(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
取り外し可能なバッテリ（１７）を備えた自動車両のための無線通信システムであって、
前記車両に剛結合させることを目的とし、前記車両の電子制御ユニット（１６）に接続することができる送信器（１）と、
前記取り外し可能なバッテリに剛結合させることを目的とし、前記取り外し可能なバッテリのパラメータを測定することができる少なくとも一つのセンサに接続されることを目的とする少なくとも一つの受信器（５）とを含み、
送信器（１）は、前記パラメータに基づいて、誘導結合を介して受信器（５）へエネルギーを転送し、
受信器（５）は、前記誘導結合を介して送信器（１）へ前記パラメータを送信する、
システム。
【請求項２】
送信器（１）が、受信器（５）毎に少なくとも一つのループを備えたアンテナ（３）を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
送信器（１）と受信器（５）との間の前記誘導結合が臨界結合において動作する、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
送信器（１）が、それ自体がアンテナ（３）に接続されたインピーダンス変成器（７）に接続されている電源（２、ｒｇ）を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項５】
受信器（５）が、複数の前記センサに接続された制御装置（８）に接続されている、請求項１から４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項６】
制御装置（８）が、複数の前記センサの出力に接続されたインテリジェント集積回路に接続されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記インテリジェント集積回路が、制御装置（８）への入力と、複数の前記センサの出力に接続されたシステムとに接続されたマイクロコントローラを含む、請求項６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触通信の技術分野に属し、具体的には金属環境における非接触通信に属する。
【背景技術】
【０００２】
誘導結合により受信器に給電するための電磁界の提供に、送信器を使用することが既知である。こうして、単一のソースと、充電対象である複数の要素との間において、効率的にエネルギーを転送することができる。一応用例として、マルチセルバッテリの再充電が挙げられる。
【０００３】
しかしながら、エネルギーの転送方法に関係なく、バッテリの再充電を効率的に行うためには、バッテリの端子における電圧、その温度、及び端子間を流れる電流といった測定値が必要になる。
【０００４】
効率的な非接触充電の設定を妨げることがないように、非接触測定値を送信することも必要である。
【０００５】
特許文献ＤＥ１０２００９０３５４７２には、バッテリ上に配置されて、測定された充電状態の値を無線送信するトランスポンダから構成される、電気自動車のバッテリの充電状態を読み取るための装置が提供されている。
【０００６】
特許文献ＵＳ７９１１１８２には、バッテリの電圧を検知するための方法と、それに対応する装置とが記載されている。この特許文献には、基本的に、実施方法が開示されている。
【０００７】
他の特許にも、バッテリの再充電システムが提供されており、これは例えば特許文献ＥＰ２０４８７６４及びＵＳ７６９２４０４である。
【発明の概要】
【０００８】
したがって、本発明の一つの目的は、金属環境において様々な大きさの測定値を非接触式に通信することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、送信電力の最適な設定方法を提供することである。
【００１０】
別の目的は、測定値の多重転送を提供することである。
【００１１】
取り外し可能なバッテリを備えた自動車のための、無線通信システムが提供される。このシステムは、車両に剛結合させることを目的とし、車両の電子制御ユニットに接続することができる送信器と、取り外し可能なバッテリに剛結合させることを目的とし、取り外し可能なバッテリのパラメータを測定できる少なくとも一つのセンサに接続される少なくとも一つの受信器とを含み、送信器と受信器とは誘導結合を介してデータを交換することができる。
【００１２】
送信器は、受信器毎に少なくとも一つのループを備えたアンテナを含むことができる。
【００１３】
送信器と受信器との間の誘導結合は、臨界結合において動作しうる。
【００１４】
送信器は、それ自体がアンテナに接続されたインピーダンス変成器に接続された電源を含むことができる。
【００１５】
受信器は、センサに接続された制御装置に接続することができる。
【００１６】
制御装置は、センサの出力に接続されるインテリジェントな集積回路に接続することができる。
【００１７】
