CN104160588A

CN104160588A - 双向非接触供电系统

Info

Publication number: CN104160588A
Application number: CN201280069131.4A
Authority: CN
Inventors: 阿部茂; 金子裕良; 渡边宏; 保田富夫
Original assignee: Technova Inc
Current assignee: Technova Inc
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2012-02-09
Publication date: 2014-11-19
Also published as: HK1203108A1; EP2814136A4; JP5923120B2; JPWO2013118274A1; EP2814136A1; EP2814136B1; US20150001958A1; WO2013118274A1

Abstract

本发明提供双向的供电效率高的双向非接触供电系统。具备将直流转换为交流的功能和将交流转换为直流的功能的第一、第二、第三电力转换器(20、10、40)、和初级侧电路与电力转换器(20)连接且次级侧电路与电力转换器(40)连接的非接触供电装置(30)，在从初级侧电路向次级侧电路供电时，电力转换器(10)进行向直流的转换动作，电力转换器(20)进行向交流的转换动作，电力转换器(40)进行向直流的转换动作，在从次级侧电路向初级侧电路供电时，电力转换器(40)进行向交流的转换动作，电力转换器(20)进行向直流的转换动作，电力转换器(10)进行向交流的转换动作。非接触供电装置(30)具有初级侧串联电容器(33)、次级侧并联电容器(34)以及次级侧串联电感器(35)，以高的效率执行G2V以及V2G。

Description

双向非接触供电系统

技术领域

本发明涉及以非接触的方式对搭载于电动汽车等移动体的二次电池进行供电的非接触供电系统，是能够进行双向的供电，以便根据需要在电力系统、家庭中也能够利用二次电池中蓄积的电力的系统。

背景技术

被搭载于电动汽车、插电式混合动力车的二次电池的充电方式存在对车辆连接充电线缆而从外部电源进行供电的方式、和利用初级线圈(送电线圈)以及次级线圈(受电线圈)间的电磁感应而以非接触的方式从送电线圈向受电线圈供给电力的非接触供电方式。

图12示意性地表示了以非接触供电方式对插电式混合动力车的二次电池104进行充电的非接触供电系统。

插电式混合动力车具备发动机101、电机102作为驱动源，并具备作为电机用的电源的二次电池104、以及将二次电池104的直流转换为交流并向电机102供给的逆变器103。

向二次电池104进行供电的非接触供电系统在地上侧具备将商用电源105的交流转换为直流的整流器110、根据转换后的直流生成高频交流的逆变器120、作为非接触供电变压器的一方的送电线圈131、以及与送电线圈131串联连接的串联电容器133，在车辆侧具备作为非接触供电变压器的另一方的受电线圈132、为了二次电池104而将交流转换为直流的整流器140、和并联连接在受电线圈132与整流器140之间的并联电容器134。

其中，在该说明书中，将存在于逆变器120和整流器140之间并包括由送电线圈131以及受电线圈132构成的非接触供电变压器、和电容器133、134的部分称为“非接触供电装置”。

图13表示了下述专利文献1中记载的非接触供电系统的基本电路。整流器110具备整流元件和使被整流后的电流平滑化的平滑电容器。逆变器120如公知那样具备由IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等构成的四个主开关、以反并联的方式与各主开关连接的四个反馈二极管、进行主开关的开关控制的控制部(未图示)，通过基于来自控制部的控制信号的主开关的接通、断开动作，从逆变器120输出方波、基于脉冲宽度控制而近似正弦波形的交流。

初级线圈131、次级线圈132、初级侧串联电容器133以及次级侧并联电容器134构成了非接触供电装置130。将该非接触供电装置130中的电容器133、134的初级串联(series)、次级并联(parallel)的连接方式称为“SP方式”。

从非接触供电装置130输出的交流被具备整流元件和平滑电容器的整流器140整流，向二次电池104供给。

非接触供电装置130中的电容器的连接方式除了SP方式以外，还公知有将串联电容器与初级侧以及次级侧连接的“SS方式”、将并联电容器与初级侧以及次级侧连接的“PP方式”等，在为SP方式的情况下，如果如下述专利文献1记载那样，将次级侧并联电容器134的容量Cp以及初级侧的串联电容器的容量Cs如下那样设定，则会与理想变压器等效，得到较高的供电效率，使得系统设计变容易。

即，在将初级线圈131的匝数设为N₁，将次级线圈132的匝数设为N₂，将匝数比设为a＝N₁/N₂，将换算为次级侧的初级侧的输入电压设为V’_IN(＝V_IN/a)，将输入电流设为I’_IN(＝a×I_IN)，将初级侧电容器C的容量电抗设为x’_S(＝x_S/a²)，将初级绕组的初级泄漏电抗设为x’₁(＝x₁/a²)，将励磁电抗设为x’₀(＝x₀/a²)，另外，将次级泄漏电抗设为x₂，将次级侧电容器的容量电抗设为x_P，将输出电压设为V₂，将输出电流设为I_2L，并且，将高频电源120的频率设为f₀、ω₀＝2πf₀时，次级侧并联电容器的容量Cp被设定为满足下式(数1)。

