(57)【要約】  本開示は、電磁的曝露を評価するためのシステム、方法、および装置を提供する。一態様では、装置が提供される。装置は、ワイヤレス電動車両充電システムに近接した少なくとも1人の人の少なくとも一部分の電磁的曝露を計算するように構成される、少なくとも第1の回路を含む。少なくとも1人の人のその部分は、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される。装置はさらに、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、計算された電磁的曝露をスケーリングするように構成される、少なくとも第2の回路を含む。
2017503197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁的曝露を評価するための装置であって、
ワイヤレス電動車両充電システムに曝露された少なくとも1人の人の少なくとも一部分の電磁的曝露を決定するように構成される、少なくとも第1の回路であって、前記少なくとも1人の人の前記部分が、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される、第1の回路と、
前記少なくとも1人の人の前記部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、前記決定された電磁的曝露をスケーリングするように構成される、少なくとも第2の回路とを含む、装置。
【請求項２】
前記少なくとも1つの均質なファントムモデルが、前記少なくとも1人の人の胴体を表す均質な胴体ファントムモデルを含む、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
前記均質な胴体ファントムモデルが、人類集団の体重、身長、および肥満度指数の統計的データを使用して事前に決定された比吸収率値を有する、前記人類集団における少なくとも1つの人体の体幹部分を表す、請求項2に記載の装置。
【請求項４】
前記少なくとも1つの均質なファントムモデルがさらに、前記少なくとも1人の人の四肢を表す複数の四肢ファントムモデルを含む、請求項2に記載の装置。
【請求項５】
前記複数の四肢ファントムモデルが、人類集団の体重、身長、および肥満度指数の統計的データを使用して事前に決定された寸法を有する、前記人類集団における少なくとも1つの人体の四肢を表す、請求項4に記載の装置。
【請求項６】
前記決定された電磁的曝露が、前記不均質な解剖学的モデルを使用して決定された前記シミュレートされた電磁的曝露の第1のピークの曝露の尺度の、前記少なくとも1つの均質なファントムモデルを使用して決定された前記電磁的曝露の第2のピークの曝露の尺度に対する比から導出される、少なくとも1つの増強係数を使用してスケーリングされる、請求項1に記載の装置。
【請求項７】
前記第1および第2のピークの曝露の尺度が、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの誘導される電流に基づく、請求項6に記載の装置。
【請求項８】
前記第1および第2のピークの曝露の尺度が各々、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの電場、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの1g平均の比吸収率(SAR)、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの10g平均のSAR、および前記少なくとも1人の人の全体の中でのピークの体全体の平均のSARからなる群から選択される、請求項6に記載の装置。
【請求項９】
前記比が1と1.2の間である、請求項6に記載の装置。
【請求項１０】
前記比が1と1.1の間である、請求項6に記載の装置。
【請求項１１】
前記第1の回路がプロセッサを含み、前記第2の回路が前記プロセッサを含む、請求項1に記載の装置。
【請求項１２】
電磁的曝露を評価するための装置であって、
ワイヤレス電動車両充電システムに曝露された少なくとも1人の人の少なくとも一部分をシミュレートするためのシミュレート手段と、
前記少なくとも1人の人の前記部分の電磁的曝露を計算するための計算手段であって、前記少なくとも1人の人の前記部分が、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される、計算手段と、
前記少なくとも1人の人の前記部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、決定された電磁的曝露をスケーリングするためのスケーリング手段とを含む、装置。
【請求項１３】
前記シミュレート手段がプロセッサの少なくとも第1の回路を含み、前記計算手段が前記プロセッサの前記第1の回路を含む、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
増強手段が前記プロセッサの少なくとも第2の回路を含む、請求項13に記載の装置。
【請求項１５】
前記少なくとも1つの均質なファントムモデルが、前記少なくとも1人の人の胴体を表す均質な胴体ファントムモデルと、前記少なくとも1人の人の四肢を表す複数の四肢ファントムモデルとを含む、請求項12に記載の装置。
【請求項１６】
前記決定された電磁的曝露が、前記不均質な解剖学的モデルを使用して決定された前記シミュレートされた電磁的曝露の第1のピークの曝露の尺度の、前記少なくとも1つの均質なファントムモデルを使用して決定された前記電磁的曝露の第2のピークの曝露の尺度に対する比から導出される、少なくとも1つの増強係数を使用してスケーリングされる、請求項12に記載の装置。
【請求項１７】
前記第1および第2のピークの曝露の尺度が各々、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの誘導される電流、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの電場、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの1g平均の比吸収率(SAR)、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの10g平均のSAR、および前記少なくとも1人の人の全体の中でのピークの体全体の平均のSARからなる群から選択される、請求項16に記載の装置。
【請求項１８】
電磁的曝露を評価するための方法であって、
ワイヤレス電動車両充電システムに曝露された少なくとも1人の人の少なくとも一部分をシミュレートするステップと、
前記少なくとも1人の人の前記部分の電磁的曝露を計算するステップであって、前記少なくとも1人の人の前記部分が、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される、ステップと、
前記少なくとも1人の人の前記部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、決定された電磁的曝露をスケーリングするステップとを含む、方法。
【請求項１９】
前記少なくとも1つの均質なファントムモデルが、前記少なくとも1人の人の胴体を表す均質な胴体ファントムモデルを含む、請求項18に記載の方法。
【請求項２０】
前記均質な胴体ファントムモデルが、人類集団の体重、身長、および肥満度指数の統計的データを使用して事前に決定された比吸収率値を有する、前記人類集団における少なくとも1つの人体の体幹部分を表す、請求項19に記載の方法。
【請求項２１】
前記少なくとも1つの均質なファントムモデルがさらに、前記少なくとも1人の人の四肢を表す複数の四肢ファントムモデルを含む、請求項19に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の四肢ファントムモデルが、人類集団の体重、身長、および肥満度指数の統計的データを使用して事前に決定された寸法を有する、前記人類集団における少なくとも1つの人体の四肢を表す、請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