インテリジェントな集積回路は、制御装置への入力に接続されるマイクロコントローラを含むことができ、それ自体がセンサの出力に接続される多重化装置に接続される。
【００１８】
他の目的、特徴、及び利点は非限定的な例としてのみ提供される以下の記載を読み、添付図面を参照することにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】誘導結合された送信器を示している。
【図２】誘導結合された受信器を示している。
【図３】複数の受信器を有する無線通信システムを示している。
【図４】複数の受信器とインピーダンス整合とを有する無線通信システムを示している。
【図５】センサ多重化手段を備えた複数の受信器を有する無線通信システムを示している。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
非接触式バッテリ再充電に使用されるもののようなエネルギー転送装置は、送信器と少なくとも一つの受信器との間に無線周波数磁界を介してリンクを確立する。
【００２１】
このリンクを確立するために使用される結合部材は、アンテナ回路又はアンテナコイルとして知られているループ、巻き線、又はコイルのような導電回路である。電子コンポーネントは、周波数同調、減衰、及びインピーダンス整合機能を実行することを目的とするこれらアンテナ回路に関連付けられる。このとき、アセンブリはアンテナ（特に誘導アンテナ）を形成する。
【００２２】
図１は、誘導結合システムの誘導結合送信器を示している。送信器１は、抵抗ｒ、インダクタンスＬ１、及びコンデンサ（ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ）Ｃ１を含む直列共振回路を含む。この直列共振回路は、以下の式によって得られる共振周波数ｆ１を有する。
ω１＝２πｆ１          （式１）
Ｌ１Ｃ１ω１２＝１          （式２）
【００２３】
直列共振回路は、電圧源２及び出力抵抗ｒｇとの直列の関連付けによりモデル化される無線周波数発生器に接続されている。
【００２４】
さらに、アンテナ３は、コンデンサＣ１及びインダクタンスＬ１に関連付けられる抵抗ｒａにより表される。
【００２５】
すべての要素が直列であることにより、直列共振回路の抵抗ｒは、抵抗ｒａ及びｒｇの和に等しい。
【００２６】
図２に示される誘導結合システムの受信器５は並列共振回路を含み、その共振周波数ｆ２は以下の等式により得られる。
ω２＝２πｆ２          （式３）
Ｌ１１Ｃ１１ω２２＝１          （式４）
【００２７】
受信器のコイル６は、単一のインダクタンスＬ１１である。それは、コンデンサＣ１１を含みうる電子デバイスに接続されうる。これは特に、ＲＦＩＤ（無線周波数識別）システムの場合に当てはまる。受信器のコイルは、エネルギー管理又はエネルギー貯蔵といった受信器の主要機能を含む個別コンポーネントを有するエレクトロニクスにも接続することができる。
【００２８】
並列抵抗Ｒ１は、コイルの抵抗、及び受信器において実行されるすべての機能の抵抗に等しい抵抗を表す。
【００２９】
送信器１と受信器５との間の誘導リンク結合により、送信器１側及び受信器５側の両方に相互インダクタンスＭが導入される。この相互インダクタンスＭは、以下の等式を適用することにより決定される。
0006312610.tif 000002
ここでｋ１は二つのアンテナ間の結合係数である。
【００３０】
送信器１と受信器５との結合は、誘導結合システムの設計により、エネルギー転送効率及び位置決めに対する感受性について非常に異なる特徴を呈する。これら特徴により、三つの結合レジーム、すなわち、従来型結合、臨界結合、及び超臨界結合が決定される。
【００３１】
従来型の結合では、送信器アンテナは、結合先である一又は複数の受信器から独立に、又は準独立に設計される。以下の等式を満足させるようにコンデンサＣ１が選択される。
0006312610.tif 000003
【００３２】
値ｒａは、品質係数を設定し、インピーダンス整合を達成するために、アンテナに特有の損失と、付加された抵抗を合わせたものである。この場合、以下の関係性がある。
ｒａ＝ｒｇ          （式７）
【００３３】
この整合は、インピーダンス変成器又はコンデンサブリッジによって行われてもよい。送信器が単独であるとき、エネルギーの半分は出力抵抗ｒｇで消費され、残りの半分は抵抗ｒａで消費される。
【００３４】
送信器に一又は複数の受信器が結合されているとき、相互インピーダンスＭに関連する項を導入する結果、発生器と送信アンテナとの間にもはやインピーダンス整合はない。
Ｚ＝ｊＭωＩ１１／Ｉ１          （式８）
ここで、Ｉ１は送信器を流れる電流であり、Ｉ１１は受信器を流れる電流であり、ωはパルスである。
【００３５】
この結合レジームを用いるデバイスは、この不整合が低度又は中程度であるように設計される（ｒａＩ１＞ｊＭ１ｗＩ１１＋ｊＭ２ｗＩ２２＋．．．）。
【００３６】
したがって、導入される相互インピーダンスは、低度又は無視できる程度のままである。このレジームが提案する主な利点は、使用の柔軟性が大きいことであり、主な欠点は、送信器と一又は複数の受信器との間のエネルギー転送能が不十分なことである。