1/(ω₀×Cp)＝x_P＝x’₀+x₂ (数1)

另外，初级侧串联电容器的容量Cs(＝CS’/a²)被设定为满足下式(数2)。

1/(ω₀×Cs’)＝x’_S

＝(x’₀×x’₁+x’₁×x₂+x₂×x’₀)/(x’₀+x₂) (数2)

于是，SP方式的非接触供电装置的等效电路成为与匝数比b(＝x’₀/(x’₀+x₂))的理想变压器等效，下式(数3)以及(数4)成立。

V₂＝V’_IN/b (数3)

I_2L＝bI’_IN (数4)

近年来，针对在家庭、配电网中利用电动汽车(EV)的二次电池所蓄积的多余电力的“V2H”(Vehicle to Home：从车辆向家庭)、“V2G”(Vehicle to Grid：从车辆向电网)的热度正在高涨。

在下述非专利文献1中，响应于这样的动向，正在研究非接触供电系统中的双向化。图14表示了在非专利文献1中提出的双向非接触供电系统。在该系统中，EV用逆变器201、202与非接触供电装置的初级侧电路以及次级侧电路分别连接。

在从初级侧向次级侧供电时，EV用逆变器201将直流电源的直流转换为交流。另外，对EV用逆变器202而言，所有的主开关断开，利用反馈二极管所形成的整流桥对从次级侧电路输出的交流进行整流，向负载供给。相反，在从次级侧向初级侧供电时，EV用逆变器202将从负载输出的直流转换为交流，所有的主开关断开的EV用逆变器201对从初级侧电路输出的交流进行整流并向直流电源供给。

在从初级侧向次级侧供电的情况下和相反的情况下，非接触供电装置都如采用SP方式的电容器配置那样，初级侧电路以及次级侧电路双方具备串联电容器、使该串联电容器的两端短路的开关、并联电容器、以及对该并联电容器的连接进行接通、断开的开关，按照在供电方向为从初级侧向次级侧的情况下，初级侧电路的串联电容器和次级侧电路的并联电容器发挥功能，在供电方向从次级侧向初级侧的情况下，次级侧电路的串联电容器和初级侧电路的并联电容器发挥功能的方式，进行开关的切换。

专利文献1：日本特开2011－45195号公报

非特許文献1:名雪、福島、宜保、根本、池谷「双方向非接触給電システムの提案基本性能の実証」電力中央研究所報告、H10007(2011)

然而，切换电路来使非接触供电系统双向化的方式需要向非接触供电装置导入切换控制机构，另外，由于非接触供电装置的部件数量增加，所以无法避免成本增加。另外，为了与送电方向(是G2V还是V2G)无关地使送电侧的电压与受电侧的电压成为几乎相同的电平，需要利用逆变器等进行大幅度的电压控制，这也会导致成本增加。

在非接触供电系统的双向化时，需要尽量抑制非接触供电装置的成本增加。

因此，要求将单向非接触供电系统中使用的非接触供电装置的变更抑制为最小限度，减少C、L的数量，将电源、非接触供电变压器的规格与单向的情况共用。

另外，在非接触供电系统的双向化时，要求构成为双向的供电效率都能够维持最大效率。

另外，在非接触供电系统的双向化时，希望在向任意方向供电的情况下都能够简单地控制受电侧的电压以及电流。

发明内容

本发明是考虑这样的技术问题而提出的，其目的在于，提供着一种双向的供电效率高、能够使受电侧的电压以及电流的控制简单、低成本化的双向非接触供电系统。

本发明的双向非接触供电系统具备非接触供电装置，该非接触供电装置包括第一线圈、和与第一线圈隔开空隙配置的第二线圈，通过电磁感应作用从包括第一线圈的初级侧电路向包括第二线圈的次级侧电路供给电力，并且通过电磁感应作用从次级侧电路向初级侧电路供给电力，上述双向非接触供电系统的特征在于，非接触供电装置的初级侧电路与具备将直流转换为交流的功能、和将交流转换为直流的功能的第一电力转换器连接，第一电力转换器与具备将直流转换为交流的功能、和将交流转换为直流的功能的第二电力转换器连接，第二电力转换器还与商用电源连接，非接触供电装置的次级侧电路与具备将直流转换为交流的功能、和将交流转换为直流的功能的第三电力转换器连接，第三电力转换器还与二次电池等移动体直流电源连接，在从非接触供电装置的初级侧电路向次级侧电路供电时，第二电力转换器将商用电源的交流转换为直流，第一电力转换器将直流转换为交流并供给至初级侧电路，第三电力转换器将从次级侧电路输出的交流转换为直流并供给至移动体直流电源，在从非接触供电装置的次级侧电路向初级侧电路供电时，第三电力转换器将从移动体直流电源输出的直流转换为交流并供给至次级侧电路，第一电力转换器将从初级侧电路输出的交流转换为直流，第二电力转换器将直流转换为交流并供给至商用电源，仅通过切换第一电力转换器、第二电力转换器以及第三电力转换器的动作来进行双向的供电。

