特許 6724897 非接触電力伝達装置、それを用いた電池パック及び電力グリッドシステム並びに電力伝達方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6724897

(24)【登録日】2020年6月29日

(45)【発行日】2020年7月15日

(54)【発明の名称】非接触電力伝達装置、それを用いた電池パック及び電力グリッドシステム並びに電力伝達方法

(51)【国際特許分類】

   H02J 50/10 20160101AFI20200706BHJP

   H02J 50/40 20160101ALI20200706BHJP

   H02J 50/80 20160101ALI20200706BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20200706BHJP

   H02J 3/38 20060101ALI20200706BHJP

【ＦＩ】

   H02J50/10

   H02J50/40

   H02J50/80

   H02J7/00 301D

   H02J3/38 110

【請求項の数】8

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2017-253969(P2017-253969)

(22)【出願日】2017年12月28日

(65)【公開番号】特開2019-122091(P2019-122091A)

(43)【公開日】2019年7月22日

【審査請求日】2019年3月19日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003609

【氏名又は名称】株式会社豊田中央研究所

(74)【代理人】

【識別番号】110001210

【氏名又は名称】特許業務法人ＹＫＩ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】石垣 将紀

(72)【発明者】

【氏名】井上 俊太郎

(72)【発明者】

【氏名】石川 敬祐

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼木 健一

【審査官】 下林 義明

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１５−０１９５５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−００７９２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−３２２５３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７６９１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｊ ５０／００ − ５０／９０

Ｈ０２Ｊ ３／００ − ５／００

Ｈ０２Ｊ ７／００ − ７／１２

Ｈ０２Ｊ ７／３４ − ７／３６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力を供給する一次側回路と、前記一次側回路から供給された電力を負荷に供給する二次側回路と、がトランスを介して結合された非接触電力伝達装置であって、
前記トランスの前記一次側回路側の一次側巻線は分割されており、前記分割された一次側巻線のそれぞれに電流制御用の一次側スイッチング素子が設けられ、
前記トランスの前記二次側回路側の二次側巻線は分割されており、前記分割された二次側巻線のそれぞれに電流制御用の二次側スイッチング素子が設けられ、
前記一次側回路において、前記一次側巻線は一次側共通コンデンサを介して直列に接続された第一の一次側巻線と第二の一次側巻線とから構成され、前記第一の一次側巻線には第一の一次側スイッチング素子と第一の一次側コンデンサとが並列に接続され、前記第二の一次側巻線には第二の一次側スイッチング素子と第二の一次側コンデンサとが並列に接続され、
前記二次側回路において、前記二次側巻線は二次側共通コンデンサを介して直列に接続された第一の二次側巻線と第二の二次側巻線とから構成され、前記第一の二次側巻線には第一の二次側スイッチング素子と第一の二次側コンデンサとが並列に接続され、前記第二の二次側巻線には第二の二次側スイッチング素子と第二の二次側コンデンサとが並列に接続され、
前記第一の一次側巻線、前記第二の一次側巻線、前記第一の二次側巻線及び前記第二の二次側巻線の間のうち少なくとも１つの結合率が設計変更可能であり、
前記一次側スイッチング素子及び前記二次側スイッチング素子をスイッチング制御することにより前記一次側回路と前記二次側回路との間で電力伝達を行い、
前記一次側回路及び前記二次側回路によって、蓄電手段とアプリケーションとを接続可能な非接触電力伝達装置。

【請求項2】

電力を供給する一次側回路と、前記一次側回路から供給された電力を負荷に供給する二次側回路と、がトランスを介して結合された非接触電力伝達装置であって、
前記トランスの前記一次側回路側の一次側巻線は分割されており、前記分割された一次側巻線のそれぞれに電流制御用の一次側スイッチング素子が設けられ、
前記トランスの前記二次側回路側の二次側巻線は分割されており、前記分割された二次側巻線のそれぞれに電流制御用の二次側スイッチング素子が設けられ、
前記トランスは、互いに嵌め合わされる形状を有する凸形状コアと凹形状コアとを備え、前記凸形状コア及び前記凹形状コアのいずれか一方に前記一次側巻線が巻回されており、前記凸形状コア及び前記凹形状コアの他方に前記二次側巻線が巻回されており、
前記一次側スイッチング素子及び前記二次側スイッチング素子をスイッチング制御することにより前記一次側回路と前記二次側回路との間で電力伝達を行い、
前記一次側回路及び前記二次側回路によって、蓄電手段とアプリケーションとを接続可能な非接触電力伝達装置。

