成果報告書詳細
管理番号20160000000832
タイトル平成27年度成果報告書 戦略的省エネルギー技術革新プログラム/省エネルギー技術開発事業の重要技術に係る周辺技術・関連課題の検討/共鳴素子の活用による非接触給電等の性能向上に関する調査研究
公開日2016/10/15
報告書年度2015 - 2015
委託先名一般財団法人電力中央研究所
プロジェクト番号P12004
部署名省エネルギー部
和文要約電気自動車(EV)の充電方式として、利便性などの観点から非接触給電技術の開発が進められている。その普及促進のためには、非接触給電用コイルの高効率化や伝送距離のさらなる拡大が望まれる。一般的な非接触給電方式は、数10kHz帯の高周波電流と入力および出力用の二つのコイルを用いる電磁誘導方式である。この電磁誘導方式の更なる効率の向上や伝送距離を拡大する方法として、入力および出力コイルの間にさらに共鳴素子である共鳴中間コイルを挿入する方式が提案され、伝送距離拡大と高効率化が報告されている。しかしながら、この方式は装置サイズが大きくなり、また使用したコイルのQ値も低いため、効率が頭打ちとなる課題があった。特にEV充電用としては使用周波数が100kHz近傍と高周波側にシフトしており、表皮効果によるジュール損失がより大きな課題となる。本調査は、共鳴素子を活用する非接触給電方式において、実用の伝送容量・周波数レベルでの装置小型化と高周波コイルの損失低減の見通しを得ることを目的とし、コイル部の電磁界解析、非接触給電回路の瞬時値解析による装置構成や装置パラメータの最適化、および高効率コイルの試作を行ったものである。主な成果は以下の通りである。(1)共鳴素子を電磁誘導方式へ適用する際の装置小型化の可能性評価: 共鳴中間コイルと送受信コイルをそれぞれon-offする3ステップの伝送モードでの電力伝送が可能であること、さらにon およびoffの期間とタイミングを制御することで伝送効率を改善できる可能性のあることを解析により確認した。また、共鳴中間コイルと送受信コイル間の距離を接近させて、コイル形状・配置と電力伝送特性を評価することで、共鳴素子を用いる際の装置コンパクト化についての目途を得た。(2)高周波コイルの性能実態の評価と高効率化: 民生用機器に実際に用いられている高周波コイル30個のQ値を実測した。このうち2個のコイルについては、極めてQ値の高いものであった。また、細い絶縁電線から成るリッツ線を用い、直径20cm、巻数27の空芯コイルを試作した。この試作コイルでは、100kHzにおける抵抗値を直流抵抗の約1.4倍までに抑制でき、EVに用いられる85kHzでも実用的なコイルを作成できる見通しを得た。民生用機器に用いられているもののうち極めてQ値の高かったコイルと、試作コイルを比較した結果、単位長さ当たりの巻線抵抗値が何れも約0.01Ω/mであった。民生用機器で使用されているコイルのうち、Q値の極めて高い高性能のコイルの巻線については、試作コイルの巻線とほぼ同じ性能を有していることを確認した。(3)性能向上期待値の評価: 試作コイルと民生用機器で用いられるコイルのうち極めてQ値の高いコイルを組み合わせた磁気共鳴型のkW級非接触給電装置のコイル部の概念設計を行った。この概念設計では、共鳴中間コイルを入力コイルおよび出力コイルと近接させることで装置の小型化を達成している。電磁界解析などから、常時導通モードでは、直径20cmのコイルでも、電気自動車への充電を想定した周波数84.37kHz、ギャップ10cm、出力3kWにおけるコイル間の伝送効率が98%まで向上できることを明らかにした。以上により、共鳴素子の活用による非接触給電の性能向上の見通しを得ることができた。
英文要約Wireless power supply technology is under development for electric vehicle charging systems because of its user-friendliness. To spread wireless power supply systems for daily charging, further improvements in the power transmission efficiency and distance should be necessary. The most common method of wireless power supply is the electromagnetic inductive method in which two coils are used for power input and output at the ac current frequency of a few tens of kHz. It is already known that resonance coils placed between an input and an output coil are effective in improving the transmission efficiency and distance. However, the size of the coil system and energy loss become large because of the large number of coils. Energy loss in particular will become a big problem, because the frequency of ac current will be increased to around 100 kHz and Joule loss caused by the surface effect will be increased. This research aims at evaluating the prospect of reducing the size and losses of a coil system of wireless power supply by using resonance elements. In this research, the electromagnetic analysis of coil systems, optimization of device configurations and parameters via transient electric circuit analysis, and fabrication of a prototype high-efficiency coil have been carried out. The followings are the main results. (1) Feasibility evaluation of downsizing of a wireless power supply device with resonance elements: By calculating power transmission performance with short distance between an input or output coil and a resonant coil, we got possibility of the downsizing of a wireless power transmission device with resonance elements. The possibility of three-step power transmission mode which consists of three different on-off period and timing of coils was also shown by circuit calculation results. Efficiency improvement should be possible by optimization. (2) Evaluation of coil performance for high-frequency current and high-efficiency prototype coil: Q values of 30 coils used in currently available consumer equipment were measured. Two of them had high Q values. Also, a prototype coil with 20 cm diameter was fabricated using Litz wire consisting of thin insulated wires. In this coil, the resistance at 100 kHz was only 1.4 times that of dc, which should be a satisfactory performance for EV charging with 85 kHz. (3) Estimation of performance improvement of wireless power supply with resonance elements: The conceptual design of a coil system of a kW-class wireless power supply was performed under the assumption of using a high Q and a prototype coil. According to the results of electromagnetic analysis, for example, it can be expected that 3 kW power can be transported with an efficiency of 98% between an input and output with a transmission distance of 10 cm using coils of 20 cm diameter, by choosing an appropriate configuration of the coil system.
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