード３０２は、上アームトランジスタ８１-８３及び逆並列ダイオードからなる。

車両コントローラ６００は、バッテリ電圧Vbが所定値に達した時に下アームトランジスタ８４-８６のオンを禁止する。その結果、車両コイル２２を流れる二次電流I２が減少する。地上コントローラ５００は、一次電流I1の減少に基づいて下アームトランジスタ８４-８６のこのオフを検出する時、トランジスタ２０１のスイッチングを停止する。この実施例によれば、NR-IPT回路が簡素となる。さらに、抵抗損失が低減される。

降圧チョッパを有するトランスミッタ、及び、昇圧チョッパを有するレシーバを有する上記誘導給電装置は非共振動作する。この非共振型の誘導給電装置は電気自動車以外の用途において採用されることができる。レシーバの出力電圧はトランスミッタに印加される一次電圧と本質的に無関係であるため、レシーバは降圧動作を実行することもできる。たとえば、このトランスミッタ及びレシーバを有する非共振型の誘導充電装置はポータブル電子機器に内蔵されるバッテリの充電に好適である。この非共振型の誘導充電装置の一つの利点は、二次コイルと一次コイルとからなる変圧器が大きな電磁結合係数の変化を許容することである。これは、一次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための一次共振周波数の調整、及び、二次コイルの漏れインダクタンスをキャンセルするための二次共振周波数の調整が省略できることを意味する。さらに、一次共振キャパシタ及び二次共振キャパシタを省略することができる。たとえば、レシーバを内蔵するスマートホンは、それをプレート状のトランスミッタの上に置くだけで充電される。

結局、この非共振型の誘導給電装置は、絶縁型のDCDCコンバータであることが理解される。ダイオード２０２は、逆並列ダイオードをもつトランジスタに変更されることができる。このトランジスタは二次トランジスタ３０１と等価である。ダイオード３０２は、逆並列ダイオードをもつトランジスタに変更されることができる。このトランジスタは一次トランジスタ２０１と等価である。これにより、トランスミッタ２００はレシーバとして動作することができ、レシーバ３００はトランスミッタとして動作することができる。言い換えれば、４個のトランジスタをもつこの誘導給電装置は双方向絶縁型DCDCコンバータを構成することができる。

Claims (25)