【請求項3】

電力を供給する一次側回路と、前記一次側回路から供給された電力を負荷に供給する二次側回路と、がトランスを介して結合された非接触電力伝達装置であって、
前記トランスの前記一次側回路側の一次側巻線は分割されており、前記分割された一次側巻線のそれぞれに電流制御用の一次側スイッチング素子が設けられ、
前記トランスの前記二次側回路側の二次側巻線は分割されており、前記分割された二次側巻線のそれぞれに電流制御用の二次側スイッチング素子が設けられ、
前記一次側巻線の巻回数が異なる複数の前記一次側回路から選択された１つの前記一次側回路と前記二次側回路とを組み合わせることによって、前記一次側巻線と前記二次側巻線の巻数比を変更可能であり、
前記一次側スイッチング素子及び前記二次側スイッチング素子をスイッチング制御することにより前記一次側回路と前記二次側回路との間で電力伝達を行い、
前記一次側回路及び前記二次側回路によって、蓄電手段とアプリケーションとを接続可能な非接触電力伝達装置。

【請求項4】

電力を供給する一次側回路と、前記一次側回路から供給された電力を負荷に供給する二次側回路と、がトランスを介して結合された非接触電力伝達装置であって、
前記トランスの前記一次側回路側の一次側巻線は分割されており、前記分割された一次側巻線のそれぞれに電流制御用の一次側スイッチング素子が設けられ、
前記トランスの前記二次側回路側の二次側巻線は分割されており、前記分割された二次側巻線のそれぞれに電流制御用の二次側スイッチング素子が設けられ、
前記二次側巻線の巻回数が異なる複数の前記二次側回路から選択された１つの前記二次側回路と前記一次側回路とを組み合わせることによって、前記一次側巻線と前記二次側巻線の巻数比を変更可能であり、
前記一次側スイッチング素子及び前記二次側スイッチング素子をスイッチング制御することにより前記一次側回路と前記二次側回路との間で電力伝達を行い、
前記一次側回路及び前記二次側回路によって、蓄電手段とアプリケーションとを接続可能な非接触電力伝達装置。

【請求項5】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触電力伝達装置を複数備えることを特徴とする電池パック。

【請求項6】

請求項５に記載の電池パックと、
前記電池パックに含まれる前記蓄電手段の一部の電力を用いて駆動力を発生させる駆動手段と、を備え
前記駆動手段によって発生した駆動力により移動が可能なことを特徴とする自律移動型電池パック。

【請求項7】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触電力伝達装置を複数並列に接続したことを特徴とする電力グリッドシステム。

【請求項8】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の非接触電力伝達装置を用いて電力伝達させることを特徴とする電力伝達方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、非接触電力伝達装置、それを用いた電力グリッドシステム及び電池パック並びに電力伝達方法に関する。

【背景技術】

【0002】

結合トランスの一次側ユニットと二次側ユニットとを分離可能に構成した非接触電源装置が知られている（特許文献１，非特許文献１，２）。非接触電源装置では、一次側ユニットを電力供給側として、二次側ユニットに接続された負荷に非接触で電力を供給する。例えば、一次側ユニットを屋内に配置し、一次側ユニットと二次側ユニットとの間に窓ガラスなどを挟んで対向配置させ、屋外の二次側ユニットに接続された電飾等を点灯等させることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第３７６２２６８号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】Yusuke Hayashi, et al., IEEE Transactions on industry applications, vol. 51, No.4, July/August 2015

【非特許文献2】J. Energy Power Sources, Vol.1, No.1, 2014, pp.40-53

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、特許文献１に記載の技術では、コア間の距離に対する効率の維持が困難であり、高効率での非接触電力伝送が不可能である。例えば、公開されている効率は、コア間の距離が５ｍｍのときに８５％以下である。

【0006】

また、非特許文献１に記載の技術では、共振型のコンバータのトランス部分をコネクタとして用いているため、効率は高くすることができるが、負荷条件に制限があり、用途が制限される。

【0007】

また、非特許文献２に記載の技術では、トランスのイラスト的な形状が紹介されているが、実機による実証はなされていない。また、非特許文献２に記載のトランス構造を非特許文献１に記載の回路に適用した場合、漏れインダクタンスの設計自由度が低く、用途に対する自由度も低い。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の１つの態様は、電力を供給する一次側回路と、前記一次側回路から供給された電力を負荷に供給する二次側回路と、がトランスを介して結合された非接触電力伝達装置であって、前記一次側回路及び前記二次側回路によって、蓄電手段とアプリケーションとを接続可能な非接触電力伝達装置である。