【００３７】
臨界結合の場合、目的は、送信器と受信器との間のエネルギー転送を最適化することである。このために、送信器は、既知の特徴及び位置を有する受信器と動作するように設計されている。
【００３８】
ここでも、コンデンサＣ１は、式６を満足させるように選択される。しかしながら、コンデンサはさらに以下の条件を満たさなくてはならない。
0006312610.tif 000004
【００３９】
これら条件は、電流比を示すために書き直すことができる。
0006312610.tif 000005
【００４０】
代替的に、式６に起因する条件と組み合わせて以下の条件を満たすことが可能である。
ｊＭωＩ１１／Ｉ１＝（ｒｇ＋ｒａ）          （式１１）
【００４１】
しかしながら、この場合、エネルギーの一部は抵抗ｒａで失われる。エネルギー転送最適化の観点から、アンテナの損失ぎりぎりまで低下させた、可能な限り低い抵抗ｒａの値を選択することがより有益である。
【００４２】
換言すれば、目的は、発生器と受信器との間のインピーダンス整合を達成することにより、充電の際に発生器が最大の電力を送達できるようにすることである。これは、アンテナの単一の相対的位置についてのみ効率的に当てはまる。このようにして、エネルギー転送が最適化されたシステムが得られるが、その使用柔軟性には限界がある。
【００４３】
超臨界結合の場合、優先度はエネルギー転送に与えられる。この場合も、目的は式９の第１の条件を満足させることである。しかしながら、この場合、以下の等式により第２の条件が与えられる。
ｊＭｗＩ１１＞ｒｇＩ１          （式１２）
【００４４】
こうして、臨界結合の５０％限界より良好な性能が得られる。しかしながら、所与の発電器の場合、臨界結合の場合より転送されるエネルギーは低下する。
【００４５】
この状況は、以下の実施例により説明することができる。発生器の出力インピーダンスｒｇにおいて１Ｗの電力を、受信器において１Ｗの電力をそれぞれ消費する臨界結合システムを有することが可能である（ｒａに関連する電力は無視できる）。超臨界結合では、同じシステムを用いて、ｒｇにおいて０．５Ｗが、受信器において０．８Ｗがそれぞれ消費される電力を得ることができる。超臨界結合は、実際に、臨界結合の５０％限度より良好な性能（６２％）を達成する。しかしながら、受信器に転送されるエネルギーは低下する。
【００４６】
無線エネルギー転送によるバッテリ再充電の例では、臨界結合から超臨界結合への変更は性能を増大させるが、再充電速度を低下させる。
【００４７】
送信器側では、同じエネルギー転送量を維持しながら臨界結合から超臨界結合へ変更すると、発生器のソースインピーダンスを弱めることになる。これにより多くの場合、故障に対する耐性が向上した強力な発生器が得られる。この結合レジームでは、発生器は、その寸法が適切でない場合には、過熱して使用不能になりうる。
【００４８】
通信システムの誘導結合を介したデータ転送は、エネルギー転送に関連するものに類似の物理的原理に基づいている。実際、データ転送は、所与のエネルギー搬送波の振幅及び／又は時間変調に概ね対応している。したがって、転送されるエネルギーは変調される。通信システムは、自動車に搭載されることを意図しているので、車両の自律性を促進するように、したがってエネルギー効率を高めるように設計される。したがって、従来型又は超臨界結合より臨界結合がこのましい。
【００４９】
通信システムの送信器及び受信器の構造について、図３〜５に関連させて後述する。
【００５０】
通信システムの送信器は上述の技術を適用する。
【００５１】
送信器のアンテナは、少なくとも受信器と同数のループを含む。生成される誘導電界の技術的特徴によれば、各ループの形成に一又は複数の巻き線が使用される。さらに、ループの放射が可能な限り受信器の表面に制限されるように、これらループの寸法を受信器の寸法と一致させる。これにより、放射される電力は、受信器との相互作用に必要な量に制限される。
【００５２】
同調容量は、巻き線の形状及び数によって決まるアンテナのインダクタンスを計算することにより見積もることができる。ループが直列である場合、望ましくない寄生容量の現象を回避するために、同調容量はアンテナ全体に分散される。コンデンサは、共振周波数（例えば、１３．５６ＭＨｚ）において決定される。
【００５３】
抵抗ｒａは、導電線に固有の抵抗まで低減される。電力伝達を考えるとき、これには受動素子における最小のエネルギー散逸が伴う。さらに、この抵抗を使用して、送信アンテナのＱ係数を相殺することができる。
【００５４】
このようなアンテナを含む送信器を図３に示す。この図は非接触通信システムを示し、このシステムでは、一つの送信器に五つの受信器が関連付けられている。
【００５５】
この非接触通信システムは、図１及び２に関連させて上述した誘導システムの結合原理に基づく、一つの送信器１と五つの受信器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ）とを含んでいる。
