雙向非接觸供電系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供雙向的供電效率高的雙向非接觸供電系統(tǒng)。具備將直流轉(zhuǎn)換為交流的功能和將交流轉(zhuǎn)換為直流的功能的第一、第二、第三電力轉(zhuǎn)換器(20、10、40)、和初級側電路與電力轉(zhuǎn)換器(20)連接且次級側電路與電力轉(zhuǎn)換器(40)連接的非接觸供電裝置(30)，在從初級側電路向次級側電路供電時，電力轉(zhuǎn)換器(10)進行向直流的轉(zhuǎn)換動作，電力轉(zhuǎn)換器(20)進行向交流的轉(zhuǎn)換動作，電力轉(zhuǎn)換器(40)進行向直流的轉(zhuǎn)換動作，在從次級側電路向初級側電路供電時，電力轉(zhuǎn)換器(40)進行向交流的轉(zhuǎn)換動作，電力轉(zhuǎn)換器(20)進行向直流的轉(zhuǎn)換動作，電力轉(zhuǎn)換器(10)進行向交流的轉(zhuǎn)換動作。非接觸供電裝置(30)具有初級側串聯(lián)電容器(33)、次級側并聯(lián)電容器(34)以及次級側串聯(lián)電感器(35)，以高的效率執(zhí)行G2V以及V2G。
【專利說明】雙向非接觸供電系統(tǒng)

【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及以非接觸的方式對搭載于電動汽車等移動體的二次電池進行供電的 非接觸供電系統(tǒng)，是能夠進行雙向的供電，以便根據(jù)需要在電力系統(tǒng)、家庭中也能夠利用二 次電池中蓄積的電力的系統(tǒng)。

【背景技術】
[0002] 被搭載于電動汽車、插電式混合動力車的二次電池的充電方式存在對車輛連接充 電線纜而從外部電源進行供電的方式、和利用初級線圈（送電線圈）以及次級線圈（受電 線圈）間的電磁感應而以非接觸的方式從送電線圈向受電線圈供給電力的非接觸供電方 式。
[0003] 圖12示意性地表示了以非接觸供電方式對插電式混合動力車的二次電池104進 行充電的非接觸供電系統(tǒng)。
[0004] 插電式混合動力車具備發(fā)動機101、電機102作為驅(qū)動源，并具備作為電機用的 電源的二次電池104、以及將二次電池104的直流轉(zhuǎn)換為交流并向電機102供給的逆變器 103。
[0005] 向二次電池104進行供電的非接觸供電系統(tǒng)在地上側具備將商用電源105的交流 轉(zhuǎn)換為直流的整流器110、根據(jù)轉(zhuǎn)換后的直流生成高頻交流的逆變器120、作為非接觸供電 變壓器的一方的送電線圈131、以及與送電線圈131串聯(lián)連接的串聯(lián)電容器133,在車輛側 具備作為非接觸供電變壓器的另一方的受電線圈132、為了二次電池104而將交流轉(zhuǎn)換為 直流的整流器140、和并聯(lián)連接在受電線圈132與整流器140之間的并聯(lián)電容器134。
[0006] 其中，在該說明書中，將存在于逆變器120和整流器140之間并包括由送電線圈 131以及受電線圈132構成的非接觸供電變壓器、和電容器133、134的部分稱為"非接觸供 電裝置"。
[0007] 圖13表示了下述專利文獻1中記載的非接觸供電系統(tǒng)的基本電路。整流器110 具備整流元件和使被整流后的電流平滑化的平滑電容器。逆變器120如公知那樣具備由 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等構成的四個主開關、以反并聯(lián)的方式與各 主開關連接的四個反饋二極管、進行主開關的開關控制的控制部（未圖示），通過基于來自 控制部的控制信號的主開關的接通、斷開動作，從逆變器120輸出方波、基于脈沖寬度控制 而近似正弦波形的交流。
[0008] 初級線圈131、次級線圈132、初級側串聯(lián)電容器133以及次級側并聯(lián)電容器134 構成了非接觸供電裝置130。將該非接觸供電裝置130中的電容器133U34的初級串聯(lián) (series)、次級并聯(lián)（parallel)的連接方式稱為"SP方式"。
[0009] 從非接觸供電裝置130輸出的交流被具備整流元件和平滑電容器的整流器140整 流，向二次電池104供給。
[0010] 非接觸供電裝置130中的電容器的連接方式除了 SP方式以外，還公知有將串聯(lián)電 容器與初級側以及次級側連接的"SS方式"、將并聯(lián)電容器與初級側以及次級側連接的"PP 方式"等，在為SP方式的情況下，如果如下述專利文獻1記載那樣，將次級側并聯(lián)電容器134 的容量Cp以及初級側的串聯(lián)電容器的容量Cs如下那樣設定，則會與理想變壓器等效，得到 較高的供電效率，使得系統(tǒng)設計變?nèi)菀住?br> [0011] 即，在將初級線圈131的匝數(shù)設為&，將次級線圈132的匝數(shù)設為N2，將匝數(shù)比設 為a = N1；/N2,將換算為次級側的初級側的輸入電壓設為V' IN( = VIN/a),將輸入電流設為 I'IN( = aXIIN),將初級側電容器C的容量電抗設為x's( = xs/a2),將初級繞組的初級泄漏 電抗設為X' J = Xl/a2)，將勵磁電抗設為X' J = X(l/a2)，另外，將次級泄漏電抗設為x2，將 次級側電容器的容量電抗設為x P，將輸出電壓設為V2，將輸出電流設為I2Ij，并且，將1?頻電 源120的頻率設為= 2 π &時，次級側并聯(lián)電容器的容量Cp被設定為滿足下式（數(shù) 1)。
[0012] l/(c〇〇XCp) = xP = X，0+x2 (數(shù) 1)
[0013] 另外，初級側串聯(lián)電容器的容量Cs( = CS' /a2)被設定為滿足下式（數(shù)2)。
[0014] l/(c〇〇XCs，）=x，s
[0015] = (xf0Xxf !+χ?1Xx2+x2Xx,0) / (xf0+x2) (數(shù) 2)