在该双向非接触供电系统中，能够仅通过切换第一、第二、第三电力转换器的动作便执行G2V(Grid to Vehicle：从配电网向车辆)以及V2G。

另外，本发明的双向非接触供电系统的特征在于，上述非接触供电装置具备：与第一线圈串联连接的第一串联电容器、与第二线圈并联连接的第一并联电容器、以及与第二线圈串联连接的第一电感器。

在该双向非接触供电系统中，通过对SP方式的非接触供电装置的次级侧添加串联电感器，提高了双向的供电效率。

另外，在本发明的双向非接触供电系统中，也可以更换上述非接触供电装置的初级侧和次级侧的电容器以及电感器而具备与第一线圈并联连接的第二并联电容器、与第一线圈串联连接的第二电感器、以及与第二线圈串联连接的第二串联电容器(以下将其称为变形例)。

由于以双向进行供电，所以能够进行初级侧和次级侧之间的更换。

另外，在本发明的双向非接触供电系统中，优选当将从上述非接触供电装置的初级侧电路向次级侧电路供电时的第一电力转换器所生成的交流的频率、以及从上述非接触供电装置的次级侧电路向初级侧电路供电时的第三电力转换器所生成的交流的频率设为f0，将与第一(在变形例中为第二)串联电容器连接的线圈的自电感设为L1，将与第一(在变形例中为第二)并联电容器连接的线圈的自电感设为L2时，

第一(在变形例中为第二)串联电容器的值Cs被设定为

Cs≈1/{(2πf0)²×L1}

第一(在变形例中为第二)并联电容器的值Cp被设定为

Cp≈1/{(2πf0)²×L2}

第一(在变形例中为第二)串联电感器的值Ls被设定为

Ls≈L2。

由此，能够以高效率双向进行供电。

另外，该情况下，

当设为Cs0＝1/{(2πf0)²×L1}

Cp0＝1/{(2πf0)²×L2}时，

第一(在变形例中为第二)串联电容器的值Cs被设定在

Cs0×0.7≤Cs≤Cs0×1.3的范围内，

并且，第一(在变形例中为第二)并联电容器的值Cp被设定在

Cp0×0.7≤Cp≤Cp0×1.3的范围内，

并且，第一(在变形例中为第二)串联电感器的值Ls被设定在

L2×0.7≤Ls≤L2×1.3的范围内。

若在该范围设定Cs、Cp、Ls，则能够以与具备SP方式的非接触供电装置的单方向非接触供电系统几乎相同的高供电效率进行双向的供电。

另外，也可以在本发明的双向非接触供电系统中，第一电力转换器以及第三电力转换器的至少一方具有：由开关元件和与该开关元件反并联连接的二极管构成的开关单元通过两个串联连接而成的开关单元臂；和两个电容器串联连接并与开关单元臂并联连接的电容器臂，开关单元臂的两个开关单元的连接点、以及电容器臂的两个电容器的连接点与非接触供电装置的初级侧电路或者次级侧电路连接，在将直流转换为交流时作为半桥逆变器工作，在将交流转换为直流时作为倍压整流电路工作。

由此，能够减少电力转换器的部件数量，另外，能够减少消耗电力而提高供电效率。

另外，本发明的双向非接触供电系统能够构成为，将上述第三电力转换器设为三相电压型逆变器，三相电压型逆变器的直流侧与移动体直流电源连接，三相交流侧经由切换开关与三相电动机以及非接触供电装置的次级侧电路连接。

可利用电动汽车本来具备的电动机驱动用的三相电压型逆变器来进行双向非接触供电。

另外，在本发明的双向非接触供电系统中，该三相电压型逆变器当通过切换开关与三相电动机连接时作为三相电压型PWM逆变器工作，该三相电压型逆变器当通过切换开关与非接触供电装置的次级侧电路连接时作为输出单相方形波的单相方形波逆变器工作。

本发明的双向非接触供电系统不较大地变更进行单方向供电的非接触供电装置的结构，而能够进行较高效率的双向供电，能够较低地抑制伴随双向化的成本增加。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式涉及的双向非接触供电系统的电路图。

图2是表示证实实验的参数的图。

图3是表示证实实验结果的图。

图4是表示电阻负载与供电效率之间的关系的图。

图5是表示输入输出波形的相位的图。

图6是图1的变形电路图。

图7是本发明的第二实施方式涉及的双向非接触供电系统的电路图。

图8是图7的变形电路图。

图9是本发明的第三实施方式涉及的双向非接触供电系统的电路图。

图10是图9的电路中的电压型逆变器的UV端子间输出电压波形。

图11是图9的变形电路图。

图12是表示向车辆的非接触供电系统的图。

图13是图12的非接触供电系统的基本电路图。

图14是表示以往的双向非接触供电系统的图。

具体实施方式

(第一实施方式)