【0009】

ここで、前記トランスの前記一次側回路側の一次側巻線は分割されており、前記分割された一次側巻線のそれぞれに電流制御用の一次側スイッチング素子が設けられ、前記トランスの前記二次側回路側の二次側巻線は分割されており、前記分割された二次側巻線のそれぞれに電流制御用の二次側スイッチング素子が設けられ、前記一次側スイッチング素子及び前記二次側スイッチング素子をスイッチング制御することにより前記一次側回路と前記二次側回路との間で電力伝達を行うことが好適である。

【0010】

具体的には、前記一次側回路において、前記一次側巻線は一次側共通コンデンサを介して直列に接続された第一の一次側巻線と第二の一次側巻線とから構成され、前記第一の一次側巻線には第一の一次側スイッチング素子と第一の一次側コンデンサとが並列に接続され、前記第二の一次側巻線には第二の一次側スイッチング素子と第二の一次側コンデンサとが並列に接続され、前記二次側回路において、前記二次側巻線は二次側共通コンデンサを介して直列に接続された第一の二次側巻線と第二の二次側巻線とから構成され、前記第一の二次側巻線には第一の二次側スイッチング素子と第一の二次側コンデンサとが並列に接続され、前記第二の二次側巻線には第二の二次側スイッチング素子と第二の二次側コンデンサとが並列に接続され、前記第一の一次側巻線、前記第二の一次側巻線、前記第一の二次側巻線及び第二の二次側巻線の間のうち少なくとも１つの結合率が設計変更可能であることが好適である。

【0011】

また、前記トランスは、互いに嵌め合わされる形状を有する凸形状コアと凹形状コアとを備え、前記凸形状コア及び前記凹形状コアのいずれか一方に前記一次側巻線が巻回されており、前記凸形状コア及び前記凹形状コアの他方に前記二次側巻線が巻回されていることが好適である。

【0012】

また、前記一次側巻線の巻回数が異なる複数の前記一次側回路から選択された１つの前記一次側回路と前記二次側回路とを組み合わせることによって、前記一次側巻線と前記二次側巻線の巻数比を変更可能なことが好適である。

【0013】

また、前記二次側巻線の巻回数が異なる複数の前記二次側回路から選択された１つの前記二次側回路と前記一次側回路とを組み合わせることによって、前記一次側巻線と前記二次側巻線の巻数比を変更可能なことが好適である。

【0014】

本発明の別の態様は、上記非接触電力伝達装置を複数備えることを特徴とする電池パックである。

【0015】

ここで、前記電池パックに含まれる前記蓄電手段の一部の電力を用いて駆動力を発生させる駆動手段と、を備え、前記駆動手段によって発生した駆動力により移動が可能なことが好適である。

【0016】

本発明の別の態様は、上記非接触電力伝達装置を複数並列に接続したことを特徴とする電力グリッドシステムである。

【0017】

本発明の別の態様は、上記非接触電力伝達装置を用いて電力伝達させることを特徴とする電力伝達方法である。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、端子における短絡やシステムの劣化を防ぎつつ、安全な電力伝達を実現することができる。また、トランスの巻数比が異なる回路を組み合わせることで、様々な用途に適応できる電力伝達システムを実現することができる。また、回路の特徴を応用して、トランスの結合率を従来よりも高い自由度で設計することができ、高出力化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の構成を示す図である。

【図2】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の具体例の構成を示す図である。

【図3】コアの構成例及び磁束を示す図である。

【図4】凸形状コアと凹形状コアの構成例及び磁束を示す図である。

【図5】コアに対する巻線の設計について説明するための図である。

【図6】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の一次側と二次側の距離に対する結合率（結合係数）の変化を示す図である。

【図7】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の一次側と二次側の距離に対する伝送電力の変化を示す図である。

【図8】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の巻線構造に対する結合率（結合係数）の変化を示す図である。

【図9】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の巻線構造に対する伝送電力の変化を示す図である。

【図10】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の応用例１を示す図である。

【図11】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の応用例１を示す図である。

【図12】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の応用例２を示す図である。

【図13】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の応用例３を示す図である。

【図14】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の応用例４を示す図である。

【図15】本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置の応用例４を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

本発明の実施の形態における非接触電力伝達装置１００は、図１に示すように、蓄電池１０、一次側回路１２、二次側回路１４、一次側制御部１６及び二次側制御部１８を含んで構成される。非接触電力伝達装置１００は、アプリケーション２００に接続されて使用される。