[0016] 于是，SP方式的非接觸供電裝置的等效電路成為與匝數(shù)比b( = xV(x'Q+x2))的 理想變壓器等效，下式（數(shù)3)以及（數(shù)4)成立。
[0017] V2 = V，IN/b (數(shù) 3)
[0018] I2L = bI，IN (數(shù) 4)
[0019] 近年來，針對在家庭、配電網(wǎng)中利用電動汽車（EV)的二次電池所蓄積的多余電力 的"V2H"(Vehicle to Home:從車輛向家庭）、"V2G"(Vehicle to Grid:從車輛向電網(wǎng)）的 熱度正在高漲。
[0020] 在下述非專利文獻1中，響應于這樣的動向，正在研究非接觸供電系統(tǒng)中的雙向 化。圖14表示了在非專利文獻1中提出的雙向非接觸供電系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，EV用逆變 器201、202與非接觸供電裝置的初級側電路以及次級側電路分別連接。
[0021] 在從初級側向次級側供電時，EV用逆變器201將直流電源的直流轉(zhuǎn)換為交流。另 夕卜，對EV用逆變器202而言，所有的主開關斷開，利用反饋二極管所形成的整流橋?qū)拇渭?側電路輸出的交流進行整流，向負載供給。相反，在從次級側向初級側供電時，EV用逆變器 202將從負載輸出的直流轉(zhuǎn)換為交流，所有的主開關斷開的EV用逆變器201對從初級側電 路輸出的交流進行整流并向直流電源供給。
[0022] 在從初級側向次級側供電的情況下和相反的情況下，非接觸供電裝置都如采用SP 方式的電容器配置那樣，初級側電路以及次級側電路雙方具備串聯(lián)電容器、使該串聯(lián)電容 器的兩端短路的開關、并聯(lián)電容器、以及對該并聯(lián)電容器的連接進行接通、斷開的開關，按 照在供電方向為從初級側向次級側的情況下，初級側電路的串聯(lián)電容器和次級側電路的并 聯(lián)電容器發(fā)揮功能，在供電方向從次級側向初級側的情況下，次級側電路的串聯(lián)電容器和 初級側電路的并聯(lián)電容器發(fā)揮功能的方式，進行開關的切換。
[0023] 專利文獻1 :日本特開2011 - 45195號公報
[0024] 非特許文獻1:名雪、福島、宜保、根本、池谷「雙方向非接觸給電> 7 T A 〇提案 基本性能〇実証」電力中央研究所報告、H10007 (2011)
[0025] 然而，切換電路來使非接觸供電系統(tǒng)雙向化的方式需要向非接觸供電裝置導入切 換控制機構，另外，由于非接觸供電裝置的部件數(shù)量增加，所以無法避免成本增加。另外，為 了與送電方向（是G2V還是V2G)無關地使送電側的電壓與受電側的電壓成為幾乎相同的 電平，需要利用逆變器等進行大幅度的電壓控制，這也會導致成本增加。
[0026] 在非接觸供電系統(tǒng)的雙向化時，需要盡量抑制非接觸供電裝置的成本增加。
[0027] 因此，要求將單向非接觸供電系統(tǒng)中使用的非接觸供電裝置的變更抑制為最小限 度，減少C、L的數(shù)量，將電源、非接觸供電變壓器的規(guī)格與單向的情況共用。
[0028] 另外，在非接觸供電系統(tǒng)的雙向化時，要求構成為雙向的供電效率都能夠維持最 大效率。
[0029] 另外，在非接觸供電系統(tǒng)的雙向化時，希望在向任意方向供電的情況下都能夠簡 單地控制受電側的電壓以及電流。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0030] 本發(fā)明是考慮這樣的技術問題而提出的，其目的在于，提供著一種雙向的供電效 率高、能夠使受電側的電壓以及電流的控制簡單、低成本化的雙向非接觸供電系統(tǒng)。
[0031] 本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)具備非接觸供電裝置，該非接觸供電裝置包括第一 線圈、和與第一線圈隔開空隙配置的第二線圈，通過電磁感應作用從包括第一線圈的初級 側電路向包括第二線圈的次級側電路供給電力，并且通過電磁感應作用從次級側電路向初 級側電路供給電力，上述雙向非接觸供電系統(tǒng)的特征在于，非接觸供電裝置的初級側電路 與具備將直流轉(zhuǎn)換為交流的功能、和將交流轉(zhuǎn)換為直流的功能的第一電力轉(zhuǎn)換器連接，第 一電力轉(zhuǎn)換器與具備將直流轉(zhuǎn)換為交流的功能、和將交流轉(zhuǎn)換為直流的功能的第二電力轉(zhuǎn) 換器連接，第二電力轉(zhuǎn)換器還與商用電源連接，非接觸供電裝置的次級側電路與具備將直 流轉(zhuǎn)換為交流的功能、和將交流轉(zhuǎn)換為直流的功能的第三電力轉(zhuǎn)換器連接，第三電力轉(zhuǎn)換 器還與二次電池等移動體直流電源連接，在從非接觸供電裝置的初級側電路向次級側電路 供電時，第二電力轉(zhuǎn)換器將商用電源的交流轉(zhuǎn)換為直流，第一電力轉(zhuǎn)換器將直流轉(zhuǎn)換為交 流并供給至初級側電路，第三電力轉(zhuǎn)換器將從次級側電路輸出的交流轉(zhuǎn)換為直流并供給至 移動體直流電源，在從非接觸供電裝置的次級側電路向初級側電路供電時，第三電力轉(zhuǎn)換 器將從移動體直流電源輸出的直流轉(zhuǎn)換為交流并供給至次級側電路，第一電力轉(zhuǎn)換器將從 初級側電路輸出的交流轉(zhuǎn)換為直流，第二電力轉(zhuǎn)換器將直流轉(zhuǎn)換為交流并供給至商用電 源，僅通過切換第一電力轉(zhuǎn)換器、第二電力轉(zhuǎn)換器以及第三電力轉(zhuǎn)換器的動作來進行雙向 的供電。
[0032] 在該雙向非接觸供電系統(tǒng)中，能夠僅通過切換第一、第二、第三電力轉(zhuǎn)換器的動作 便執(zhí)行G2V (Grid to Vehicle:從配電網(wǎng)向車輛）以及V2G。