【００５６】
送信器１は、電圧源２、出力抵抗ｒｇ、抵抗ｒａ、及び五つのアンテナ（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）を含み、これらのアセンブリは直列接続されている。各アンテナ（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）は、インダクタンス（Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５）と直列接続されたコンデンサ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５）を含む。
【００５７】
各受信器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ）は、コンデンサ（Ｃ１１、Ｃ２２、Ｃ３３、Ｃ４４、Ｃ５５）及び抵抗（Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５）と並列接続されたインダクタンス（Ｌ１１、Ｌ２２、Ｌ３３、Ｌ４４、Ｌ５５）を含む。
【００５８】
各受信器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、５ｅ）は、送信器１の一つのアンテナ（３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ、３ｅ）に誘導結合され、各誘導結合は、式５を適用することにより相互インダクタンスＭを決定するための係数（ｋ１、ｋ２、ｋ３、ｋ４、ｋ５）を特徴とする。
【００５９】
図４は、送信器がインピーダンス変成器７を含み且つ五つの受信器に直列接続されている非接触通信システムを示す。図４は、同じ役割を担う図３の主な要素を示す。図４の図３との相違点は、インピーダンス変成器７の存在であり、その主要な巻き線７ａは、抵抗ｒｇ及び電圧発生器２に接続されている。次に、第２の巻き線７ｂは、抵抗ｒａ及びインピーダンスＬ５に接続されている。
【００６０】
インピーダンス変成器７は、アンテナインピーダンスを発生器と一致させる。主要巻き線７ａと第２の巻き線７ｂとの間の変成器の比は、以下の等式によって与えられる。
0006312610.tif 000006
【００６１】
このような整合は、金属環境の影響を考慮する受信器のインピーダンスに匹敵する送信器からの出力インピーダンスを得るために行われる。加えて、バッテリ及びインピーダンス変成器の存在が付加的インダクタンスを加えることを前提として、コンデンサの値を修正することによりその存在を補償することが必要である。こうして、送信器アンテナから見たインピーダンスの所望の値（例えば、５０Ω）を得ることができる。
【００６２】
このように、図４に示すシステムにより、インピーダンスの値の選択が広がる。これは、コイル、アンテナ、及び送信エレクトロニクスの設計及び寸法決定の自由度が拡大するという利点を有する。このように、５０Ωの出力インピーダンスを有する従来型の発生器を使用することが可能である。それと引き換えに、追加コンポーネントが必要となる。
【００６３】
図５は、一つの送信器と複数の受信器との間の通信システムを示す。この図は、受信器と、センサ（特に多重センサ）を含むデータ取得システムとの統合を示している。
【００６４】
通信システムは、データ取得システムに統合することができ、制御装置（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）を備えた受信器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）、インテリジェント集積回路（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）、センサの多重システム（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）、及びセンサ（１１ａ〜１５ｄ）を含む。センサは特に、温度、電圧、圧力、又は電流センサとすることができる。受信器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）が結合されるとき、送信器１は、制御装置（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）によって、多重システム（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）を制御するインテリジェント集積回路（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）に対する制御命令へと翻訳されるコマンドを送る。それと引き換えに、インテリジェント集積回路（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）は、センサによって測定される要求された一又は複数の値を制御装置（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）へ送信する。命令及び測定値の交換は、シリアルバス、特にＳＰＩ（登録商標）バスを介して達成される。この場合、データはＲＦＩＤリンクを介して送信器１に送信される。