图1表示了本发明的第一实施方式涉及的双向非接触供电系统的电路结构。该系统具备与商用电源1连接的高功率因数转换部(技术方案中的“第二电力转换器”)10、初级侧的逆变部(技术方案中的“第一电力转换器”)20、并联连接在高功率因数转换部10以及逆变部20间的平滑电容器2、初级侧与逆变部20连接的非接触供电装置30、与非接触供电装置30的次级侧连接的逆变部(技术方案中的“第三电力转换器”)40、对电进行蓄积的二次电池4、并联连接在逆变部40以及二次电池4间的平滑电容器3，另外，虽然未图示，但具备对高功率因数转换部10以及逆变部20、40进行开关控制的控制部。

高功率因数转换部10以及逆变部20、40分别具有IGBT等开关元件、和四个与开关元件逆并联连接的由反馈二极管构成的开关单元(Q1、Q2、Q3、Q4)，Q1和Q2串联连接的开关单元臂、与Q3和Q4串联连接的开关单元臂并联连接。在高功率因数转换部10中，一方的开关单元臂的Q1与Q2的连接点经由电感器11与商用电源1连接，另一方的开关单元臂的Q3与Q4的连接点直接与商用电源1连接。在逆变部20中，一方的开关单元臂的Q1与Q2的连接点、以及另一方的开关单元臂的Q3与Q4的连接点分别与非接触供电装置30的初级侧电路连接。另外，在逆变部40中，一方的开关单元臂的Q1与Q2的连接点、以及另一方的开关单元臂的Q3与Q4的连接点分别与非接触供电装置30的次级侧电路连接。

非接触供电装置30具备：构成非接触供电变压器的初级侧线圈31以及次级侧线圈32、与初级侧线圈31串联连接的串联电容器33、与次级侧线圈32并联连接的并联电容器34、以及在比并联电容器34更靠近逆变部40一侧与次级侧线圈32串联连接的电感器35。

构成高功率因数转换部10以及逆变部20、40的开关单元(Q1、Q2、Q3、Q4)的开关元件的接通、断开动作由控制部(未图示)控制。

在G2V的情况下，在高功率因数转换部10中通过由控制部对Q1、Q2、Q3、Q4的开关元件进行PWM控制(脉冲宽度调制控制)来从商用电源1的交流向平滑电容器2供给可变电压的直流。此时，通过恰当地进行PWM控制，可使商用电源1的功率因数为1，从商用电源1供给的电流也成为高次谐波极少的正弦波电流。对高功率因数转换器的动作而言，在商用电源1与高功率因数转换器10的开关单元之间需要电感器11。

在从平滑电容器2输入直流的逆变部20中，Q1以及Q4的组的开关元件、Q2以及Q3的组的开关元件根据来自控制部的控制信号以频率f0的周期交替进行接通、断开的动作，从逆变部20输出频率f0的交流。

非接触供电装置30的特性将在后面说明。

在从非接触供电装置30输入高频的交流的逆变部40中，按照Q1、Q2、Q3、Q4的开关元件断开的方式进行控制。因此，在逆变部40中，仅Q1、Q2、Q3、Q4的反馈二极管发挥功能，进行交流的全波整流。从逆变部40输出的直流被平滑电容器3平滑化而输入至二次电池4。

相反，在V2G的情况下，逆变部40的Q1以及Q4的组的开关元件、Q2以及Q3的组的开关元件根据来自控制部的控制信号以频率f0的周期交替进行接通、断开动作，从逆变部40向非接触供电装置30输出频率f0的交流。在从非接触供电装置30输入高频的交流的逆变部2中，按照Q1、Q2、Q3、Q4的开关元件断开的方式进行控制，仅Q1、Q2、Q3、Q4的反馈二极管发挥功能，来对交流进行全波整流。从逆变部20输出的直流被平滑电容器2平滑化而输入至高功率因数转换部10。

在输入直流的高功率因数转换部10中，通过由控制部对Q1、Q2、Q3、Q4的开关元件进行PWM控制，来向商用电源1供给功率因数－1的高次谐波分量较少的正弦波电流。另外，如果在高功率因数转换部10中输入的直流电压为适当的范围，则能够向商用电源1供给恒定电压的交流。

接下来，对在SP方式的电容器33、34追加了次级侧串联电感器35的非接触供电装置30的特性进行说明。

在此，将次级侧并联电容器34的值设为Cp，将次级侧串联电感器35的值设为Ls，将初级侧串联电容器33的值设为Cs，如下那样决定Cp、Ls、Cs。

1/(ω₀×Cp)＝ω₀×L₂＝ω₀×Ls＝x_P＝x’₀+x₂ (数5)