[0033] 另外，本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)的特征在于，上述非接觸供電裝置具備：與第 一線圈串聯(lián)連接的第一串聯(lián)電容器、與第二線圈并聯(lián)連接的第一并聯(lián)電容器、以及與第二 線圈串聯(lián)連接的第一電感器。
[0034] 在該雙向非接觸供電系統(tǒng)中，通過對SP方式的非接觸供電裝置的次級側添加串 聯(lián)電感器，提高了雙向的供電效率。
[0035] 另外，在本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)中，也可以更換上述非接觸供電裝置的初 級側和次級側的電容器以及電感器而具備與第一線圈并聯(lián)連接的第二并聯(lián)電容器、與第一 線圈串聯(lián)連接的第二電感器、以及與第二線圈串聯(lián)連接的第二串聯(lián)電容器（以下將其稱為 變形例）。
[0036] 由于以雙向進行供電，所以能夠進行初級側和次級側之間的更換。
[0037]另外，在本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)中，優(yōu)選當將從上述非接觸供電裝置的初 級側電路向次級側電路供電時的第一電力轉(zhuǎn)換器所生成的交流的頻率、以及從上述非接觸 供電裝置的次級側電路向初級側電路供電時的第三電力轉(zhuǎn)換器所生成的交流的頻率設為 f〇,將與第一（在變形例中為第二）串聯(lián)電容器連接的線圈的自電感設為L1，將與第一（在 變形例中為第二）并聯(lián)電容器連接的線圈的自電感設為L2時，
[0038] 第一（在變形例中為第二）串聯(lián)電容器的值Cs被設定為
[0039] Cs ^ 1/{(2 π fO)2XLl}
[0040] 第一（在變形例中為第二）并聯(lián)電容器的值Cp被設定為
[0041] Cp ^ 1/{(2 π fO)2XL2}
[0042] 第一（在變形例中為第二）串聯(lián)電感器的值Ls被設定為
[0043] Ls ?L2。
[0044] 由此，能夠以高效率雙向進行供電。
[0045] 另外，該情況下，
[0046] 當設為 CsO = 1Λ(2 π f〇)2XLl}
[0047] CpO = 1Λ(2 π f〇)2XL2}時，
[0048] 第一（在變形例中為第二）串聯(lián)電容器的值Cs被設定在
[0049] CsOXO. 7 彡 Cs 彡 CsOXl. 3 的范圍內(nèi)，
[0050] 并且，第一（在變形例中為第二）并聯(lián)電容器的值Cp被設定在
[0051] CpOXO. 7 彡 Cp 彡 CpOXl. 3 的范圍內(nèi)，
[0052] 并且，第一（在變形例中為第二）串聯(lián)電感器的值Ls被設定在
[0053] L2X0. 7 彡 Ls 彡 L2X1. 3 的范圍內(nèi)。
[0054] 若在該范圍設定Cs、Cp、Ls，則能夠以與具備SP方式的非接觸供電裝置的單方向 非接觸供電系統(tǒng)幾乎相同的高供電效率進行雙向的供電。
[0055] 另外，也可以在本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)中，第一電力轉(zhuǎn)換器以及第三電力 轉(zhuǎn)換器的至少一方具有：由開關元件和與該開關元件反并聯(lián)連接的二極管構成的開關單元 通過兩個串聯(lián)連接而成的開關單元臂；和兩個電容器串聯(lián)連接并與開關單元臂并聯(lián)連接的 電容器臂，開關單元臂的兩個開關單元的連接點、以及電容器臂的兩個電容器的連接點與 非接觸供電裝置的初級側電路或者次級側電路連接，在將直流轉(zhuǎn)換為交流時作為半橋逆變 器工作，在將交流轉(zhuǎn)換為直流時作為倍壓整流電路工作。
[0056] 由此，能夠減少電力轉(zhuǎn)換器的部件數(shù)量，另外，能夠減少消耗電力而提高供電效 率。
[0057]另外，本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)能夠構成為，將上述第三電力轉(zhuǎn)換器設為三 相電壓型逆變器，三相電壓型逆變器的直流側與移動體直流電源連接，三相交流側經(jīng)由切 換開關與三相電動機以及非接觸供電裝置的次級側電路連接。
[0058] 可利用電動汽車本來具備的電動機驅(qū)動用的三相電壓型逆變器來進行雙向非接 觸供電。
[0059] 另外，在本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)中，該三相電壓型逆變器當通過切換開關 與三相電動機連接時作為三相電壓型PWM逆變器工作，該三相電壓型逆變器當通過切換開 關與非接觸供電裝置的次級側電路連接時作為輸出單相方形波的單相方形波逆變器工作。
[0060] 本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)不較大地變更進行單方向供電的非接觸供電裝置 的結構，而能夠進行較高效率的雙向供電，能夠較低地抑制伴隨雙向化的成本增加。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0061] 圖1是本發(fā)明的第一實施方式涉及的雙向非接觸供電系統(tǒng)的電路圖。
[0062] 圖2是表示證實實驗的參數(shù)的圖。
[0063] 圖3是表示證實實驗結果的圖。
[0064] 圖4是表示電阻負載與供電效率之間的關系的圖。
[0065] 圖5是表不輸入輸出波形的相位的圖。
[0066] 圖6是圖1的變形電路圖。
[0067] 圖7是本發(fā)明的第二實施方式涉及的雙向非接觸供電系統(tǒng)的電路圖。
[0068] 圖8是圖7的變形電路圖。
[0069] 圖9是本發(fā)明的第三實施方式涉及的雙向非接觸供電系統(tǒng)的電路圖。
[0070] 圖10是圖9的電路中的電壓型逆變器的UV端子間輸出電壓波形。
[0071] 圖11是圖9的變形電路圖。