前記決定された電磁的曝露が、前記不均質な解剖学的モデルを使用して決定された前記シミュレートされた電磁的曝露の第1のピークの曝露の尺度の、前記少なくとも1つの均質なファントムモデルを使用して決定された前記電磁的曝露の第2のピークの曝露の尺度に対する比から導出される、少なくとも1つの増強係数を使用してスケーリングされる、請求項18に記載の方法。
【請求項２４】
前記第1および第2のピークの曝露の尺度が、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの誘導される電流に基づく、請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
前記第1および第2のピークの曝露の尺度が各々、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの電場、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの1g平均の比吸収率(SAR)、前記少なくとも1人の人の前記部分内のピークの10g平均のSAR、および前記少なくとも1人の人の全体の中でのピークの体全体の平均のSARからなる群から選択される、請求項23に記載の方法。
【請求項２６】
前記比が1と1.2の間である、請求項23に記載の方法。
【請求項２７】
前記比が1と1.1の間である、請求項23に記載の方法。
【請求項２８】
所定の電磁的曝露の制約に対する適合性を実証するための方法であって、
ワイヤレス電動車両充電システムからの予想される電磁的強度分布を計算するステップと、
請求項18に記載の方法を使用して、前記ワイヤレス電動車両充電システムからの予想される前記電磁的曝露を評価して、評価結果を生成するステップと、
前記評価結果を使用して適合性を実証するステップとを含む、方法。
【請求項２９】
電磁的曝露を評価するための非一時的コンピュータ可読記憶媒体であって、コンピュータによって実行されると、前記コンピュータに、
ワイヤレス電動車両充電システムに曝露された少なくとも1人の人の少なくとも一部分をシミュレートさせ、
前記少なくとも1人の人の前記部分の電磁的曝露を計算させ、前記少なくとも1人の人の前記部分が、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化され、
前記少なくとも1人の人の前記部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、決定された電磁的曝露をスケーリングさせる命令が符号化されている、非一時的コンピュータ可読記憶媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は全般にワイヤレス電力伝送に関し、より詳細には、バッテリーを含む車両などの遠隔システムへのワイヤレス電力伝送と、そのようなワイヤレス電力伝送デバイスおよびシステムからの電磁的曝露の評価とに関する、デバイス、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリー等のエネルギー蓄積デバイスから受け取られる電気から得られる運動能力を含む、車両等の遠隔システムが導入されてきた。たとえば、ハイブリッド電動車両は、車両のブレーキおよび従来型のモータからの動力を使用してその車両を充電する、車中の充電器を含む。電気のみの車両は一般に、他の電力源からバッテリーに充電するための電気を受け取る。バッテリー式電動車両(電動車両)はしばしば、家庭または商用のAC電源等の何らかのタイプの有線の交流電流(AC)を通じて充電されるように提案される。有線の充電接続は、電源に物理的に接続されるケーブルまたは他の同様のコネクタを必要とする。ケーブルおよび同様のコネクタは、場合によっては不便でありまたは扱いにくいことがあり、他の欠点を有することもある。電動車両を充電するために使用される自由空間でおいて(たとえば、ワイヤレス場を介して)電力を伝送することが可能なワイヤレス充電システムは、有線充電による解決策の欠点の一部を克服し得る。したがって、電動車両を充電するための、電力を効率的かつ安全に伝送するワイヤレス充電システムおよび方法が望まれる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】J. Nadakuduti、M.G. Douglas、L. Lu、P. Guckian、およびN. Kuster、「Proposing a Compliance Testing Methodology for Exposure Assessment of Wireless Power Transfer Systems with Demonstration at 6.78MHz」、IEEE Transactions on Power Electronics、2014年提出
【非特許文献２】、ICNIRP 1998、「Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300GHz)」、Health Physics、74(4):494-522、1998年
【非特許文献３】ICNIRP 2010、「Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1Hz to 100kHz)」、Health Physics、99(6):818-836、2010年
【非特許文献４】IEEE規格C95.1:1992、「IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3kHz to 300GHz」、IEEE、ニューヨーク、ニューヨーク州、1992年
【非特許文献５】A. TafloveおよびS. C. Hagness、「Computational Electromagnetics: The Finite-Difference Time-Domain Method」、Artech House, Inc、ボストン、米国、ロンドン、英国、second edition、2000年
【非特許文献６】A. Christ、W. Kainz、E. G. Hahn、K. Honegger、M. Zefferer、E. Neufeld、W. Rascher、R. Janka、W. Bautz、J. Chen、B. Kiefer、P. Schmitt、H. P. Hollenbach、J. Shen、M. Oberle、D. Szczerba、A. Kam、J. W. Guag、およびN. Kuster、「The Virtual Family - Development of surface-based anatomical models of two adults and two children for dosimetric simulations」、Physics in Medicine and Biology、55(2):N23-N38、2010年
【非特許文献７】R. Courant、K. Friedrichs and H. Lewy、「Uber die partiellen Differenzengleichungen der mathematischen Physik」、Mathematische Annalen、100 (1): 32--74、1928年
【非特許文献８】IEEE規格C95.3.1:2010、「IEEE Recommended Practice for Measurements and Computations of Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields with Respect to Human Exposure to Such Fields, 0 Hz to 100 kHz」、IEEE、ニューヨーク、ニューヨーク州、米国、2010年
【非特許文献９】J. F. DefordおよびO. P. Gandhi、「An impedance method to calculate currents induced in biological bodies exposed to quasi-static electromagnetic fields」、IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility、27(3): 168-173、1985