【0021】

非接触電力伝達装置１００において、一次側回路１２と二次側回路１４とはトランス２０によって、有線による電気的な接続をすることなく、電磁気的に結合されている。一次側回路１２及び二次側回路１４は、それぞれ直流−交流変換回路及び交流−直流変換回路等を含んで構成される。また、一次側回路１２及び二次側回路１４は、直流−直流電圧変換回路等の他の回路を含んでもよい。非接触電力伝達装置１００は、一次側回路１２と二次側回路１４との間で電力を伝達することによって、一次側回路１２に接続された蓄電池１０から二次側回路１４に接続されたアプリケーション２００（負荷）に電力を供給したり、二次側回路１４に接続されたアプリケーション２００（電力供給手段）から一次側回路１２に接続された蓄電池１０を充電したりする。

【0022】

一次側制御部１６は、一次側回路１２を制御する。例えば、一次側制御部１６は、一次側回路１２に含まれる直流−交流変換回路等を制御する。二次側制御部１８は、二次側回路１４を制御する。例えば、二次側制御部１８は、二次側回路１４に含まれる交流−直流変換回路等を制御する。一次側制御部１６と二次側制御部１８は、それぞれ無線通信手段２２，２４を備え、必要に応じて一次側回路１２に対する制御と二次側回路１４に対する制御の同期を取って非接触電力伝達装置１００を制御する。

【0023】

非接触電力伝達装置１００では、蓄電池１０の充電状態（ＳｏＣ）や温度に応じて蓄電池１０に対する充放電を制御することができる。また、無線通信手段２２，２４を用いることによって、一次側回路１２と二次側回路１４との間で非接触に電力伝達を実現することができる。

【0024】

図２は、非接触電力伝達装置１００の回路構成の具体例を示す。非接触電力伝達装置１００は、一次側巻線３０、スイッチング素子３２ａ，３２ｂ、コンデンサ３４ａ，３４ｂ及び環流ダイオード３６ａ，３６ｂを含む一次側回路１２と、二次側巻線４０、スイッチング素子４２ａ，４２ｂ、コンデンサ４４ａ，４４ｂ及び環流ダイオード４６ａ，４６ｂを含む二次側回路１４とを組み合わせて構成される。なお、図２において、一次側制御部１６及び二次側制御部１８の図示は省略している。

【0025】

一次側回路１２に含まれるトランス２０の一次側巻線３０は分割巻線３０ａ，３０ｂに分割されている。分割巻線３０ａは、スイッチング素子３２ａとコンデンサ３４ａの間に接続される。スイッチング素子３２ａには、環流ダイオード３６ａが並列に接続される。また、分割巻線３０ｂは、スイッチング素子３２ｂとコンデンサ３４ｂの間に接続される。スイッチング素子３２ｂには、環流ダイオード３６ｂが並列に接続される。分割巻線３０ａとスイッチング素子３２ａとの接続点とスイッチング素子３２ｂとスイッチング素子３２ｂの接続点がコンデンサＣ１にて接続される。さらに、コンデンサ３４ａとスイッチング素子３２ａの接続点とコンデンサ３４ｂとスイッチング素子３２ｂとの接続点が短絡される。一次側回路１２では、スイッチング素子３２ａとスイッチング素子３２ｂとが排他的に交互に開閉される。

【0026】

二次側回路１４に含まれるトランス２０の二次側巻線４０は分割巻線４０ａ，４０ｂに分割されている。分割巻線４０ａは、スイッチング素子４２ａとコンデンサ４４ａの間に接続される。スイッチング素子４２ａには、環流ダイオード４６ａが並列に接続される。また、分割巻線４０ｂは、スイッチング素子４２ｂとコンデンサ４４ｂの間に接続される。スイッチング素子４２ｂには、環流ダイオード４６ｂが並列に接続される。分割巻線４０ａとスイッチング素子４２ａとの接続点とスイッチング素子４２ｂとスイッチング素子４２ｂの接続点がコンデンサＣ２にて接続される。さらに、コンデンサ４４ａとスイッチング素子４２ａの接続点とコンデンサ４４ｂとスイッチング素子４２ｂとの接続点が短絡される。二次側回路１４では、スイッチング素子４２ａとスイッチング素子４２ｂとが排他的に交互に開閉される。また、二次側回路１４におけるスイッチングのデューティは、基本的に一次側回路１２のスイッチングのデューティに等しくする。

【0027】

一次側回路１２には、ポートＡが設けられる。また、二次側回路１４には、ポートＢが設けられる。ポートＡには蓄電池１０が接続され、ポートＢにはアプリケーション２００が接続される。非接触電力伝達装置１００では、一次側巻線３０と二次側巻線４０とが電磁気的に結合される。これにより、ポートＡが設けられた一次側回路１２とポートＢが設けられた二次側回路１４とが電磁気的に結合される。