[0072] 圖12是表示向車輛的非接觸供電系統(tǒng)的圖。
[0073] 圖13是圖12的非接觸供電系統(tǒng)的基本電路圖。
[0074] 圖14是表示以往的雙向非接觸供電系統(tǒng)的圖。

【具體實施方式】
[0075] (第一實施方式）
[0076] 圖1表示了本發(fā)明的第一實施方式涉及的雙向非接觸供電系統(tǒng)的電路結構。該系 統(tǒng)具備與商用電源1連接的高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部（技術方案中的"第二電力轉(zhuǎn)換器"）1〇、初 級側的逆變部（技術方案中的"第一電力轉(zhuǎn)換器"）20、并聯(lián)連接在高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10以 及逆變部20間的平滑電容器2、初級側與逆變部20連接的非接觸供電裝置30、與非接觸供 電裝置30的次級側連接的逆變部（技術方案中的"第三電力轉(zhuǎn)換器"）40、對電進行蓄積的 二次電池4、并聯(lián)連接在逆變部40以及二次電池4間的平滑電容器3,另外，雖然未圖示，但 具備對高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10以及逆變部20、40進行開關控制的控制部。
[0077] 高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10以及逆變部20、40分別具有IGBT等開關元件、和四個與開 關元件逆并聯(lián)連接的由反饋二極管構成的開關單元（Ql、Q2、Q3、Q4)，Q1和Q2串聯(lián)連接的 開關單元臂、與Q3和Q4串聯(lián)連接的開關單元臂并聯(lián)連接。在高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10中，一 方的開關單元臂的Q1與Q2的連接點經(jīng)由電感器11與商用電源1連接，另一方的開關單元 臂的Q3與Q4的連接點直接與商用電源1連接。在逆變部20中，一方的開關單元臂的Q1 與Q2的連接點、以及另一方的開關單元臂的Q3與Q4的連接點分別與非接觸供電裝置30 的初級側電路連接。另外，在逆變部40中，一方的開關單元臂的Q1與Q2的連接點、以及另 一方的開關單元臂的Q3與Q4的連接點分別與非接觸供電裝置30的次級側電路連接。
[0078] 非接觸供電裝置30具備：構成非接觸供電變壓器的初級側線圈31以及次級側線 圈32、與初級側線圈31串聯(lián)連接的串聯(lián)電容器33、與次級側線圈32并聯(lián)連接的并聯(lián)電容 器34、以及在比并聯(lián)電容器34更靠近逆變部40 -側與次級側線圈32串聯(lián)連接的電感器 35。
[0079] 構成高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10以及逆變部20、40的開關單元（Q1、Q2、Q3、Q4)的開關 元件的接通、斷開動作由控制部（未圖示）控制。
[0080] 在G2V的情況下，在高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10中通過由控制部對Ql、Q2、Q3、Q4的開 關元件進行PWM控制（脈沖寬度調(diào)制控制）來從商用電源1的交流向平滑電容器2供給可 變電壓的直流。此時，通過恰當?shù)剡M行PWM控制，可使商用電源1的功率因數(shù)為1，從商用電 源1供給的電流也成為高次諧波極少的正弦波電流。對高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器的動作而言，在 商用電源1與高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器10的開關單元之間需要電感器11。
[0081] 在從平滑電容器2輸入直流的逆變部20中，Q1以及Q4的組的開關元件、Q2以及 Q3的組的開關元件根據(jù)來自控制部的控制信號以頻率fO的周期交替進行接通、斷開的動 作，從逆變部20輸出頻率f0的交流。
[0082] 非接觸供電裝置30的特性將在后面說明。
[0083] 在從非接觸供電裝置30輸入高頻的交流的逆變部40中，按照Q1、Q2、Q3、Q4的開 關元件斷開的方式進行控制。因此，在逆變部40中，僅Ql、Q2、Q3、Q4的反饋二極管發(fā)揮功 能，進行交流的全波整流。從逆變部40輸出的直流被平滑電容器3平滑化而輸入至二次電 池4。
[0084] 相反，在V2G的情況下，逆變部40的Q1以及Q4的組的開關元件、Q2以及Q3的組 的開關元件根據(jù)來自控制部的控制信號以頻率f〇的周期交替進行接通、斷開動作，從逆變 部40向非接觸供電裝置30輸出頻率fO的交流。在從非接觸供電裝置30輸入高頻的交流 的逆變部2中，按照Ql、Q2、Q3、Q4的開關元件斷開的方式進行控制，僅Ql、Q2、Q3、Q4的反 饋二極管發(fā)揮功能，來對交流進行全波整流。從逆變部20輸出的直流被平滑電容器2平滑 化而輸入至高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10。
[0085] 在輸入直流的高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10中，通過由控制部對Q1、Q2、Q3、Q4的開關元件 進行PWM控制，來向商用電源1供給功率因數(shù)一 1的高次諧波分量較少的正弦波電流。另 夕卜，如果在高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10中輸入的直流電壓為適當?shù)姆秶?，則能夠向商用電源1供 給恒定電壓的交流。
[0086] 接下來，對在SP方式的電容器33、34追加了次級側串聯(lián)電感器35的非接觸供電 裝置30的特性進行說明。