Ls＝L₂ (数6)

1/(ω₀×Cs’)＝ω₀×L’₁＝x’_S＝x’₀+x’₁ (数7)

其中，L₁为初级线圈31的自电感，L₂为次级线圈32的自电感。另外，ω₀、x_P、x’₀、x₂、x’_S、x’₁与在(数1)(数2)中定义的相同。

Cp的值与SP方式的(数1)的值相同，但Cs的值与SP方式的(数2)的值不同。

当将在G2V中逆变部20生成的交流的频率、以及在V2G中逆变部40生成的交流的频率设为f0(＝ω₀/2π)时，该Cp、Ls、Cs的值可表示为

Cp＝1/{(2πf0)²×L2} (数8)

Ls＝L2 (数9)

Cs＝1/{(2πf0)²×L1} (数10)

若如此设定Cp、Ls、Cs的值，则可使用初级线圈31与次级线圈32之间的匝数比a和b＝x’₀/(x’₀+x₂)而表示为

V₂＝V_IN/(ab) (数11)

I_2L＝abI_IN (数12)。

在此，

V_IN,I_IN：是逆变部20与非接触供电装置30的连接部的电压和电流，

V₂,I_2L：是逆变部40与非接触供电装置30的连接部的电压和电流。

b与耦合系数k的值大致相等。因此，通过根据接合系数k来调节匝数比a，能够将电压比任意设定。

另外，若将二次电池4的电阻负载设为R_L，则在G2V中，当

R_L＝{(x’₀+x₂)²/x’₀}(r’₁/r₂)^1/2 (数13)时以最大效率进行供电。另外，在V2G中，当

R’_L＝x’₀×(r’₁/r₂)^1/2 (数14)时以最大效率进行供电。

对为了验证该系统的特性而进行的实验结果进行说明。

在该实验中，使用图2的表中所示的变压器常量的非接触供电装置，由图1所示的电路进行了双向供电。在G2V中，电阻负载R_L被设定为由(数13)求出的值10Ω，在V2G中，被设定为由(数14)求出的值17.5Ω。

另外，使用不具有次级侧串联电感器的SP方式的非接触供电装置一并进行单方向供电，对其结果进行了比较。

图3中示出G2V、V2G以及SP的情况的测定结果。另外，在图4的图表中，针对G2V、V2G以及SP分别示出对电阻负载R_L与供电效率η之间的关系进行表示的计算值以及实测值。

另外，在图5(a)中示出G2V下的非接触供电装置的输入输出电压、电流波形，在图5(b)中示出V2G下的非接触供电装置的输入输出电压、电流波形。

根据图3以及图4可确认为在该双向非接触供电系统中，进行与SP方式的单方向供电几乎不改变的高效率的双向供电。

另外，根据图5可确认为输入输出电压的相位一致，具有理想变压器特性。

此外，由(数8)(数9)(数10)表示的Cp、Ls、Cs的值是为了得到理想变压器特性的理论值，但在实际的装置中，即使稍微偏离该理论值也能够执行高效率的双向供电。

可认为当将(数8)的理论值设为Cp0，将(数10)的理论值设为Cs0时，如果实际的装置的Cs、Cp、Ls的值在

Cs0×0.7≤Cs≤Cs0×1.3

Cp0×0.7≤Cp≤Cp0×1.3

L2×0.7≤Ls≤L2×1.3的范围内，则能够执行高效率的双向供电。

这样，在该双向非接触供电系统中，只要稍微变更在单方向供电中使用的非接触供电装置的结构，便能够进行高效率的双向供电。

另外，由于非接触供电装置具有理想变压器特性，所以即使在向任意方向供电的情况也能够容易地控制受电侧的电压以及电流。

此外，在该双向非接触供电系统中，由于能够进行高效率的双向供电，所以也可以更换非接触供电装置的初级侧和次级侧的电容器以及电感器，如图6所示那样，在非接触供电装置300的初级侧配置串联电感器350以及并联电容器340，在次级侧配置串联电容器330。

(第二实施方式)

图7表示本发明的第二实施方式涉及的双向非接触供电系统的电路结构。该系统与第一实施方式(图1)相比，只有与非接触供电装置30连接的逆变部200以及逆变部400的结构不同。高功率因数转换部10以及非接触供电装置30的结构以及动作与第一实施方式相同。

逆变部200以及逆变部400分别具有两个开关单元(Q1、Q2)和分压电容器(C1、C2)，Q1和Q2串联连接的开关单元臂、与C1和C2串联连接的电容器臂并联连接。在逆变部200中，开关单元臂的Q1与Q2的连接点、以及电容器臂的C1与C2的连接点分别与非接触供电装置30的初级侧电路连接，在逆变部400中，开关单元臂的Q1与Q2的连接点、以及电容器臂的C1与C2的连接点分别与非接触供电装置30的次级侧电路连接。