【0028】

非接触電力伝達装置１００の当該例では、一次側回路１２に含まれる分割巻線３０ａ，３０ｂは、１つの一次側コア３８に巻回される。また、二次側回路１４に含まれる分割巻線４０ａ，４０ｂは、１つの二次側コア４８に巻回される。スイッチング素子３２ａとスイッチング素子３２ｂのスイッチングと、スイッチング素子４２ａとスイッチング素子４２ｂのスイッチングとの位相差が０の場合に互いに一次側コア３８及び二次側コア４８に同じ方向に磁束を発生させる方向に分割巻線３０ａ，３０ｂ及び分割巻線４０ａ，４０ｂを巻回することが好適である。

【0029】

当該非接触電力伝達装置１００の伝送電力Ｐ_ｄｄは、数式（１）及び数式（２）により表すことができる。ここで、Ｖ_ｉｎは一次側回路１２のポートＡの端子間電圧、Ｖ_ｏｕｔは二次側回路１４のポートＢの端子間電圧、ωは動作周波数より求められる値、Φは一次側回路１２と二次側回路１４のブリッジ動作位相である。また、Ｌ_１は分割巻線３０ａ，３０ｂ，４０ａ，４０ｂの自己インダクタンス、ｋ_ｐは分割巻線３０ａと分割巻線３０ｂの間及び分割巻線４０ａと分割巻線４０ｂの間の結合係数、ｋ_ｐｓは分割巻線３０ａと分割巻線４０ａの間、分割巻線３０ａと分割巻線４０ｂとの間、分割巻線３０ｂと分割巻線４０ａの間、分割巻線３０ｂと分割巻線４０ｂの間の結合係数である。

【数1】

【数2】

【0030】

ここで、結合係数ｋ_ｐｓの特徴について説明する。トランス２０の結合率は、一般的に、他巻線開放時のインダクタンスＬ_ｏｐｅｎと他巻線短絡時のインダクタンスＬ_{ｓｈｏｒｔ}を用いて、数式（３）により求められる。

【数3】

【0031】

図３に示すようなコア５０ａ，５０ｂ及び巻線５２ａ，５２ｂの構成（図中、磁束は太矢印線で示す）では、磁束５４に対して閉じたコアの経路が無く、他方のコアとの鎖交量が小さくなるために結合係数ｋ_ｐｓは小さい。したがって、数式（１）で示される伝送電力Ｐ_ｄｄも小さくなる。これに対して、図４に示すように、凸形状コア６０ａと凹形状コア６０ｂとを組み合わせ、巻線６２ａ，６２ｂをそれぞれに巻回させた構成では、磁束６４が構造的に凸形状コア６０ａ及び凹形状コア６０ｂ内で閉じており、図３の構成に比べて結合係数ｋ_ｐｓは大きくなる。このように、一次側と二次側との間の電磁気的な結合率（結合係数ｋ_ｐｓ）は、構造によって変化し、図４に示した構成は電力伝送に有利となる。

【0032】

また、一次側巻線３０と二次側巻線４０とはより近接させることで結合率（結合係数ｋ_ｐｓ）を大きくすることができるが、非接触電力伝達装置１００のように一次側回路１２と二次側回路１４とを着脱することを想定すると、嵌め合いの物理的な距離を確保するために近接させる限界がある。すなわち、一次側巻線３０と二次側巻線４０との物理的な近接の限界に応じて、結合率（結合係数ｋ_ｐｓ）にも上限値が生ずる。

【0033】

図２に示した非接触電力伝達装置１００では、数式（２）に示されるように、Ｌ_ｅｑが（ｋ_ｐ−ｋ_ｐｓ）に依存するので、結合係数ｋ_ｐを小さくすることで伝送電力Ｐ_ｄｄを大きくすることができる。

【0034】

そこで、結合係数ｋ_ｐについて検討する。図５は、一次側巻線３０における分割巻線３０ａ（図中、白丸印で示す）と分割巻線３０ｂ（図中、ハッチングを施した丸印で示す）の巻回について異なる３つの構成を示す。図５（ａ）は、分割巻線３０ａと分割巻線３０ｂとをツイスト巻線構造とした場合を示す。すなわち、分割巻線３０ａ及び分割巻線３０ｂの一方を巻回した後、その外周に他方を巻回した構成である。ツイスト巻線構造は、最も結合係数ｋ_ｐが大きくなる構造であり、分割巻線３０ａ及び分割巻線３０ｂのそれぞれの発生磁束が密に鎖交し合う。図５（ｂ）は、分割巻線３０ａと分割巻線３０ｂとを並行並走巻線構造とした場合を示す。すなわち、分割巻線３０ａ及び分割巻線３０ｂを軸方向に沿って交互に巻回した構成である。並行並走巻線構造は、ツイスト巻線構造と同様に、分割巻線３０ａ及び分割巻線３０ｂの発生磁束がほぼ鎖交し合う。図５（ｃ）は、分割巻線３０ａと分割巻線３０ｂとを独立巻線構造とした場合を示す。すなわち、分割巻線３０ａを軸方向に沿って巻回した部分と分割巻線３０ｂを軸方向に沿って巻回した部分とを独立に設けた構成である。独立巻線構造は、互いに交差しない磁束６６が生じるため、漏れ磁束が多くなり、ツイスト巻線構造及び並行並走巻線構造に比べて結合係数ｋ_ｐが小さくなる。