[0087] 在此，將次級側并聯(lián)電容器34的值設為Cp，將次級側串聯(lián)電感器35的值設為Ls， 將初級側串聯(lián)電容器33的值設為Cs，如下那樣決定Cp、Ls、Cs。
[0088] l/(c〇〇XCp) = co〇XL2= co〇XLs = xP = x，〇+x2 (數(shù) 5)
[0089] Ls = L2 (數(shù) 6)
[0090] 1/(q〇XCs, ) = ω〇ΧΙ, ! = s = 〇+χ? !(數(shù) 7)
[0091] 其中，U為初級線圈31的自電感，L2為次級線圈32的自電感。另外，ω^χ^χ'。、 χ2、X's、X' i與在（數(shù)1)(數(shù)2)中定義的相同。
[0092] Cp的值與SP方式的（數(shù)1)的值相同，但Cs的值與SP方式的（數(shù)2)的值不同。
[0093] 當將在G2V中逆變部20生成的交流的頻率、以及在V2G中逆變部40生成的交流 的頻率設為f〇( = (〇。/2 3〇時，該Cp、Ls、Cs的值可表示為
[0094] Cp = 1/{(2 π fO)2XL2} (數(shù) 8)
[0095] Ls = L2 (數(shù) 9)
[0096] Cs = 1Λ(2 π f〇)2XLl} (數(shù) 10)
[0097] 若如此設定Cp、Ls、Cs的值，則可使用初級線圈31與次級線圈32之間的匝數(shù)比a 和b = X' Q/(x' Q+x2)而表示為
[0098] V2 = VIN/ (ab) (數(shù) 11)
[0099] I2L = abIIN (數(shù) 12)。
[0100] 在此，
[0101] VIN，IIN :是逆變部20與非接觸供電裝置30的連接部的電壓和電流，
[0102] V2, Ι2? :是逆變部40與非接觸供電裝置30的連接部的電壓和電流。
[0103] b與耦合系數(shù)k的值大致相等。因此，通過根據(jù)接合系數(shù)k來調(diào)節(jié)匝數(shù)比a，能夠 將電壓比任意設定。
[0104] 另外，若將二次電池4的電阻負載設為&，則在G2V中，當
[0105] Rl= {(x^+x^VxM (數(shù)13)時以最大效率進行供電。另外，在 V2G中，當
[0106] Κ\ = χ?0X(rJ Jr2y12 (數(shù)14)時以最大效率進行供電。
[0107] 對為了驗證該系統(tǒng)的特性而進行的實驗結果進行說明。
[0108] 在該實驗中，使用圖2的表中所示的變壓器常量的非接觸供電裝置，由圖1所示的 電路進行了雙向供電。在G2V中，電阻負載&被設定為由（數(shù)13)求出的值10 Ω，在V2G 中，被設定為由（數(shù)14)求出的值17. 5 Ω。
[0109] 另外，使用不具有次級側串聯(lián)電感器的SP方式的非接觸供電裝置一并進行單方 向供電，對其結果進行了比較。
[0110] 圖3中示出G2V、V2G以及SP的情況的測定結果。另外，在圖4的圖表中，針對G2V、 V2G以及SP分別示出對電阻負載&與供電效率η之間的關系進行表示的計算值以及實測 值。
[0111] 另外，在圖5 (a)中示出G2V下的非接觸供電裝置的輸入輸出電壓、電流波形，在圖 5 (b)中示出V2G下的非接觸供電裝置的輸入輸出電壓、電流波形。
[0112] 根據(jù)圖3以及圖4可確認為在該雙向非接觸供電系統(tǒng)中，進行與SP方式的單方向 供電幾乎不改變的高效率的雙向供電。
[0113] 另外，根據(jù)圖5可確認為輸入輸出電壓的相位一致，具有理想變壓器特性。
[0114] 此外，由（數(shù)8)(數(shù)9)(數(shù)10)表示的Cp、Ls、Cs的值是為了得到理想變壓器特性 的理論值，但在實際的裝置中，即使稍微偏離該理論值也能夠執(zhí)行高效率的雙向供電。
[0115] 可認為當將（數(shù)8)的理論值設為CpO,將（數(shù)10)的理論值設為CsO時，如果實際 的裝置的Cs、Cp、Ls的值在
[0116] CsOXO. 7 彡 Cs 彡 CsOXl. 3
[0117] CpOXO. 7 ^ Cp ^ CpOXl. 3
[0118] L2X0. 7彡Ls彡L2XL 3的范圍內(nèi)，則能夠執(zhí)行高效率的雙向供電。
[0119] 這樣，在該雙向非接觸供電系統(tǒng)中，只要稍微變更在單方向供電中使用的非接觸 供電裝置的結構，便能夠進行高效率的雙向供電。
[0120] 另外，由于非接觸供電裝置具有理想變壓器特性，所以即使在向任意方向供電的 情況也能夠容易地控制受電側的電壓以及電流。
[0121] 此外，在該雙向非接觸供電系統(tǒng)中，由于能夠進行高效率的雙向供電，所以也可以 更換非接觸供電裝置的初級側和次級側的電容器以及電感器，如圖6所示那樣，在非接觸 供電裝置300的初級側配置串聯(lián)電感器350以及并聯(lián)電容器340，在次級側配置串聯(lián)電容器 330。
[0122] (第二實施方式）
[0123] 圖7表示本發(fā)明的第二實施方式涉及的雙向非接觸供電系統(tǒng)的電路結構。該系統(tǒng) 與第一實施方式（圖1)相比，只有與非接觸供電裝置30連接的逆變部200以及逆變部400 的結構不同。高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10以及非接觸供電裝置30的結構以及動作與第一實施方 式相同。
[0124] 逆變部200以及逆變部400分別具有兩個開關單元（Ql、Q2)和分壓電容器（C1、 C2)，Q1和Q2串聯(lián)連接的開關單元臂、與C1和C2串聯(lián)連接的電容器臂并聯(lián)連接。在逆變 部200中，開關單元臂的Q1與Q2的連接點、以及電容器臂的C1與C2的連接點分別與非接 觸供電裝置30的初級側電路連接，在逆變部400中，開關單元臂的Q1與Q2的連接點、以及 電容器臂的C1與C2的連接點分別與非接觸供電裝置30的次級側電路連接。
[0125] 構成逆變部200以及逆變部400的開關單元（Ql、Q2)的開關元件的接通、斷開動 作由控制部（未圖示）控制。