【非特許文献１０】J. D. MoerlooseおよびM. A. Stuchly、「Reflection analysis of PML ABC's for low-frequency applications」、IEEE Microwave and Guided Wave Letters、6(4):177-179、1996年
【非特許文献１１】P. A. Hasgall、E. Neufeld、M. C. Gosselin、A. Klingenboeck、およびN. Kuster、「IT'IS Database for thermal and electromagnetic parameters of biological tissues」、Version 2.2、2012年7月11日、http://www.itis.ethz.ch/itis-for-health/tissue-properties/database/
【非特許文献１２】C. Gosselin、G. Vermeeren、S. Kuhn、V. Kellerman、S. Benkler、T. Uusitupa、W. Joseph、A. Gati、J. Wiart、F. Meyer、L. Martens、T. Nojima、T. Hikage、Q. Balzano、A. Christ、およびN. Kuster、「Estimation formulae for the specific absorption rate in humans exposed to base station antennas」、IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility、53 (4):909-922、2011年
【非特許文献１３】Diverse Populations Collaborative Group、「Weight-height relationships and body mass index: Some observations from the diverse populations collaboration」、American Journal of Physical Anthropology、128(1):220-229、2005年
【非特許文献１４】J. W. Jurgens、「Erhebung anthropometrischer Mabe zur Aktualisierung der DIN 33 402 - Teil 2 (Survey of anthropometric dimensions for the revision of DIN 33 402 - Part 2)」、Bundesanstalt fur Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin、Technical report、Schriftenreihe der Bundesanstalt fur Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin、(Federal Office for Occupational Safetyによって発行された研究論文、2004年)
【非特許文献１５】連邦通信委員会、Office of Engineering Technology、Supplement C (Ed. 01-01) to OET Bulletin 65 (Ed. 97-01)、「Evaluating Compliance with FCC Guidelines for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields, Additional Information for Evaluating Compliance of Mobile and Portable Devices with FCC Limits for Human Exposure to Radiofrequency Emissions」、FCC、ワシントンDC、2001年6月
【非特許文献１６】ICNIRP、「Response to questions and comments on guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz)」、Health Physics、75(4):438-439、1998年
【非特許文献１７】IEC規格62209-2:2010、「Human exposure to radio frequency fields from hand-held and body-mounted wireless communication devices - Human models, instrumentation, and procedures - Part 2: Procedure to determine the specific absorption rate (SAR) for wireless communication devices used in close proximity to the human body (frequency range of 30 MHz to 6 GHz)」、IEC、ジュネーブ、スイス、2010年
【非特許文献１８】J. Nadakuduti、M. Douglas、P. Crespo-Valero、およびN. Kuster、「Comparison of different safety standards in terms of human exposure to electric and magnetic fields at 100 kHz」、33rd Annual Meeting of the Bioelectromagnetics Society (BEMS 2011)、ハリファクス、カナダ、2011年6月12日〜17日
【非特許文献１９】IEEE規格1528.1 D1.0、「IEEE Draft Standard for Recommended Practice for Determining the Spatial-Peak Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Body Due to Wireless Communications Devices, 30 MHz-6 GHz: General Requirements for using the Finite Difference Time Domain (FDTD) Method for SAR Calculations」、IEEE、ニューヨーク、ニューヨーク州、米国
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
添付の特許請求の範囲内のシステム、方法、およびデバイスの様々な実装形態は各々、いくつかの態様を有し、その中の1つの態様のみが本明細書で説明される望ましい属性を担うわけではない。添付の特許請求の範囲を限定することなく、本明細書においていくつかの顕著な特徴が説明される。
【０００５】
本明細書で説明される主題の1つまたは複数の実装形態の詳細が、下記の添付の図面および発明を実施するための形態において述べられる。他の特徴、態様、および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。以下の図の相対的な寸法は、縮尺通りに描かれていない場合があることに留意されたい。
【０００６】
本開示の一態様は、電磁的曝露を評価するための装置を提供する。装置は、ワイヤレス電動車両充電システムに近接した少なくとも1人の人の少なくとも一部分の電磁的曝露を計算するように構成される、少なくとも第1の回路を含む。少なくとも1人の人のその部分は、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される。装置はさらに、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、計算された電磁的曝露をスケーリングするように構成される、少なくとも第2の回路を含む。
【０００７】