1. 駐車スペース及び道路のいずれかの表面近傍に設置された軟磁性の地上コア及び地上コイルと、車輌の底部に設置された軟磁性の車輌コア及び車輌コイルと、地上コイルに電力を供給するトランスミッタと、車輌コイルの電力を車輌バッテリに供給するレシーバと、トランスミッタを制御する地上コントローラと、レシーバを制御する車輌コントローラとを備える誘導給電装置において、
   車輌コアは、車輌に固定された固定コアと、この固定コアに磁気結合する一対の可動コアとを有し、各可動コアの先端部と地上コアとの間の距離は変更可能であることを特徴とする電気自動車用の誘導給電装置。
2. 各可動コアは、車輌コイルと地上コイルとの間の相互インダクタンス値を変更するためにスイングモータによりスイングされる請求項１記載の電気自動車用の誘導給電装置。
3. 一対の可動コアは、固定コアの前端部に回動可能に接する一端部をもつ前アームと、前アームの他端部に支持される前プレートと、固定コアの後端部に回動可能に接する一端部を有する後アームと、後アームに支持される後プレートとを有する請求項２記載の電気自動車用の誘導給電装置。
4. 前プレート及び後プレートはそれぞれ、車輌のほぼ幅方向へ延在する請求項３記載の電気自動車用の誘導給電装置。
5. 前プレートは前アームに相対移動可能に支持され、後プレートは後アームに相対移動可能に支持される請求項４記載の電気自動車用の誘導給電装置。
6. 車輌コアの固定コアは、車輌コイルが巻かれた中央ロッドと、車輌の長手方向へ延在する中央ロッドの前端部と前アームとの間に配置される前ブロックと、中央ロッドの後端部と後アームとの間に配置される後ブロックとを有する請求項３記載の電気自動車用の誘導給電装置。
7. 前アームは前ブロックにスイング可能に接し、後アームは後ブロックにスイング可能に接する請求項６記載の電気自動車用の誘導給電装置。
8. 前アーム及び後アームは、非磁性金属からなる補強板により部分的に囲まれている請求項３記載の電気自動車用の誘導給電装置。
9. 前プレート及び後プレートは、非磁性金属からなる補強板により部分的に囲まれている請求項３記載の電気自動車用の誘導給電装置。
10. 地上コアは、地上コイルが巻かれた中央ロッドと、中央ロッドの前端部から前方へ延在する前ロッドと、中央ロッドの後端部から後方へ延在する後ロッドとを有する請求項２記載の電気自動車用の誘導給電装置。
11. 地上コアは、中央ロッドと前ロッドとの間に配置される前ブロックと、中央ロッドと後ロッドとの間に配置される後ブロックとを有し、中央ロッドは、前ブロック及び後ブロックの上部に接する請求項１０記載の電気自動車用の誘導給電装置。
12. 前ロッド及び後ロッドは、非磁性金属からなる補強板により部分的に囲まれている請求項１０記載の電気自動車用の誘導給電装置。
13. 地上コアは、中央ロッドと前ロッドとの間に配置される前ブロックと、中央ロッドと後ロッドとの間に配置される後ブロックとを有し、中央ロッド、前ブロック及び後ブロックは、前ロッド及び後ロッドよりも下方に埋設されている請求項１０記載の電気自動車用の誘導給電装置。
14. 前ロッド及び後ロッドは、フエライト砂及びフエライト砂利を含む軟磁性アスフアルト層又は軟磁性コンクリート層を有する請求項１３記載の電気自動車用の誘導給電装置。
15. トランスミッタは、直列接続された一次インダクタ及び地上コイルと直列接続される一次トランジスタと、直列接続された一次インダクタ及び地上コイルと逆並列接続されるフリーホィーリングダイオードとを有し、
    レシーバは、直列接続された二次インダクタ及び車輌コイルと並列接続される二次トランジスタと、この二次トランジスタの一端を出力端子に接続する出力ダイオードとを有する請求項１記載の電気自動車用の誘導給電装置。
16. 一次インダクタは主として地上コイルの漏れインダクタンスからなり、二次インダクタは主として車輌コイルの漏れインダクタンスからなる請求項１５記載の電気自動車用の誘導給電装置。
17. 地上コントローラは、一次トランジスタをオンする蓄積期間と、一次トランジスタをオフする出力期間とをもち、
    車輌コントローラは、二次トランジスタをオンする蓄積期間と、二次トランジスタをオフする出力期間とをもつ請求項１５記載の電気自動車用の誘導給電装置。
18. 車輌コントローラの蓄積期間は地上コントローラの蓄積期間と本質的に重なっている請求項１７記載の電気自動車用の誘導給電装置。
19. 地上コントローラ及び車輌コントローラは、地上コア及び車輌コアに別々に巻かれた一対の通信コイルを通じて互いに通信する請求項１記載の電気自動車用の誘導給電装置。
20. 駐車スペース及び道路のいずれかの表面近傍に設置された軟磁性の地上コア及び地上コイルと、車輌の底部に設置された軟磁性の車輌コア及び車輌コイルと、地上コイルに電力を供給するトランスミッタと、車輌コイルの電力を車輌バッテリに供給するレシーバと、トランスミッタを制御する地上コントローラと、レシーバを制御する車輌コントローラとを備える誘導給電装置において、
    トランスミッタは、直列接続された一次インダクタ及び地上コイルと直列接続される一次トランジスタと、直列接続された一次インダクタ及び地上コイルと逆並列接続されるフリーホィーリングダイオードとを有し、
    レシーバは、直列接続された二次インダクタ及び車輌コイルと並列接続される二次トランジスタと、この二次トランジスタの一端をレシーバの出力端子に接続する出力ダイオードとを有することを特徴とする電気自動車用の誘導給電装置。
21. 一次インダクタは主として地上コイルの漏れインダクタンスからなり、二次インダクタは主として車輌コイルの漏れインダクタンスからなる請求項２０記載の電気自動車用の誘導給電装置。
22. 地上コントローラは、一次トランジスタをオンする蓄積期間と、一次トランジスタをオフする出力期間とをもち、
    車輌コントローラは、二次トランジスタをオンする蓄積期間と、二次トランジスタをオフする出力期間とをもつ請求項２０記載の電気自動車用の誘導給電装置。
23. 車輌コントローラの蓄積期間は地上コントローラの蓄積期間とほぼ重なる請求項２２記載の電気自動車用の誘導給電装置。
24. 直列接続された二次インダクタ及び車輌コイルは、トラクションインバータの出力端子にダイオードを通じて接続される請求項２０記載の電気自動車用の誘導給電装置。
25. 一次コイル（１２）と、可動の二次コイル（２２）と、一次コイル（１２）に電力を供給するトランスミッタ（２００）と、二次コイル（２２）に接続されるレシーバ（３００）とを有する誘導給電装置において、
    トランスミッタ（２００）は、一次コイル（１２）を流れる一次電流をスイッチする一次トランジスタ（２０１）と、一次コイル（１２）に一次電流を循環させるフリーホィーリングダイオード（２０２）とを有し、
    レシーバ（３００）は、二次コイル（２２）を流れる二次電流をスイッチする二次トランジスタ（３０１）と、二次トランジスタ（３０１）の一端をレシーバ（３００）の出力端子に接続する出力ダイオード（３０２）とを有することを特徴とする誘導給電装置。

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