[0126] 在G2V的情況下，在逆變部200中，Q1的開關元件和Q2的開關元件根據(jù)來自控制 部的PWM控制信號以頻率fO的周期交替進行接通、斷開，逆變部200作為半橋逆變器進行 動作。
[0127] 此時，電容器C1以及C2分別被施加高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10的直流輸出電壓的被二 分而得到的電壓而被充電。若Ql、Q2的開關元件交替進行接通、斷開動作，則電容器C1以 及C2中蓄積的電力被交替釋放，從逆變部200向非接觸供電裝置30的初級側電路輸出頻 率f〇的交流。
[0128] 另一方面，在逆變部400中，在G2V的情況下按照Q1、Q2的開關元件斷開的方式進 行控制。因此，僅Ql、Q2的反饋二極管發(fā)揮功能，逆變部400作為倍壓整流器進行動作。
[0129] 此時，利用經(jīng)過Q1的反饋二極管的電流進行C1的充電，利用經(jīng)過Q2的反饋二極 管的電流進行C2的充電。從逆變部400向二次電池4施加將C1與C2的充電電壓串聯(lián)相 加而得到的直流電壓。
[0130] 相反，在V2G的情況下，逆變部400的Q1的開關元件和Q2的開關元件根據(jù)來自控 制部的PWM控制信號以頻率f〇的周期交替進行接通、斷開，逆變部400作為半橋逆變器進 行動作。
[0131] 另外，逆變部200被控制成Ql、Q2的開關元件斷開，作為倍壓整流器進行動作。
[0132] 這樣，在該雙向非接觸供電系統(tǒng)中，由于逆變部200、400的一方作為半橋逆變器 工作，所以該交流輸出電壓降至全橋逆變器的輸出的一半，但由于另一方作為倍壓整流器 工作，所以輸出電壓上升至全波整流器的輸出的兩倍，結果，雙向的供電電壓與第一實施方 式的系統(tǒng)相同。
[0133] 該逆變部200、400中所使用的開關單元的數(shù)量為全橋逆變器的使用數(shù)量的一半。 因此，該雙向非接觸供電系統(tǒng)能夠以低成本實現(xiàn)。
[0134] 另外，在全橋逆變器中，總是在兩個開關單元中流通電流，但在該雙向非接觸供電 系統(tǒng)中，由于交替在逆變部200、400的兩個開關單元中流通電流，所以流通電流的開關單 元總是一個。因此，在該雙向非接觸供電系統(tǒng)中，能夠減少消耗電力，可將供電效率相應提 商。
[0135] 此外，在圖7中，針對非接觸供電裝置30與第一實施方式同樣地具備初級串聯(lián)電 容器、次級并聯(lián)電容器以及次級串聯(lián)電感器的情況進行了表示，但具備該逆變部200、400 的雙向非接觸供電系統(tǒng)在使用其他方式的非接觸供電裝置的情況下，也能夠通過消耗電力 的降低而實現(xiàn)供電效率的提高、低成本化。
[0136] 圖8表示了在具備該逆變部200、400的雙向非接觸供電系統(tǒng)中配置了改進型SS 方式的非接觸供電裝置310的例子。
[0137] 該非接觸供電裝置310除了初級側串聯(lián)電容器311以及次級側串聯(lián)電容器312以 夕卜，還具備構成T - LCL形的導抗轉(zhuǎn)換器的兩個電感器313、314和一個電容器315。為了得 到理想變壓器特性，該導抗轉(zhuǎn)換器被插入SS方式的非接觸供電裝置的系統(tǒng)側。
[0138] 作為導抗轉(zhuǎn)換器，也可以使用在兩個電容器的中間以T形連接了一個電感器的 T 一 CLC形的導抗轉(zhuǎn)換器。
[0139] 另外，也能夠使用第二實施方式的逆變部200作為與非接觸供電裝置的初級側連 接的第一電力轉(zhuǎn)換器，使用第一實施方式的逆變部40作為與非接觸供電裝置的次級側連 接的第三電力轉(zhuǎn)換器?；蛘?，也可以使用第一實施方式的逆變部20作為第一電力轉(zhuǎn)換器， 使用第二實施方式的逆變部400作為第三電力轉(zhuǎn)換器。
[0140] (第三實施方式）
[0141] 圖9表示本發(fā)明的第三實施方式涉及的雙向非接觸供電系統(tǒng)的電路結構。該系統(tǒng) 與第一實施方式（圖1)的不同點在于，與非接觸供電裝置30的次級側連接的第三電力轉(zhuǎn) 換器利用了電動汽車本來具備的電動機驅(qū)動用的三相電壓型逆變器50。
[0142] 該三相電壓型逆變器50具有：Q1和Q2串聯(lián)連接的開關單元臂、Q3和Q4串聯(lián)連接 的開關單元臂、以及Q5和Q6串聯(lián)連接的開關單元臂，三個開關單元臂的兩端并聯(lián)連接。Q5 以及Q6串聯(lián)連接的開關單元臂的中間點成為向電動機80的W相的輸出端子，Q3以及Q4串 聯(lián)連接的開關單元臂的中間點成為向電動機80的V相的輸出端子，Q1以及Q2串聯(lián)連接的 開關單元臂的中間點成為向電動機80的U相的輸出端子。三相電壓型逆變器50的W相輸 出端子與電動機80直接連接，V相輸出端子以及U相輸出端子經(jīng)由切換開關70與電動機 80或者非接觸供電裝置30的次級側電路連接。
[0143] 另外，在三相電壓型逆變器50與二次電池4之間夾設有包括平滑電容器61和升 降壓斬波器電路的轉(zhuǎn)換器60。
[0144] 構成三相電壓型逆變器50以及轉(zhuǎn)換器60的開關單元的開關元件的接通、斷開動 作由控制部（未圖示）控制。
[0145] 在該系統(tǒng)中，當對搭載于車輛的二次電池4進行充電時，按照三相電壓型逆變器 50的V相輸出端子以及U相輸出端子與非接觸供電裝置30的次級側連接的方式對切換開 關70進行切換。而且，在從非接觸供電裝置30輸入高頻的交流的三相電壓型逆變器50中， 控制成Ql、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的所有開關元件斷開。
[0146] 因此，在三相電壓型逆變器50中，僅Ql、Q2、Q3、Q4的反饋二極管發(fā)揮功能，進行 交流的全波整流。從三相電壓型逆變器50輸出的直流被平滑電容器61平滑化，并被轉(zhuǎn)換 器60降壓而輸入至二次電池4。