本開示の別の態様は、電磁的曝露を評価するための装置を提供する。装置は、ワイヤレス電動車両充電システムに近接した少なくとも1人の人の少なくとも一部分をシミュレートするためのシミュレート手段を含む。装置はさらに、少なくとも1人の人のその部分の電磁的曝露を計算するための計算手段を含む。少なくとも1人の人のその部分は、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される。装置はさらに、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、計算された電磁的曝露をスケーリングするための、スケーリング手段を含む。
【０００８】
本開示の別の態様は、電磁的曝露を評価するための方法を提供する。方法は、ワイヤレス電動車両充電システムに近接した少なくとも1人の人の少なくとも一部分をシミュレートするステップを含む。方法はさらに、少なくとも1人の人のその部分の電磁的曝露を計算するステップを含む。少なくとも1人の人のその部分は、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される。方法はさらに、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、計算された電磁的曝露をスケーリングするステップを含む。
【０００９】
本開示の別の態様は、電磁的曝露を評価するための、非一時的コンピュータ可読媒体を提供する。媒体には、コンピュータによって実行されると、コンピュータに、ワイヤレス電動車両充電システムに近接した少なくとも1人の人の少なくとも一部分をシミュレートさせる命令が、符号化されている。命令はさらに、コンピュータによって実行されると、コンピュータに、少なくとも1人の人のその部分の電磁的曝露を計算させる。少なくとも1人の人のその部分は、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデルによってモデル化される。命令はさらに、コンピュータによって実行されると、コンピュータに、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、計算された電磁的曝露をスケーリングさせる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の例示的な実施形態による、電動車両を充電するための例示的なワイヤレス電力伝送システムの図である。
【図２】図1のワイヤレス電力伝送システムの例示的な中核的な構成要素の概略図である。
【図３】図1のワイヤレス電力伝送システムの例示的な中核的な構成要素および付随的な構成要素を示す別の機能ブロック図である。
【図４】本発明の例示的な実施形態による、電動車両の中に配設される交換可能な非接触式バッテリーを示す機能ブロック図である。
【図５Ａ】本発明の例示的な実施形態による、誘導コイルおよびフェライト材料のバッテリーに対する配置の例示的な構成の図である。
【図５Ｂ】本発明の例示的な実施形態による、誘導コイルおよびフェライト材料のバッテリーに対する配置の例示的な構成の図である。
【図５Ｃ】本発明の例示的な実施形態による、誘導コイルおよびフェライト材料のバッテリーに対する配置の例示的な構成の図である。
【図５Ｄ】本発明の例示的な実施形態による、誘導コイルおよびフェライト材料のバッテリーに対する配置の例示的な構成の図である。
【図６】本発明の例示的な実施形態による、電動車両をワイヤレス充電するために利用可能であり得る例示的な周波数を示す周波数スペクトルのチャートである。
【図７】本発明の例示的な実施形態による、電動車両をワイヤレス充電するのに有用であり得る例示的な周波数および送信距離を示すチャートである。
【図８】例示的なワイヤレス電動車両充電(WEVC)システムを概略的に示す図である。
【図９】入射場が均一な分布を有しピークの場の強度に等しい強度を伴うという仮定に基づいて導出される基準レベルと比較した、曝露レベルを示す図である。
【図１０】本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、WEVCシステムからの電磁的曝露を評価するための例示的な装置を概略的に示す図である。
【図１１】本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、適合性評価において人体を表すために使用され得る例示的な均質なファントムを概略的に示す図である。
【図１２】本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、解剖学的モデルと均質な胴体ファントムとの間の増強係数のシミュレーションを示す図である。
【図１３】図12に示される向きでの、全体で22個のシミュレーションのケースに対する、99thパーセンタイルの誘導される電場(E)とピークの誘導される電流密度(J)について、増強係数に対してプロットされた累積分布関数(CDF)を示す図である。
【図１４】本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、WEVCシステムからの電磁的曝露を評価するための例示的な方法の流れ図である。
【図１５】本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、WEVCシステムに対する所定の電磁的曝露の制約への適合性を実証するための方法の流れ図である。
【図１６】シミュレートされたWEVCシステムの周囲の自由空間における磁場の分布を示す図である。
【図１７】送信機コイルと受信機コイルとの間の様々な位置合わせに対するずれの標識を概略的に示す図である。
【図１８】例示的な3.3kWのWEVCシステムの周囲の放射される磁場に対する、送信機コイルと受信機コイルとの間の位置合わせのずれの影響を示す図である。
【図１９】例示的なWEVCシステムから放射する、測定された磁場およびシミュレートされた磁場が比較される位置を概略的に示す図である。
【図２０】傍にいる人への曝露の評価のための胴体ファントムの様々な向きを概略的に示す図である。
【図２１】ワーストケースの傍にいる人の向きに対する、胴体ファントムにおける誘導された電場の分布を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図面に示された様々な特徴は、縮尺通りに描かれていないことがある。したがって、明確にするために、様々な特徴の寸法は任意に拡大または縮小されていることがある。加えて、図面のいくつかは、所与のシステム、方法、またはデバイスの構成要素のすべてを図示していないことがある。最後に、同様の参照番号が、明細書および図面全体を通じて同様の特徴を表すために使用され得る。
【００１２】
添付の図面に関して以下で述べられる詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の説明であることが意図され、本発明が実践され得る唯一の実施形態を表すことは意図されない。本説明全体にわたって使用される「例示的」という用語は、「例、実例、または例示としての働きをすること」を意味しており、必ずしも、他の例示的な実施態様よりも好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。詳細な説明は、本発明の例示的な実施形態の完全な理解をもたらすための具体的な詳細を含む。場合によっては、いくつかのデバイスがブロック図の形式で示されている。
【００１３】
ワイヤレスに電力を伝送することは、物理的な導体を使用することなく、電場、磁場、電磁場などと関連付けられる任意の形態のエネルギーを送信機から受信機に伝送することを指し得る(たとえば、電力は、自由空間を通って伝送され得る)。電力伝送を実現するために、ワイヤレス場(たとえば、磁場)内に出力された電力は、「受信コイル」によって受信、捕捉、または結合され得る。
【００１４】
本明細書では、遠隔システムを説明するために電動車両が使用され、その一例は、その運動能力の一部として、充電可能なエネルギー蓄積デバイス(たとえば、1つまたは複数の再充電可能な電気化学セルまたは他のタイプのバッテリー)から得られた電力を含む車両である。非限定的な例として、いくつかの電動車両は、電気モータ以外に、直接運動のための、または車両のバッテリーを充電するための従来型の内燃機関を含むハイブリッド電動車両であり得る。他の電動車両は、電力からすべての運動能力を引き出すことができる。電動車両は自動車に限定されず、オートバイ、カート、スクーターなどを含み得る。限定ではなく例として、遠隔システムは本明細書において、電動車両(EV)の形態で説明される。さらに、充電可能なエネルギー蓄積デバイスを使用して少なくとも部分的に電力供給され得る他の遠隔システム(たとえば、パーソナルコンピューティングデバイスなどの電子デバイス)も企図される。