【００６５】
インテリジェント集積回路（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）は、制御装置（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）への入力と、それ自体がセンサの出力に接続される多重化装置（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）とに接続されるマイクロコントローラ（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）を含むことができ。さらに、インテリジェント集積回路（９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ）が多重化システム（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ）の機能をサポートすることが可能である。さらに、制御されたアナログ−デジタル変換器をセットアップすることにより、制御装置（８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ）が、測定値の送信を行うセンサを選択するため、又は特定の順序でのセンサ測定値の送信を指定するため、精度を高めたコマンドを送信することができる。
【００６６】
上述の図面には示されていないが、送信アンテナの位置、及び受信器の位置は、電力伝達の最適化及び臨界結合の取得に非常に重要な役割を果たす。したがって、システム全体は、空間内で可能な限り正確に位置決めされなければならない。実際、水平又は垂直方向のオフセットにより、結合効率が失なわれる可能性があり、送信器と受信器との間の距離が短いと、望ましくない超臨界結合が生じうる。
【００６７】
正確な配置を行うために、高速取付システムを有する構造を使用して、受信器に対して送信器を正確に位置決めすることができ、同時に接続先のセンサからバッテリを取り外す可能性を保持することができる。
【００６８】
受信器のアンテナ及びセンサは、バッテリ表面上のすべての可能な位置に到達することを可能にするため、及びアセンブリの重量を低減することを可能にするために、カプトン（登録商標）のような柔軟な材料から作製することができる。
【００６９】
代替的に、特に送信器と受信器との間の距離を変更することができないとき、超臨界結合から臨界結合へ移行するために、追加的抵抗を設けることができる。実際、臨界結合係数は、送信器及び受信器のＱ係数に依存し、送信器側に直列に、及び／又は受信器側に並列に抵抗を加えることにより、低減することができる。
【００７０】
一方、送信器側に追加が行われた場合、抵抗はエネルギー散逸源となる。受信器側に追加が行われた場合、Ｑ係数は小さくなる。
【００７１】
図６は、無線通信システムの概要を示している。図中、送信器１は、電子制御ユニット１６によって制御される電源２、ｒｇに接続されている。送信器１は、そこに受け取った情報を送信することができる様に、電子制御ユニットの出力にも接続されている。
【００７２】
また、図では、受信器５ａは、取り外し可能なバッテリ１７上に配置されるセンサ１１ａに接続されている。センサ１１ａは、受信器５ａからの信号の受領により起動されて、それと引き換えに取り外し可能なバッテリ１７上で行われた測定の情報を送信する。測定情報は、次いで送信器と受信器との間の誘導結合を介して送信器１に送信される。送信器１は、次いでそれを電子制御ユニット１６に送信する。
【００７３】
このようにして、無線通信システムは、金属オブジェクト、特に自動車の存在下における一つの送信器と複数の受信器との間のエネルギー消費に関して最適化される。このようなシステムにより、バッテリパック上の直接接続の量を減らすことができる。
【００７４】
このシステムの応用例の一つは、バッテリ上の複数の地点における温度測定により、三次元温度地図を生成することである。これを使用することにより、各バッテリセルの状態を発見して、その充電を最適化し、損傷又は爆発の危険を低減することができる。
【図１】
0006312610.tif 000007
【図２】
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【図３】
0006312610.tif 000009
【図４】
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【図５】
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【図６】
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