【0035】

なお、ここでは一次側巻線３０の分割巻線３０ａ及び分割巻線３０ｂの巻線構造について説明したが、二次側巻線４０の分割巻線４０ａ及び分割巻線４０ｂについても同様である。

【0036】

一方、自己インダクタンスＬ１は、分割巻線３０ａと分割巻線３０ｂとの巻線構造及び分割巻線４０ａと分割巻線４０ｂの巻線構造に対して大きく変化しない。

【0037】

したがって、コア形状と巻線構造とを適切に組み合わせてトランス２０を構成することで、一次側巻線３０と二次側巻線４０との距離が離れたとしても、結合係数ｋ_ｐｓを大きく、結合係数ｋ_ｐを小さくして大きな伝送電力Ｐ_ｄｄを実現することができる。

【0038】

図６及び図７は、図４に示した凸形状コア６０ａと凹形状コア６０ｂとを組み合わせたコア形状に対して並行並走巻線構造を適用したときの結合率（実線：結合係数ｋ_ｐ，破線：結合係数ｋ_ｐｓ）と伝送電力Ｐ_ｄｄ（実線：実験結果，破線：解析結果）を示す。図６及び図７の横軸は、一次側巻線３０と二次側巻線４０との距離である。

【0039】

図６に示すように、一次側巻線３０と二次側巻線４０との距離が離れるにつれて、結合率（結合係数ｋ_ｐ，結合係数ｋ_ｐｓ）はそれぞれ低下する。ただし、結合係数ｋ_ｐｓは、結合係数ｋ_ｐに比べて一次側巻線３０と二次側巻線４０との距離に対して低下率が大きい。このような結合係数ｋ_ｐと結合係数ｋ_ｐｓの関係から、数式（１）及び数式（２）により表される伝送電力Ｐ_ｄｄは、図７に示すように、一次側巻線３０と二次側巻線４０との距離に対してある領域において増加したり、低下率が小さくなったりする。

【0040】

図８は、図４に示した凸形状コア６０ａと凹形状コア６０ｂとを組み合わせたコア形状に対して、ツイスト巻線構造、並行並走巻線構造及び独立巻線構造を適用したときの結合率（結合係数ｋ_ｐ，結合係数ｋ_ｐｓ）の比を示す。また、図９は、図４に示した凸形状コア６０ａと凹形状コア６０ｂとを組み合わせたコア形状に対して、ツイスト巻線構造、並行並走巻線構造及び独立巻線構造を適用したときの伝送電力Ｐ_ｄｄを示す。

【0041】

図８に示すように、巻線構造を変化させることによって、結合係数ｋ_ｐｓはほとんど変化させることなく、結合係数ｋ_ｐを変化させることができる。これにより、図９に示すように、伝送電力Ｐ_ｄｄ（出力特性）を適切に設計することができる。

【0042】

なお、巻線構造は、ツイスト巻線構造、並行並走巻線構造及び独立巻線構造に限定されるものではなく、適宜変更してもよい。例えば、複数の巻線構造を組み合わせた構造としてもよい。すなわち、例えば、巻線の一部をツイスト巻線構造とし、残りの部分を並行並走巻線構造としたり、巻線の一部をツイスト巻線構造とし、残りの部分を独立巻線構造としたりしてもよい。他の組み合わせも同様に採用することができる。

【0043】

［非接触電力伝達装置の応用例１］
本実施の形態における非接触電力伝達装置１００では、一次側回路１２と二次側回路１４とを適宜組み合わせることによって、アプリケーション２００に応じた適切な効率で電力伝送を実現することができる。

【0044】

例えば、図１０に示すように、二次側巻線４０の巻回数が異なる複数の二次側回路１４から選択された１つの二次側回路１４と一次側回路１２とを組み合わせることによって、一次側巻線３０と二次側巻線４０の巻数比を適宜変更可能である。これにより、蓄電池１０とアプリケーション２００との組み合わせに応じて適切な効率で電力伝送を実現することができる。