【００１５】
図1は、本発明の例示的な実施形態による、電動車両112を充電するための例示的なワイヤレス電力伝送システム100の図である。ワイヤレス電力伝送システム100は、電動車両112がベースワイヤレス充電システム102aの近くに駐車されている間の、電動車両112の充電を可能にする。2つの電動車両のための空間が、対応するベースワイヤレス充電システム102aおよび102bの上に駐車されることになる駐車エリアの中に示されている。いくつかの実施形態では、ローカル配電センター130が、電力バックボーン132に接続され、電力リンク110を通じてベースワイヤレス充電システム102aに交流電流(AC)または直流(DC)電源を提供するように構成され得る。ベースワイヤレス充電システム102aはまた、電力をワイヤレスに伝送または受信するためのベースシステム誘導コイル104aを含む。電動車両112は、バッテリーユニット118、電動車両誘導コイル116、および電動車両ワイヤレス充電システム114を含み得る。電動車両誘導コイル116は、たとえば、ベースシステム誘導コイル104aによって生成される電磁場の領域を介して、ベースシステム誘導コイル104aと相互作用し得る。
【００１６】
いくつかの例示的な実施形態では、電動車両誘導コイル116は、電動車両誘導コイル116がベースシステム誘導コイル104aによって生成されるエネルギー場の中に位置するとき、電力を受信することができる。この場は、ベースシステム誘導コイル104aによって出力されるエネルギーが電動車両誘導コイル116によって捕捉され得る領域に対応する。たとえば、ベースシステム誘導コイル104aによって出力されるエネルギーは、電動車両112を充電または給電するのに十分なレベルにあり得る。いくつかの場合には、この場は、ベースシステム誘導コイル104aの「近接場」に対応し得る。近接場は、ベースシステム誘導コイル104aから遠くに電力を放射しない、ベースシステム誘導コイル104aの中の電流および電荷に起因する強い反応場(reactive field)がある、領域に対応し得る。いくつかの場合には、近接場は、以下でさらに説明されるように、ベースシステム誘導コイル104aの波長の約1/2π内にある(かつ電動車両誘導コイル116に対しては電動車両誘導コイル116の約1/2π内にある)領域に対応し得る。
【００１７】
ローカル配電センター130は、通信バックホール134を介して外部の電力源(たとえば、電力網)と、かつ通信リンク108を介してベースワイヤレス充電システム102aと通信するように構成され得る。
【００１８】
いくつかの実施形態では、電動車両誘導コイル116は、ベースシステム誘導コイル104aと揃えられ得るので、単に運転手が電動車両112をベースシステム誘導コイル104aに対して正しく配置することによって、近接場領域内に配設され得る。他の実施形態では、運転手は、電動車両112がワイヤレス電力伝送のために適切に配置されているときを判定するために、視覚的なフィードバック、音声のフィードバック、またはそれらの組合せを与えられ得る。さらに他の実施形態では、電動車両112は、整列の誤差が許容可能な値に達するまで電動車両112を前後に(たとえば、ジグザグの動きで)動かすことができる、オートパイロットシステムによって配置され得る。これは、電動車両112が車両を調整するためのサーボ式ハンドル、超音波センサ、および知能を備えている限り、運転手の介入を伴うことなく、または運転手の最小限の介入を伴うことで、電動車両112によって自動的かつ自律的に実行され得る。さらに他の実施形態では、電動車両誘導コイル116、ベースシステム誘導コイル104a、またはそれらの組合せは、誘導コイル116および104aを互いに対してずらして移動させて、それらをより正確に配向し、それらの間のより効率的な結合を促進するための機能を有し得る。
【００１９】
ベースワイヤレス充電システム102aは、種々の位置に配置され得る。非限定的な例として、いくつかの適切な位置は、電動車両112の所有者の自宅の駐車エリア、従来型の石油ベースの給油所にならって作られた電動車両のワイヤレス充電のために確保された駐車エリア、ならびにショッピングセンターおよび職場などの他の位置にある駐車場を含む。
【００２０】
電動車両をワイヤレスに充電することは、多数の利点をもたらし得る。たとえば、充電が実質的に運転手の介入および操作を伴わずに自動的に実行され得るので、ユーザの利便性が向上する。また、露出した電気的接点および機械的な摩耗がなくなり得るので、ワイヤレス電力伝送システム100の信頼性が向上する。ケーブルおよびコネクタによる操作が必要とされなくてよく、屋外環境において蒸気および水に曝され得るケーブル、プラグ、またはソケットがなくなり得るので、安全性が向上する。また、目に見える、または手の届くソケット、ケーブル、およびプラグがなくなり得るので、電力の充電デバイスの損壊の可能性が減る。さらに、電動車両112は、電力網を安定化するための分散蓄電デバイスとして使用され得るので、Vehicle-to-Grid(V2G)動作のための車両の利用可能性を上げるためにdocking-to-grid解決策が使用されることが可能である。
【００２１】
図1を参照して説明されるようなワイヤレス電力伝送システム100はまた、美観上の利点および障害にならないという利点をもたらし得る。たとえば、車両および/または歩行者の障害となり得る充電用の柱およびケーブルがなくなり得る。
【００２２】
vehicle-to-grid能力のさらなる説明として、ワイヤレス電力送受信能力は、ベースワイヤレス充電システム102aが電力を電動車両112に伝送し、たとえばエネルギー不足のときに電動車両112が電力をベースワイヤレス充電システム102aに伝送するように、相互的であるように構成され得る。この能力は、過大な需要または再生可能エネルギーの産生(たとえば、風力または太陽光)の不足により引き起こされるエネルギー不足の際に、電動車両が配電系統全体へ電力を供給することを可能にすることによって、配電網を安定化するのに有用であり得る。
【００２３】
図2は、図1のワイヤレス電力伝送システム100の例示的な中核的な構成要素の概略図である。図2に示されるように、ワイヤレス電力伝送システム200は、インダクタンスL1を有するベースシステム誘導コイル204を含むベースシステム送信回路206を含み得る。ワイヤレス電力伝送システム200はさらに、インダクタンスL2を有する電動車両誘導コイル216を含む電動車両受信回路222を含む。本明細書で説明される実施形態は、一次側と二次側の両方が共通の共振周波数に合わされている場合に、磁気的または電磁気的な近接場を介して一次側構造物(送信機)から二次側構造物(受信機)へとエネルギーを効率的に結合することが可能な、共振構造を形成する容量装荷型ワイヤループ(capacitively loaded wire loop)(すなわち、多巻コイル)を使用することができる。このコイルは、電動車両誘導コイル216およびベースシステム誘導コイル204のために使用され得る。エネルギーを結合するための共振構造を使用することは、「磁気結合された共振」、「電磁結合された共振」、および/または「共振誘導」と呼ばれ得る。ワイヤレス電力伝送システム200の動作は、ベースワイヤレス充電システム202から電動車両112への電力伝送に基づいて説明されるが、それには限定されない。たとえば、上で論じられたように、電動車両112は、電力をベースワイヤレス充電システム102aに伝送することができる。
【００２４】