构成逆变部200以及逆变部400的开关单元(Q1、Q2)的开关元件的接通、断开动作由控制部(未图示)控制。

在G2V的情况下，在逆变部200中，Q1的开关元件和Q2的开关元件根据来自控制部的PWM控制信号以频率f0的周期交替进行接通、断开，逆变部200作为半桥逆变器进行动作。

此时，电容器C1以及C2分别被施加高功率因数转换部10的直流输出电压的被二分而得到的电压而被充电。若Q1、Q2的开关元件交替进行接通、断开动作，则电容器C1以及C2中蓄积的电力被交替释放，从逆变部200向非接触供电装置30的初级侧电路输出频率f0的交流。

另一方面，在逆变部400中，在G2V的情况下按照Q1、Q2的开关元件断开的方式进行控制。因此，仅Q1、Q2的反馈二极管发挥功能，逆变部400作为倍压整流器进行动作。

此时，利用经过Q1的反馈二极管的电流进行C1的充电，利用经过Q2的反馈二极管的电流进行C2的充电。从逆变部400向二次电池4施加将C1与C2的充电电压串联相加而得到的直流电压。

相反，在V2G的情况下，逆变部400的Q1的开关元件和Q2的开关元件根据来自控制部的PWM控制信号以频率f0的周期交替进行接通、断开，逆变部400作为半桥逆变器进行动作。

另外，逆变部200被控制成Q1、Q2的开关元件断开，作为倍压整流器进行动作。

这样，在该双向非接触供电系统中，由于逆变部200、400的一方作为半桥逆变器工作，所以该交流输出电压降至全桥逆变器的输出的一半，但由于另一方作为倍压整流器工作，所以输出电压上升至全波整流器的输出的两倍，结果，双向的供电电压与第一实施方式的系统相同。

该逆变部200、400中所使用的开关单元的数量为全桥逆变器的使用数量的一半。因此，该双向非接触供电系统能够以低成本实现。

另外，在全桥逆变器中，总是在两个开关单元中流通电流，但在该双向非接触供电系统中，由于交替在逆变部200、400的两个开关单元中流通电流，所以流通电流的开关单元总是一个。因此，在该双向非接触供电系统中，能够减少消耗电力，可将供电效率相应提高。

此外，在图7中，针对非接触供电装置30与第一实施方式同样地具备初级串联电容器、次级并联电容器以及次级串联电感器的情况进行了表示，但具备该逆变部200、400的双向非接触供电系统在使用其他方式的非接触供电装置的情况下，也能够通过消耗电力的降低而实现供电效率的提高、低成本化。

图8表示了在具备该逆变部200、400的双向非接触供电系统中配置了改进型SS方式的非接触供电装置310的例子。

该非接触供电装置310除了初级侧串联电容器311以及次级侧串联电容器312以外，还具备构成T－LCL形的导抗转换器的两个电感器313、314和一个电容器315。为了得到理想变压器特性，该导抗转换器被插入SS方式的非接触供电装置的系统侧。

作为导抗转换器，也可以使用在两个电容器的中间以T形连接了一个电感器的T－CLC形的导抗转换器。

另外，也能够使用第二实施方式的逆变部200作为与非接触供电装置的初级侧连接的第一电力转换器，使用第一实施方式的逆变部40作为与非接触供电装置的次级侧连接的第三电力转换器。或者，也可以使用第一实施方式的逆变部20作为第一电力转换器，使用第二实施方式的逆变部400作为第三电力转换器。

(第三实施方式)

图9表示本发明的第三实施方式涉及的双向非接触供电系统的电路结构。该系统与第一实施方式(图1)的不同点在于，与非接触供电装置30的次级侧连接的第三电力转换器利用了电动汽车本来具备的电动机驱动用的三相电压型逆变器50。

该三相电压型逆变器50具有：Q1和Q2串联连接的开关单元臂、Q3和Q4串联连接的开关单元臂、以及Q5和Q6串联连接的开关单元臂，三个开关单元臂的两端并联连接。Q5以及Q6串联连接的开关单元臂的中间点成为向电动机80的W相的输出端子，Q3以及Q4串联连接的开关单元臂的中间点成为向电动机80的V相的输出端子，Q1以及Q2串联连接的开关单元臂的中间点成为向电动机80的U相的输出端子。三相电压型逆变器50的W相输出端子与电动机80直接连接，V相输出端子以及U相输出端子经由切换开关70与电动机80或者非接触供电装置30的次级侧电路连接。

另外，在三相电压型逆变器50与二次电池4之间夹设有包括平滑电容器61和升降压斩波器电路的转换器60。

构成三相电压型逆变器50以及转换器60的开关单元的开关元件的接通、断开动作由控制部(未图示)控制。

在该系统中，当对搭载于车辆的二次电池4进行充电时，按照三相电压型逆变器50的V相输出端子以及U相输出端子与非接触供电装置30的次级侧连接的方式对切换开关70进行切换。而且，在从非接触供电装置30输入高频的交流的三相电压型逆变器50中，控制成Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的所有开关元件断开。