【0045】

また、例えば、図１１に示すように、一次側巻線３０の巻回数が異なる複数の一次側回路１２から選択された１つの一次側回路１２と二次側回路１４とを組み合わせることによって、一次側巻線３０と二次側巻線４０の巻数比を変更可能である。これにより、蓄電池１０とアプリケーション２００との組み合わせに応じて適切な効率で電力伝送を実現することができる。

【0046】

［非接触電力伝達装置の応用例２］
図１２は、非接触電力伝達装置１００に対する制御部の構成例を示す。一次側制御部１６は、一次側回路１２のスイッチング素子３２ａ，３２ｂのスイッチングを制御するゲートドライブ回路を含んで構成される。また、一次側制御部１６は、無線通信手段２２を含む通信機を備える。一次側制御部１６は、制御コントローラ７０からのゲート制御信号を受けて、スイッチング素子３２ａ，３２ｂのゲート電圧を制御する。

【0047】

また、二次側制御部１８は、二次側回路１４のスイッチング素子４２ａ，４２ｂのスイッチングを制御するゲートドライブ回路を含んで構成される。また、二次側制御部１８は、無線通信手段２４を含む通信機を備える。制御コントローラ７０は、一次側制御部１６の無線通信手段２２及び二次側制御部１８の無線通信手段２４を介して、二次側制御部１８へゲート制御信号を送信する。二次側制御部１８は、制御コントローラ７０からのゲート制御信号を受けて、スイッチング素子４２ａ，４２ｂのゲート電圧を制御する。これにより、一次側回路１２と二次側回路１４のスイッチングを同期させることができる。

【0048】

また、アプリケーション２００の制御が必要な場合、無線通信手段２２及び無線通信手段２４を介して、制御コントローラ７０によってアプリケーション２００の制御を行えばよい。例えば、無線通信手段２２及び無線通信手段２４を介して、アプリケーション２００の状態値を制御コントローラ７０へ通信し、その値に基づいて制御コントローラ７０から制御信号を出力することでアプリケーション２００に対するフィードバック制御を実現することができる。

【0049】

なお、一次側制御部１６と二次側制御部１８との間で無線通信を行う構成に限定されるものでなく、制御コントローラ７０と二次側制御部１８との間で無線通信を行う構成としてもよい。また、制御コントローラ７０と二次側制御部１８とが有線で接続される場合、制御コントローラ７０と一次側制御部１６との間で無線通信を行う構成としてもよい。これらの構成とすることにより、一次側回路１２と二次側回路１４とを分離可能な態様にて非接触電力伝達装置１００を使用することができる。

【0050】

なお、有線で通信を実現できるような場合には無線通信に代えて有線通信を適用してもよい。

【0051】

［非接触電力伝達装置の応用例３］
本実施の形態における非接触電力伝達装置１００は、電力グリッドシステムに適用することができる。図１３は、非接触電力伝達装置１００を適用した電力グリッドシステム３００の例を示す。

【0052】

電力グリッドシステム３００では、アプリケーションライン７２に対して、それぞれ非接触電力伝達装置１００（１００ａ〜１００ｄ）を介して蓄電・発電装置７４（７４ａ〜７４ｄ）が接続される。

【0053】

蓄電・発電装置７４は、二次電池等の蓄電手段や太陽電池等の発電手段を含んで構成される。例えば、蓄電・発電装置７４ａを小型二次電池、蓄電・発電装置７４ｂを大型二次電池、蓄電・発電装置７４ｃを太陽電池、蓄電・発電装置７４ｄをＥＤＬＣとすることができる。アプリケーションライン７２は、例えば、電力グリッドラインや電気エネルギーを使用するアプリケーションに繋がるラインとすることができる。

【0054】

非接触電力伝達装置１００ａ〜１００ｄは、それぞれアプリケーションライン７２の電圧を基準として、蓄電・発電装置７４ａ〜７４ｄの電圧に合わせるように一次側回路１２と二次側回路１４との巻線比が設計される。非接触電力伝達装置１００ａ〜１００ｄは、アプリケーションライン７２から供給できる電力と蓄電・発電装置７４ａ〜７４ｄの状態応じて電力の分配を行い、蓄電・発電装置７４ａ〜７４ｄの電力制御を行う。例えば、太陽電池を優先的な電力出力手段とし、アプリケーションライン７２において電力が余剰状態にあるときには二次電池に電力を循環させてエネルギーを備蓄する等、エネルギーの有効理由を図ることができる。

【0055】

また、非接触電力伝達装置１００の一次側と二次側とは非接触であるので、非接触電力伝達装置１００の一部が過酷な環境下、例えば風雨に曝される環境下であっても漏電等の不具合の発生を抑制することができ、安全を保つことができる。