図2を参照すると、電源208(たとえば、ACまたはDC)が、電力PSDCをベースワイヤレス充電システム202に供給して、エネルギーを電動車両112に伝送する。ベースワイヤレス充電システム202は、ベース充電システム電力コンバータ236を含む。ベース充電システム電力コンバータ236は、標準的な電源であるAC電力から適切な電圧レベルのDC電力へと電力を変換するように構成されるAC/DCコンバータ、および、DC電力をワイヤレス高電力伝送に適した動作周波数の電力に変換するように構成されるDC/低周波(LF)コンバータ等の回路を含み得る。ベース充電システム電力コンバータ236は、電力P1をベースシステム誘導コイル204と直列のキャパシタC1を含むベースシステム送信回路206に供給して、所望の周波数で電磁場を放出する。キャパシタC1は、所望の周波数で共振するベースシステム誘導コイル204を伴う共振回路を形成するために設けられ得る。ベースシステム誘導コイル204は、電力P1を受信し、電動車両112を充電または給電するのに十分なレベルの電力をワイヤレスに送信する。たとえば、ベースシステム誘導コイル204によってワイヤレスに提供される電力レベルは、キロワット(kW)のオーダー(たとえば、1kWから110kWまで、またはそれ以上まで、またはそれ以下までのどこか)にあり得る。
【００２５】
ベースシステム誘導コイル204を含むベースシステム送信回路206および電動車両誘導コイル216を含む電動車両受信回路222は、実質的に同じ周波数に合わされてよく、ベースシステム誘導コイル204と電動車両誘導コイル116の1つによって送信される電磁場の近接場の中に配置され得る。この場合、ベースシステム誘導コイル204および電動車両誘導コイル116は、キャパシタC2と電動車両誘導コイル116とを含む電動車両受信回路222に電力が伝送され得るように、互いに結合されるようになり得る。キャパシタC2は、所望の周波数で共振する電動車両誘導コイル216とともに共振回路を形成するために設けられ得る。要素k(d)は、コイルの離隔に起因する相互結合係数を表す。等価抵抗Req,1およびReq,2は、誘導コイル204および216ならびに反リアクタンスキャパシタC1およびC2に固有であり得る損失を表す。電動車両誘導コイル216およびキャパシタC2を含む電動車両受信回路222は、電力P2を受信し、電力P2を電動車両充電システム214の電動車両電力コンバータ238に提供する。
【００２６】
電動車両電力コンバータ238は、とりわけ、動作周波数の電力を、電動車両バッテリーユニット218の電圧レベルに一致した電圧レベルのDC電力へ戻るよう変換するように構成される、LF/DCコンバータを含み得る。電動車両電力コンバータ238は、電動車両バッテリーユニット218を充電するために、変換された電力PLDCを提供することができる。電源208、ベース充電システム電力コンバータ236、およびベースシステム誘導コイル204は固定的であり、上で論じられたような種々の位置に配置され得る。バッテリーユニット218、電動車両電力コンバータ238、および電動車両誘導コイル216は、電動車両112の一部またはバッテリーパック(図示せず)の一部である電動車両充電システム214に含まれ得る。電動車両充電システム214は、電動車両誘導コイル216を通じてベースワイヤレス充電システム202に電力をワイヤレスに提供して、電力を電力網に戻すようにも構成され得る。電動車両誘導コイル216およびベースシステム誘導コイル204の各々は、動作のモードに基づいて、送信誘導コイルまたは受信誘導コイルとして動作し得る。
【００２７】
示されないが、ワイヤレス電力伝送システム200は、電動車両バッテリーユニット218または電源208をワイヤレス電力伝送システム200から安全に切り離すための、負荷切断ユニット(LDU)を含み得る。たとえば、緊急事態またはシステム障害の場合、LDUは、負荷をワイヤレス電力伝送システム200から切断することをトリガされ得る。LDUは、バッテリーへの充電を管理するためのバッテリー管理システムに加えて設けられてよく、または、バッテリー管理システムの一部であってよい。
【００２８】
さらに、電動車両充電システム214は、電動車両誘導コイル216を電動車両電力コンバータ238に選択的に接続し、またはそれから切り離すための、スイッチング回路(図示せず)を含み得る。電動車両誘導コイル216を切り離すことは、充電を中断することを可能にし、また、(送信機として動作する)ベースワイヤレス充電システム102aに対する「見かけの」「負荷」を調整することができ、このことは、ベースワイヤレス充電システム102aから(受信機として動作する)電動車両充電システム114を「隠す」ために使用され得る。送信機が負荷感知回路を含む場合、負荷の変化が検出され得る。したがって、ベースワイヤレス充電システム202等の送信機は、電動車両充電システム114等の受信機がベースシステム誘導コイル204の近接場に存在するときを判定するための機構を有し得る。
【００２９】
上で説明されたように、動作において、車両またはバッテリーへのエネルギー伝送を仮定すると、ベースシステム誘導コイル204がエネルギー伝送を提供するための場を生成するために、入力電力が電源208から提供される。電動車両誘導コイル216は、放射された場に結合し、電動車両112による蓄積または消費のための出力電力を生成する。上で説明されたように、いくつかの実施形態では、ベースシステム誘導コイル204および電動車両誘導コイル116は、電動車両誘導コイル116の共振周波数とベースシステム誘導コイル204の共振周波数が非常に近い、または実質的に同じであるというような、相互共振の関係に従って構成される。ベースワイヤレス充電システム202と電動車両充電システム214との間の送信損失は、電動車両誘導コイル216がベースシステム誘導コイル204の近接場に位置しているときは最小限である。
【００３０】
述べられたように、効率的なエネルギー伝送は、エネルギーの大半を電磁波で非近接場において伝播するのではなく、送信側誘導コイルの近接場におけるエネルギーの大部分を受信側誘導コイルに結合することによって、発生する。近接場の中にあるとき、送信誘導コイルと受信誘導コイルとの間にある結合モードが確立され得る。この近接場結合が発生し得る、誘導コイルの周りの領域は、本明細書では近接場結合モード領域と呼ばれる。
【００３１】
示されないが、ベース充電システム電力コンバータ236および電動車両電力コンバータ238はともに、発振器と、電力増幅器等の駆動回路と、フィルタと、ワイヤレス電力誘導コイルとの効率的な結合のための整合回路とを含み得る。発振器は、調整信号に応答して調整され得る所望の周波数を生成するように構成され得る。発振器信号は、制御信号に応答した増幅量を伴って電力増幅器によって増幅され得る。フィルタおよび整合回路は、高調波および他の不要な周波数を除去し、電力変換モジュールのインピーダンスをワイヤレス電力誘導コイルに整合するために含まれ得る。電力コンバータ236および238はまた、バッテリーを充電するのに適切な電力出力を生成するための、整流器およびスイッチング回路を含み得る。
【００３２】
開示される実施形態全体で説明されるような電動車両誘導コイル216およびベースシステム誘導コイル204は、「ループ」アンテナ、より具体的には多巻ループアンテナとして示される、または構成され得る。誘導コイル204および216はまた、「磁気」アンテナと本明細書では呼ばれることがあり、またはそれとして構成され得る。「コイル」という用語は、別の「コイル」への結合のためにエネルギーをワイヤレスに出力または受信し得る構成要素を一般に指す。コイルは、電力をワイヤレスに出力または受信するように構成されるタイプの「アンテナ」とも呼ばれ得る。本明細書で使用される場合、コイル204および216は、電力をワイヤレスに出力し、ワイヤレスに受信し、かつ/またはワイヤレスに中継するように構成される、あるタイプの「電力伝送構成要素」の例である。ループ(たとえば、多巻ループ)アンテナは、空芯、またはフェライトコア等の物理的コアを含むように構成され得る。空芯ループアンテナは、コア領域内への他の構成要素の配置を可能にし得る。強磁性材料または強磁性材料を含む物理的コアアンテナは、より強い電磁場の展開および結合の改善を可能にし得る。
【００３３】
上で論じられたように、送信機と受信機との間のエネルギーの効率的な伝送は、送信機と受信機との間の整合した共振またはほぼ整合した共振の間に発生する。しかしながら、送信機と受信機との間の共振が整合していないときでも、エネルギーはより低い効率で伝送され得る。エネルギーの伝送は、送信側誘導コイルからのエネルギーを自由空間へと伝播するのではなく、送信側誘導コイルの近接場からのエネルギーを、この近接場が確立される領域内に(たとえば、所定の周波数範囲の共振周波数内に、または近接場領域から所定の距離内に)存在する受信側誘導コイルに結合することによって発生する。
【００３４】