[0147] 另外，當由二次電池4驅(qū)動電動機80時，按照三相電壓型逆變器50的V相輸出端 子以及U相輸出端子與電動機80連接的方式對切換開關70進行切換。
[0148] 此時，二次電池4的輸出被轉(zhuǎn)換器60升壓至電動機驅(qū)動電壓，并被平滑電容器61 平滑化而輸入至三相電壓型逆變器50。
[0149] 構成三相電壓型逆變器50的各開關單元臂的兩個開關單元的開關元件通過控制 部的PWM控制（脈沖寬度調(diào)制控制）交替進行圖10(a)所示的PWM波形的接通、斷開動作， 生成虛線所示的U、V、W各相的交流。由三相電壓型逆變器50生成的三相交流輸入至電動 機80,電動機80被驅(qū)動。
[0150] 另外，在V2G的情況下，按照三相電壓型逆變器50的V相輸出端子以及U相輸出 端子與非接觸供電裝置30的次級側電路連接的方式對切換開關70進行切換。而且，三相 電壓型逆變器50的Q1以及Q4的組的開關元件、Q2以及Q3的組的開關元件根據(jù)來自控制 部的控制信號，交替進行圖10(b)所示的單相方形波波形的接通、斷開動作。
[0151] 因此，由轉(zhuǎn)換器60升壓后的二次電池4的輸出被三相電壓型逆變器50轉(zhuǎn)換為高 頻的交流而輸入至非接觸供電裝置30,并且，經(jīng)由逆變部20以及高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10被供 給至商用電源1。此時的逆變部20以及高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部10的動作與第一實施方式（圖 1)沒有區(qū)別。
[0152] 這樣，在該系統(tǒng)中，搭載于車輛的三相電壓型逆變器50在與三相電動機連接時， 作為三相電壓型PWM逆變器工作。另外，當在家庭、配電網(wǎng)中利用二次電池的電力時，三相 電壓型逆變器50通過切換開關與非接觸供電裝置的次級側電路連接，作為輸出單相方形 波的單相方形波逆變器而工作。
[0153] 圖11表示第三實施方式的變形例，在該系統(tǒng)中，為了在雙向非接觸供電中利用搭 載于車輛的三相電壓型逆變器51，使用了第二實施方式（圖7)的電路。
[0154] 因此，在非接觸供電裝置30的初級側電路連接有逆變部200,該逆變部200具有 兩個開關單元串聯(lián)連接的開關單元臂、和構成分壓電容器的兩個電容器串聯(lián)連接的電容器 臂。如上所述，該逆變部200在將直流轉(zhuǎn)換為交流時作為半橋逆變器工作，在將交流轉(zhuǎn)換為 直流時，該逆變部200作為倍壓整流電路工作。
[0155] 三相電壓型逆變器51的W相輸出端子以及V相輸出端子與電動機80直接連接， U相輸出端子經(jīng)由切換開關71與電動機80或者非接觸供電裝置30的次級側電路連接。
[0156] 另外，在三相電壓型逆變器51和轉(zhuǎn)換器60之間連接有構成分壓電容器的兩個電 容器串聯(lián)連接而成的電容器臂62,電容器臂62的中間點與非接觸供電裝置30的次級側電 路連接。
[0157] 在該電路中，如果將三相電壓型逆變器51的U相輸出端子與非接觸供電裝置30 的次級側電路連接，將三相電壓型逆變器51的Q3、Q4、Q5、Q6的開關元件斷開，則由三相電 壓型逆變器51的Ql、Q2和電容器臂62構成與第二實施方式（圖7)的逆變部400相同的 電路，通過控制Ql、Q2的開關元件，在將直流轉(zhuǎn)換為交流時作為半橋逆變器工作，在將交流 轉(zhuǎn)換為直流時作為倍壓整流電路工作。因此，能夠與第二實施方式同樣地進行雙向非接觸 供電。
[0158] 另外，如果切換切換開關71而將三相電壓型逆變器51的U相輸出端子與電動機 80連接，則能夠由二次電池4驅(qū)動電動機80。
[0159] 工業(yè)上的可利用性
[0160] 本發(fā)明的雙向非接觸供電系統(tǒng)能夠以高的供電效率進行雙向的供電，可廣泛應用 于汽車、搬運車、移動機械手等移動體。
[0161] 附圖標記說明：1...商用電源；2...平滑電容器；3...平滑電容器；4...二次 電池；10...高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換部；11...電感器；20...逆變部；30...非接觸供電裝置； 31.. .初級側線圈；32...次級側線圈；33...串聯(lián)電容器；34...并聯(lián)電容器；35...電 感器；40...逆變部；50...三相電壓型逆變器；51...三相電壓型逆變器；60...轉(zhuǎn)換 器；61...平滑電容器；62...分壓電容器；70...切換開關；71...切換開關；80...電動 機；101...發(fā)動機；102. .·電機；103. .·逆變器；104. .·二次電池；105. .·商用電源； 110.. .整流器；120...逆變器；131...送電線圈；132...受電線圈；133...串聯(lián)電容 器；134. .·并聯(lián)電容器；140. .·整流器；200. .·逆變部；201. ..EV用逆變器；202. ..EV用 逆變器；300...非接觸供電裝置；310...非接觸供電裝置；311...初級側串聯(lián)電容器； 312.. .次級側串聯(lián)電容器；313...電感器；314...電感器；315...電容器；330...串聯(lián)電 容器；340...并聯(lián)電容器；350...串聯(lián)電感器；400...逆變部。
【權利要求】