【0056】

また、さらに蓄電・発電装置７４を増設する際にも、非接触電力伝達装置１００が非接触型であるのでアプリケーションライン７２を停電させることなく拡張を行うことができる。すなわち、電力グリッドシステム３００の拡張性を高めることができる。

【0057】

［非接触電力伝達装置の応用例４］
本実施の形態における非接触電力伝達装置１００は、自律して移動できる自律移動型の電池パック４００に適用することができる。図１４は、自律移動型電池パック４００の例を示す。

【0058】

アプリケーションライン７６に対して接続された非接触電力伝達装置１００（１００ａ〜１００ｄ）の一次側回路１２が設けられる。自律移動型電池パック４００は、当該一次側回路１２に電磁気的に結合される非接触電力伝達装置１００（１００ａ〜１００ｄ）の二次側回路１４を備え、当該二次側回路１４に対してそれぞれ蓄電装置７８（７８ａ〜７８ｄ）が接続される。蓄電装置７８は、二次電池等の蓄電手段を含んで構成される。

【0059】

また、自律移動型電池パック４００は、蓄電装置７８（７８ａ〜７８ｄ）の少なくとも一部から供給される電力を利用して自律移動型電池パック４００を移動させるための駆動力を発生する駆動手段８０（８０ａ，８０ｂ）を備える。

【0060】

駆動手段８０は、例えば、モータの駆動軸に接続された車輪を含み、これらを制御する制御部を設けた構成とすることができる。ただし、これに限定されるものではなく、水上や水中を移動するためのスクリューや空中を飛行するためのプロペラ等を備えた駆動手段８０としてもよい。

【0061】

なお、自律移動型電池パック４００への電力供給や自律移動型電池パック４００からの電力需給は、アプリケーションライン７６に接続された電力変換装置８２及びアプリケーション８４により行うことができる。アプリケーション８４は、電力供給装置や負荷とすることができる。

【0062】

自律移動型電池パック４００は、電力供給に利用することができる。図１５は、自律移動型電池パック４００を用いた電力の輸送例を示す。自律移動型電池パック４００への充電が必要となった場合、自走により充電用のアプリケーションライン７６への接続を行う。これにより、自律移動型電池パック４００に備わる蓄電装置７８（７８ａ〜７８ｄ）が充電される。充電終了後、駆動手段８０によって自律移動型電池パック４００を自走させて電力を必要とする場所へと自律移動型電池パック４００を移動させる。電力需要箇所では、負荷に応じた一次側回路１２を用意し、自律移動型電池パック４００の二次側回路１４に対して当該一次側回路１２を結合させることで電力供給を実現する。蓄電装置７８の充電量が不足する場合、別の蓄電装置７８に接続し直せばよい。

【0063】

このような自律移動型電池パック４００を用いることによって、外部に露出した金属端子部を無くすことができ、水滴等による漏電等の不具合の発生を抑制することができる。また、災害時等において人が容易に行くことができない場所への電力輸送が可能となる。また、太陽電池や風力発電等の人が行くことが困難な場所にある発電装置に対して自律的に充電をしに行くことができる。

【符号の説明】

【0064】

１０ 蓄電池、１２ 一次側回路、１４ 二次側回路、１６ 一次側制御部、１８ 二次側制御部、２０ トランス、２２，２４ 無線通信手段、３０ 一次側巻線、３０ａ，３０ｂ 分割巻線、３２ａ，３２ｂ スイッチング素子、３４ａ，３４ｂ コンデンサ、３６ａ，３６ｂ 環流ダイオード、３８ 一次側コア、４０ 二次側巻線、４０ａ，４０ｂ 分割巻線、４２ａ，４２ｂ スイッチング素子、４４ａ，４４ｂ コンデンサ、４６ａ，４６ｂ 環流ダイオード、４８ 二次側コア、５０ａ，５０ｂ コア、５２ａ，５２ｂ 巻線、５４ 磁束、６０ａ 凸形状コア、６０ｂ 凹形状コア、６２ａ，６２ｂ 巻線、６４ 磁束、６６ 磁束、７０ 制御コントローラ、７２ アプリケーションライン、７４（７４ａ〜７４ｄ） 蓄電・発電装置、７６ アプリケーションライン、７８（７８ａ〜７８ｄ） 蓄電装置、８０（８０ａ，８０ｂ） 駆動手段、８２ 電力変換装置、８４ アプリケーション、１００（１００ａ〜１００ｄ） 非接触電力伝達装置、２００ アプリケーション、３００ 電力グリッドシステム、４００ 自律移動型電池パック。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】