共振周波数は、上で説明されたような誘導コイル(たとえば、ベースシステム誘導コイル204)を含む送信回路のインダクタンスおよびキャパシタンスに基づき得る。図2に示されるように、インダクタンスは一般に誘導コイルのインダクタンスであり得るが、キャパシタンスは、所望の共振周波数において共振構造を作成するために、誘導コイルに追加され得る。非限定的な例として、図2に示されるように、電磁場を生成する共振回路(たとえば、ベースシステム送信回路206)を作成するために、キャパシタが誘導コイルと直列に追加され得る。したがって、より直径の大きな誘導コイルでは、共振を引き起こすために必要とされるキャパシタンスの値は、コイルの直径またはインダクタンスが増大するにつれて低下し得る。インダクタンスはまた、誘導コイルの巻数に依存し得る。さらに、誘導コイルの直径が増大するにつれて、近接場の効率的なエネルギー伝送エリアが増大し得る。その他の共振回路も可能である。別の非限定的な例として、キャパシタが誘導コイルの2つの端子の間に並列に配置され得る(たとえば、並列共振回路)。さらに、誘導コイルは、誘導コイルの共振を改善するために高い品質(Q)値を有するように設計され得る。たとえば、Q値は300以上であり得る。
【００３５】
上で説明されたように、いくつかの実施形態によれば、互いの近接場の中にある2つの誘導コイルの間の結合電力が開示される。上で説明されたように、近接場は、電磁場が存在するが電磁場が誘導コイルから遠くに伝播または放射し得ない、誘導コイルの周りの領域に対応し得る。近接場結合モード領域は、誘導コイルの物理的な体積に近く、通常は波長の小さい比率の範囲内である体積に対応し得る。いくつかの実施形態によれば、実際の実施形態での近接磁場の振幅は電気タイプのアンテナ(たとえば、小型ダイポール)の近接電場と比較して磁気タイプのコイルではより高い傾向があるので、単巻ループアンテナおよび多巻ループアンテナ等の電磁誘導コイルが、送信と受信の両方のために使用される。これは、ペアの間の潜在的により密な結合を可能にする。さらに、「電気」アンテナ(たとえば、ダイポールおよびモノポール)または磁気アンテナと電気アンテナの組合せが使用され得る。
【００３６】
図3は、図1のワイヤレス電力伝送システム300の例示的な中核的な構成要素および付随的な構成要素を示す別の機能ブロック図である。ワイヤレス電力伝送システム300は、通信リンク376と、案内リンク366と、ベースシステム誘導コイル304および電動車両誘導コイル316のための整列システム352、354とを示す。図2を参照して上で説明されたように、電動車両112へのエネルギーの流れを仮定すると、図3において、ベース充電システム電力インターフェース354は、AC電源またはDC電源126等の電源から充電システム電力コンバータ336に電力を提供するように構成され得る。ベース充電システム電力コンバータ336は、ベース充電システム電力インターフェース354からAC電力またはDC電力を受信して、共振周波数で、またはその近くで、ベースシステム誘導コイル304を励振することができる。近接場結合モード領域にあるとき、電動車両誘導コイル316は、近接場結合モード領域からエネルギーを受け取り、共振周波数で、またはその近くで発振することができる。電動車両電力コンバータ338は、電動車両誘導コイル316からの発振信号を、電動車両電力インターフェースを介してバッテリーを充電するのに適した電力信号に変換する。
【００３７】
ベースワイヤレス充電システム302はベース充電システムコントローラ342を含み、電動車両充電システム314は電動車両コントローラ344を含む。ベース充電システムコントローラ342は、たとえば、コンピュータ、配電センター、またはスマート電力網等の他のシステム(図示せず)へのベース充電システム通信インターフェース162を含み得る。電動車両コントローラ344は、たとえば、車両の車中コンピュータ、他のバッテリー充電コントローラ、車両内の他の電子システム、および遠隔電子システム等の、他のシステム(図示せず)への電動車両通信インターフェースを含み得る。
【００３８】
ベース充電システムコントローラ342および電動車両コントローラ344は、別々の通信チャネルを伴う特定の用途のためのサブシステムまたはモジュールを含み得る。これらの通信チャネルは、別々の物理チャネルまたは別々の論理チャネルであってよい。非限定的な例として、ベース充電整列システム352は、通信リンク376を通じて電動車両整列システム354と通信して、自律的に、またはオペレータの支援により、ベースシステム誘導コイル304および電動車両誘導コイル316をより厳密に整列するための、フィードバック機構を提供することができる。同様に、ベース充電案内システム362は、案内リンクを通じて電動車両案内システム364と通信して、ベースシステム誘導コイル304および電動車両誘導コイル316を整列する際にオペレータを案内するためのフィードバック機構を提供することができる。加えて、ベースワイヤレス充電システム302と電動車両充電システム314との間で他の情報を通信するための、ベース充電システム372および電動車両通信システム374によってサポートされる別々の汎用通信リンク(たとえば、チャネル)があってよい。この情報は、電動車両の特性、バッテリーの特性、充電状態、および、ベースワイヤレス充電システム302と電動車両充電システム314の両方の電力能力についての情報、同様に、電動車両112のメンテナンスデータおよび診断データを含み得る。これらの通信チャネルは、たとえば、Bluetooth(登録商標)、zigbee(登録商標)、セルラーなど等の、別々の物理通信チャネルであり得る。
【００３９】
電動車両コントローラ344はまた、電動車両の主要バッテリーの充電および放電を管理するバッテリー管理システム(BMS)(図示せず)と、マイクロ波または超音波レーダーの原理に基づく駐車支援システムと、半自動の駐車動作を実行するように構成されるブレーキシステムと、より高い駐車精度を提供できる大部分が自動化された駐車「park by wire」によって支援するように構成されるハンドルサーボシステムとを含み得るので、ベースワイヤレス充電システム102aと電動車両充電システム114のいずれにおいても機械的な水平方向の誘導コイル整列の必要性が減る。さらに、電動車両コントローラ344は、電動車両112の電子機器と通信するように構成され得る。たとえば、電動車両コントローラ344は、視覚的出力デバイス(たとえば、ダッシュボードのディスプレイ)、音響/オーディオ出力デバイス(たとえば、ブザー、スピーカー)、機械的入力デバイス(たとえば、キーボード、タッチスクリーン、および、ジョイスティック、トラックボール等のポインティングデバイスなど)、およびオーディオ入力デバイス(たとえば、電子音声認識を伴うマイクロフォン)と通信するように構成され得る。
【００４０】
さらに、ワイヤレス電力伝送システム300は、検出およびセンサシステムを含み得る。たとえば、ワイヤレス電力伝送システム300は、運転手または車両を充電スポットへと適切に案内するためのシステムとともに使用するためのセンサ、要求される離隔/結合を伴って誘導コイルを相互に整列するためのセンサ、電動車両誘導コイル316が結合を達成するために特定の高さおよび/または位置へと移動するのを妨げ得る物体を検出するためのセンサ、および、信頼性のある、損傷を伴わない、かつ安全な、システムの動作を実行するためにシステムとともに使用するための安全センサを含み得る。たとえば、安全センサは、安全範囲を超えてワイヤレス電力誘導コイル104a、116に近づく動物または子供の存在の検出、加熱され得る(誘導加熱)ベースシステム誘導コイル304の近くの金属物体の検出、ベースシステム誘導コイル304上の白熱を発する物体などの危険な事象の検出、および、ベースワイヤレス電力システム302および電動車両充電システム314構成要素の温度監視のための、センサを含み得る。
【００４１】
ワイヤレス電力伝送システム300はまた、有線接続を介したプラグイン充電をサポートし得る。有線充電ポートは、電動車両112への、または電動車両112からの電力の伝送の前に、2つの異なる充電器の出力を統合し得る。スイッチング回路が、ワイヤレス充電と有線充電ポートを介した充電との両方をサポートするために必要とされるような機能を提供することができる。
【００４２】