1. 一種雙向非接觸供電系統(tǒng)，具備非接觸供電裝置，該非接觸供電裝置包括第一線圈 和與該第一線圈隔開空隙配置的第二線圈，所述雙向非接觸供電系統(tǒng)通過電磁感應作用從 包括所述第一線圈的初級側電路向包括所述第二線圈的次級側電路供給電力，并且通過電 磁感應作用從所述次級側電路向所述初級側電路供給電力，其特征在于， 所述非接觸供電裝置的初級側電路與具備將直流轉(zhuǎn)換為交流的功能、和將交流轉(zhuǎn)換為 直流的功能的第一電力轉(zhuǎn)換器連接， 所述第一電力轉(zhuǎn)換器與具備將直流轉(zhuǎn)換為交流的功能、和將交流轉(zhuǎn)換為直流的功能的 第二電力轉(zhuǎn)換器連接，所述第二電力轉(zhuǎn)換器還與商用電源連接， 所述非接觸供電裝置的次級側電路與具備將直流轉(zhuǎn)換為交流的功能、和將交流轉(zhuǎn)換為 直流的功能的第三電力轉(zhuǎn)換器連接，所述第三電力轉(zhuǎn)換器還與二次電池等移動體直流電源 連接， 在從所述非接觸供電裝置的初級側電路向次級側電路供電時，所述第二電力轉(zhuǎn)換器將 商用電源的交流轉(zhuǎn)換為直流，所述第一電力轉(zhuǎn)換器將所述直流轉(zhuǎn)換為交流而供給至所述初 級側電路，所述第三電力轉(zhuǎn)換器將從所述次級側電路輸出的交流轉(zhuǎn)換為直流而供給至所述 移動體直流電源， 在從所述非接觸供電裝置的次級側電路向初級側電路供電時，所述第三電力轉(zhuǎn)換器將 從所述移動體直流電源輸出的直流轉(zhuǎn)換為交流而供給至所述次級側電路，所述第一電力轉(zhuǎn) 換器將從所述初級側電路輸出的交流轉(zhuǎn)換為直流，所述第二電力轉(zhuǎn)換器將所述直流轉(zhuǎn)換為 交流而供給至所述商用電源， 通過切換所述第一電力轉(zhuǎn)換器、第二電力轉(zhuǎn)換器以及第三電力轉(zhuǎn)換器的動作來進行雙 向的供電。
2. 根據(jù)權利要求1所述的雙向非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于， 所述非接觸供電裝置具備：與所述第一線圈串聯(lián)連接的第一串聯(lián)電容器、與所述第二 線圈并聯(lián)連接的第一并聯(lián)電容器、以及與所述第二線圈串聯(lián)連接的第一電感器。
3. 根據(jù)權利要求1所述的雙向非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于， 所述非接觸供電裝置具備：與所述第一線圈并聯(lián)連接的第二并聯(lián)電容器、與所述第一 線圈串聯(lián)連接的第二電感器、以及與所述第二線圈串聯(lián)連接的第二串聯(lián)電容器。
4. 根據(jù)權利要求2或者3所述的雙向非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于， 在將從所述非接觸供電裝置的初級側電路向次級側電路供電時的所述第一電力轉(zhuǎn)換 器所生成的交流的頻率、以及從所述非接觸供電裝置的次級側電路向初級側電路供電時的 所述第三電力轉(zhuǎn)換器所生成的交流的頻率設為f〇,將與所述第一串聯(lián)電容器或者第二串聯(lián) 電容器連接的線圈的自電感設為L1，將與所述第一并聯(lián)電容器或者第二并聯(lián)電容器連接的 線圈的自電感設為L2時， 所述第一串聯(lián)電容器或第二串聯(lián)電容器的值Cs被設定為Cs?V{(2Jif〇)2XLl}， 所述第一并聯(lián)電容器或第二并聯(lián)電容器的值Cp被設定為Cp?V{(2Jif〇)2XL2}， 所述第一串聯(lián)電感器或第二串聯(lián)電感器的值Ls被設定為Ls?L2。
5. 根據(jù)權利要求4所述的雙向非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于， 在設為 CsO = V{(2 3ifO)2XLl} CpO = 1Λ(2 π f〇)2XL2}時， 所述第一串聯(lián)電容器或第二串聯(lián)電容器的值Cs被設定在CsOXO. 7 < Cs < CsOX 1. 3 的范圍內(nèi)， 并且，所述第一并聯(lián)電容器或第二并聯(lián)電容器的值Cp被設定在 CpOXO. 7彡Cp彡CpOXl. 3的范圍內(nèi)， 并且，所述第一串聯(lián)電感器或第二串聯(lián)電感器的值Ls被設定在 L2X0. 7彡Ls彡L2X 1. 3的范圍內(nèi)。
6. 根據(jù)權利要求1?5中任一項所述的雙向非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于， 所述第一電力轉(zhuǎn)換器以及第三電力轉(zhuǎn)換器的至少一方具有： 將由開關元件和與該開關元件反并聯(lián)連接的二極管構成的開關單元兩個串聯(lián)連接而 成的開關單元臂；和 將電容器兩個串聯(lián)連接并與所述開關單元臂并聯(lián)連接而成的電容器臂， 并且，所述開關單元臂的兩個開關單元的連接點、以及所述電容器臂的兩個電容器的 連接點與所述初級側電路或者次級側電路連接，在將直流轉(zhuǎn)換為交流時作為半橋逆變器工 作，在將交流轉(zhuǎn)換為直流時作為倍壓整流電路工作。
7. 根據(jù)權利要求1?6中任一項所述的雙向非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于， 所述第三電力轉(zhuǎn)換器是三相電壓型逆變器，所述三相電壓型逆變器的直流側與所述移 動體直流電源連接，三相交流側經(jīng)由切換開關與三相電動機以及所述非接觸供電裝置的次 級側電路連接。
8. 根據(jù)權利要求7所述的雙向非接觸供電系統(tǒng)，其特征在于， 所述三相電壓型逆變器在通過所述切換開關與所述三相電動機連接時作為三相電壓 型PWM逆變器工作，所述三相電壓型逆變器在通過所述切換開關與所述非接觸供電裝置的 次級側電路連接時作為輸出單相方形波的單相方形波逆變器工作。
【文檔編號】H02J17/00GK104160588SQ201280069131
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2012年2月9日 優(yōu)先權日:2012年2月9日
【發(fā)明者】阿部茂, 金子裕良, 渡邊宏, 保田富夫 申請人:株式會社泰庫諾瓦