因此，在三相电压型逆变器50中，仅Q1、Q2、Q3、Q4的反馈二极管发挥功能，进行交流的全波整流。从三相电压型逆变器50输出的直流被平滑电容器61平滑化，并被转换器60降压而输入至二次电池4。

另外，当由二次电池4驱动电动机80时，按照三相电压型逆变器50的V相输出端子以及U相输出端子与电动机80连接的方式对切换开关70进行切换。

此时，二次电池4的输出被转换器60升压至电动机驱动电压，并被平滑电容器61平滑化而输入至三相电压型逆变器50。

构成三相电压型逆变器50的各开关单元臂的两个开关单元的开关元件通过控制部的PWM控制(脉冲宽度调制控制)交替进行图10(a)所示的PWM波形的接通、断开动作，生成虚线所示的U、V、W各相的交流。由三相电压型逆变器50生成的三相交流输入至电动机80，电动机80被驱动。

另外，在V2G的情况下，按照三相电压型逆变器50的V相输出端子以及U相输出端子与非接触供电装置30的次级侧电路连接的方式对切换开关70进行切换。而且，三相电压型逆变器50的Q1以及Q4的组的开关元件、Q2以及Q3的组的开关元件根据来自控制部的控制信号，交替进行图10(b)所示的单相方形波波形的接通、断开动作。

因此，由转换器60升压后的二次电池4的输出被三相电压型逆变器50转换为高频的交流而输入至非接触供电装置30，并且，经由逆变部20以及高功率因数转换部10被供给至商用电源1。此时的逆变部20以及高功率因数转换部10的动作与第一实施方式(图1)没有区别。

这样，在该系统中，搭载于车辆的三相电压型逆变器50在与三相电动机连接时，作为三相电压型PWM逆变器工作。另外，当在家庭、配电网中利用二次电池的电力时，三相电压型逆变器50通过切换开关与非接触供电装置的次级侧电路连接，作为输出单相方形波的单相方形波逆变器而工作。

图11表示第三实施方式的变形例，在该系统中，为了在双向非接触供电中利用搭载于车辆的三相电压型逆变器51，使用了第二实施方式(图7)的电路。

因此，在非接触供电装置30的初级侧电路连接有逆变部200，该逆变部200具有两个开关单元串联连接的开关单元臂、和构成分压电容器的两个电容器串联连接的电容器臂。如上所述，该逆变部200在将直流转换为交流时作为半桥逆变器工作，在将交流转换为直流时，该逆变部200作为倍压整流电路工作。

三相电压型逆变器51的W相输出端子以及V相输出端子与电动机80直接连接，U相输出端子经由切换开关71与电动机80或者非接触供电装置30的次级侧电路连接。

另外，在三相电压型逆变器51和转换器60之间连接有构成分压电容器的两个电容器串联连接而成的电容器臂62，电容器臂62的中间点与非接触供电装置30的次级侧电路连接。

在该电路中，如果将三相电压型逆变器51的U相输出端子与非接触供电装置30的次级侧电路连接，将三相电压型逆变器51的Q3、Q4、Q5、Q6的开关元件断开，则由三相电压型逆变器51的Q1、Q2和电容器臂62构成与第二实施方式(图7)的逆变部400相同的电路，通过控制Q1、Q2的开关元件，在将直流转换为交流时作为半桥逆变器工作，在将交流转换为直流时作为倍压整流电路工作。因此，能够与第二实施方式同样地进行双向非接触供电。

另外，如果切换切换开关71而将三相电压型逆变器51的U相输出端子与电动机80连接，则能够由二次电池4驱动电动机80。

工业上的可利用性

本发明的双向非接触供电系统能够以高的供电效率进行双向的供电，可广泛应用于汽车、搬运车、移动机械手等移动体。

附图标记说明：1...商用电源；2...平滑电容器；3...平滑电容器；4...二次电池；10...高功率因数转换部；11...电感器；20...逆变部；30...非接触供电装置；31...初级侧线圈；32...次级侧线圈；33...串联电容器；34...并联电容器；35...电感器；40...逆变部；50...三相电压型逆变器；51...三相电压型逆变器；60...转换器；61...平滑电容器；62...分压电容器；70...切换开关；71...切换开关；80...电动机；101...发动机；102...电机；103...逆变器；104...二次电池；105...商用电源；110...整流器；120...逆变器；131...送电线圈；132...受电线圈；133...串联电容器；134...并联电容器；140...整流器；200...逆变部；201...EV用逆变器；202...EV用逆变器；300...非接触供电装置；310...非接触供电装置；311...初级侧串联电容器；312...次级侧串联电容器；313...电感器；314...电感器；315...电容器；330...串联电容器；340...并联电容器；350...串联电感器；400...逆变部。

Claims

1.一种双向非接触供电系统，具备非接触供电装置，该非接触供电装置包括第一线圈和与该第一线圈隔开空隙配置的第二线圈，所述双向非接触供电系统通过电磁感应作用从包括所述第一线圈的初级侧电路向包括所述第二线圈的次级侧电路供给电力，并且通过电磁感应作用从所述次级侧电路向所述初级侧电路供给电力，其特征在于，

所述非接触供电装置的初级侧电路与具备将直流转换为交流的功能、和将交流转换为直流的功能的第一电力转换器连接，

所述第一电力转换器与具备将直流转换为交流的功能、和将交流转换为直流的功能的第二电力转换器连接，所述第二电力转换器还与商用电源连接，

所述非接触供电装置的次级侧电路与具备将直流转换为交流的功能、和将交流转换为直流的功能的第三电力转换器连接，所述第三电力转换器还与二次电池等移动体直流电源连接，

在从所述非接触供电装置的初级侧电路向次级侧电路供电时，所述第二电力转换器将商用电源的交流转换为直流，所述第一电力转换器将所述直流转换为交流而供给至所述初级侧电路，所述第三电力转换器将从所述次级侧电路输出的交流转换为直流而供给至所述移动体直流电源，

在从所述非接触供电装置的次级侧电路向初级侧电路供电时，所述第三电力转换器将从所述移动体直流电源输出的直流转换为交流而供给至所述次级侧电路，所述第一电力转换器将从所述初级侧电路输出的交流转换为直流，所述第二电力转换器将所述直流转换为交流而供给至所述商用电源，

通过切换所述第一电力转换器、第二电力转换器以及第三电力转换器的动作来进行双向的供电。

2.根据权利要求1所述的双向非接触供电系统，其特征在于，

所述非接触供电装置具备：与所述第一线圈串联连接的第一串联电容器、与所述第二线圈并联连接的第一并联电容器、以及与所述第二线圈串联连接的第一电感器。

3.根据权利要求1所述的双向非接触供电系统，其特征在于，

所述非接触供电装置具备：与所述第一线圈并联连接的第二并联电容器、与所述第一线圈串联连接的第二电感器、以及与所述第二线圈串联连接的第二串联电容器。

4.根据权利要求2或者3所述的双向非接触供电系统，其特征在于，

在将从所述非接触供电装置的初级侧电路向次级侧电路供电时的所述第一电力转换器所生成的交流的频率、以及从所述非接触供电装置的次级侧电路向初级侧电路供电时的所述第三电力转换器所生成的交流的频率设为f0，将与所述第一串联电容器或者第二串联电容器连接的线圈的自电感设为L1，将与所述第一并联电容器或者第二并联电容器连接的线圈的自电感设为L2时，

所述第一串联电容器或第二串联电容器的值Cs被设定为Cs≈1/{(2πf0)²×L1}，

所述第一并联电容器或第二并联电容器的值Cp被设定为Cp≈1/{(2πf0)²×L2}，

所述第一串联电感器或第二串联电感器的值Ls被设定为Ls≈L2。

5.根据权利要求4所述的双向非接触供电系统，其特征在于，

在设为Cs0＝1/{(2πf0)²×L1}

Cp0＝1/{(2πf0)²×L2}时，

所述第一串联电容器或第二串联电容器的值Cs被设定在Cs0×0.7≤Cs≤Cs0×1.3的范围内，

并且，所述第一并联电容器或第二并联电容器的值Cp被设定在Cp0×0.7≤Cp≤Cp0×1.3的范围内，

并且，所述第一串联电感器或第二串联电感器的值Ls被设定在L2×0.7≤Ls≤L2×1.3的范围内。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的双向非接触供电系统，其特征在于，

所述第一电力转换器以及第三电力转换器的至少一方具有：

将由开关元件和与该开关元件反并联连接的二极管构成的开关单元两个串联连接而成的开关单元臂；和

将电容器两个串联连接并与所述开关单元臂并联连接而成的电容器臂，

并且，所述开关单元臂的两个开关单元的连接点、以及所述电容器臂的两个电容器的连接点与所述初级侧电路或者次级侧电路连接，在将直流转换为交流时作为半桥逆变器工作，在将交流转换为直流时作为倍压整流电路工作。

7.根据权利要求1～6中任一项所述的双向非接触供电系统，其特征在于，

所述第三电力转换器是三相电压型逆变器，所述三相电压型逆变器的直流侧与所述移动体直流电源连接，三相交流侧经由切换开关与三相电动机以及所述非接触供电装置的次级侧电路连接。

8.根据权利要求7所述的双向非接触供电系统，其特征在于，

所述三相电压型逆变器在通过所述切换开关与所述三相电动机连接时作为三相电压型PWM逆变器工作，所述三相电压型逆变器在通过所述切换开关与所述非接触供电装置的次级侧电路连接时作为输出单相方形波的单相方形波逆变器工作。