ベースワイヤレス充電システム302と電動車両充電システム314との間で通信するために、ワイヤレス電力伝送システム300は、帯域内シグナリングとRFデータモデム(たとえば、免許されていない帯域における無線を通じたイーサネット(登録商標))の両方を使用し得る。帯域外通信は、車両のユーザ/所有者への付加価値サービスの配分のために十分な帯域幅を提供することができる。ワイヤレス電力搬送波の低深度の振幅変調または位相変調が、最小限のインターフェースを伴う帯域内シグナリングシステムとして機能し得る。
【００４３】
加えて、一部の通信は、特定の通信アンテナを使用することなく、ワイヤレス電力リンクを介して実行され得る。たとえば、ワイヤレス電力誘導コイル304および316はまた、ワイヤレス通信送信機として動作するように構成され得る。したがって、ベースワイヤレス充電システム302のいくつかの実施形態は、ワイヤレス電力経路上でのキーイングタイプのプロトコルを可能にするためのコントローラ(図示せず)を含み得る。予め定められたプロトコルにより予め定められた間隔で送信電力レベルをキーイングすることによって(振幅シフトキーイング)、受信機は送信機からのシリアル通信を検出することができる。ベース充電システム電力コンバータ336は、ベースシステム誘導コイル304によって生成される近接場の近傍における動作中の電動車両受信機の存在または不在を検出するための負荷感知回路(図示せず)を含み得る。例として、負荷感知回路は、電力増幅器への電流の流れを監視し、この電流の流れは、ベースシステム誘導コイル104aによって生成される近接場の近傍での動作中の受信機の存在または不在の影響を受ける。電力増幅器上の負荷の変化の検出が、エネルギーを送信するための発振器を有効にするかどうか、動作中の受信機と通信するかどうか、またはそれらの組合せを判定する際に使用するために、ベース充電システムコントローラ342によって監視され得る。
【００４４】
ワイヤレスの大電力伝送を可能にするために、いくつかの実施形態は、10〜60kHzの範囲の周波数で電力を伝送するように構成され得る。この低周波結合は、ソリッドステートデバイスを使用して達成され得る高度に効率的な電力変換を可能にし得る。加えて、他の帯域と比較して、無線システムとの共存問題が少なくなり得る。
【００４５】
説明されるワイヤレス電力伝送システム100は、再充電可能な、または交換可能なバッテリーを含む、種々の電動車両102とともに使用され得る。図4は、本発明の例示的な実施形態による、電動車両412に配設された交換可能な非接触式バッテリーを示す機能ブロック図である。この実施形態では、ワイヤレス電力インターフェース(たとえば、充電器とバッテリー間のコードレスインターフェース426)を統合し地中に埋め込まれた充電器(図示せず)から電力を受信し得る電動車両バッテリーユニットのために、低いバッテリー位置が有利であり得る。図4において、電動車両バッテリーユニットは、再充電可能なバッテリーユニットであってよく、バッテリーコンパートメント424に収容され得る。電動車両バッテリーユニットはまた、ワイヤレス電力インターフェース426を提供し、ワイヤレス電力インターフェース426は、共振誘導コイル、電力変換回路、ならびに、地中のワイヤレス充電ユニットと電動車両バッテリーユニットとの間での効率的かつ安全なワイヤレスエネルギー伝送のために必要とされるような他の制御機能および通信機能を含む、電動車両ワイヤレス電力サブシステム全体を統合し得る。
【００４６】
電動車両誘導コイルは、突出した部分がないように、かつ、規定された地面と車体の間の余裕が保たれ得るように、電動車両バッテリーユニットまたは車体の底面と同一平面上に統合されることが有利であり得る。この構成は、電動車両ワイヤレス電力サブシステムに専用のいくらかの空間を、電動車両バッテリーユニットの中で必要とし得る。電動車両バッテリーユニット422はまた、バッテリーとEVの間のコードレスインターフェース422と、電動車両412と図1に示されるようなベースワイヤレス充電システム102aとの間で非接触の電力および通信を提供する充電器とバッテリー間のコードレスインターフェース426とを含み得る。
【００４７】
いくつかの実施形態では、図1を参照すると、ベースシステム誘導コイル104aおよび電動車両誘導コイル116は、固定された位置にあってよく、誘導コイルは、ベースワイヤレス充電システム102aに対する電動車両誘導コイル116の全体的な配置によって、近接場結合領域内に持ち込まれる。しかしながら、エネルギー伝送を高速に、効率的に、かつ安全に実行するために、ベースシステム誘導コイル104aと電動車両誘導コイル116との間の距離は、結合を改善するために低減される必要があり得る。したがって、いくつかの実施形態では、ベースシステム誘導コイル104aおよび/または電動車両誘導コイル116は、それらをより良好な整列状態にするために、展開可能かつ/または可動であり得る。
【００４８】
図5A、図5B、図5C、および図5Dは、本発明の例示的な実施形態による、誘導コイルおよびフェライト材料のバッテリーに対する配置の例示的な構成の図である。図5Aは、完全にフェライトが埋め込まれた誘導コイル536aを示す。ワイヤレス電力誘導コイルは、フェライト材料538aと、フェライト材料538aの周りに巻かれたコイル536aとを含み得る。コイル536a自体は、撚られたリッツ線でできていてよい。導電性シールド532aが、過剰なEMFの伝達から車両の乗客を保護するために設けられ得る。導電性シールディングは、プラスチックまたは複合材料でできている車両において特に有用であり得る。
【００４９】
図5Bは、結合を増強し、導電性シールド532bにおける渦電流(熱放散)を低減するための、理想的な寸法のフェライト板(すなわち、フェライト裏板)を示す。コイル536bは、非導電性の非磁性(たとえば、プラスチック)材料に完全に埋め込まれ得る。たとえば、図5A〜図5Dに示されるように、コイル536bは、保護筐体534bに埋め込まれ得る。磁気結合とフェライトヒステリシス損との間のトレードオフの結果として、コイル536bとフェライト材料538bとの間には離隔があり得る。
【００５０】
図5Cは、コイル536c(たとえば、銅リッツ線の多巻コイル)が横(「X」)方向に可動であり得る、別の実施形態を示す。図5Dは、誘導コイルモジュールが下向きの方向に展開される、別の実施形態を示す。いくつかの実施形態では、バッテリーユニットは、ワイヤレス電力インターフェースの一部として、展開可能な電動車両誘導コイルモジュールと展開不可能な電動車両誘導コイルモジュール540dの1つを含む。磁場がバッテリー空間530dおよび車両の内部を貫通するのを防ぐために、バッテリー空間530dと車両との間には導電性シールド532d(たとえば、銅板)があり得る。さらに、非導電性(たとえば、プラスチック)の保護層534dが、導電性シールド532d、コイル536d、およびフェライト材料538dを環境的な衝撃(たとえば、機械的な損傷、酸化など)から保護するために使用され得る。さらに、コイル536dは、横のX方向および/またはY方向に可動であり得る。図5Dは、電動車両誘導コイルモジュール540dがバッテリーユニット本体に対して下向きのZ方向に展開される実施形態を示す。
【００５１】
この展開可能な電動車両誘導コイルモジュール542bの設計は、電動車両誘導コイルモジュール542dにおける導電性シールディングがないことを除き、図5Bの設計と同様である。導電性シールド532dは、バッテリーユニット本体とともにある。電動車両誘導コイルモジュール542dが展開された状態にないとき、保護層534d(たとえば、プラスチック層)が、導電性シールド532dと電動車両誘導コイルモジュール542dとの間に設けられる。バッテリーユニット本体からの電動車両誘導コイルモジュール542dの物理的な離隔は、誘導コイルの性能に良い影響があり得る。
【００５２】
上で論じられたように、展開される電動車両誘導コイルモジュール542dは、コイル536d(たとえば、リッツ線)およびフェライト材料538dのみを含み得る。フェライト裏板は、結合を増強し、車両のアンダーボディまたは導電性シールド532dにおける過剰な渦電流損を防ぐために設けられ得る。その上、電動車両誘導コイルモジュール542dは、電力変換電子機器およびセンサ電子機器への柔軟なワイヤ接続を含み得る。このワイヤ束は、電動車両誘導コイルモジュール542dを展開するための機械的なギアへと統合され得る。
【００５３】
図1を参照すると、上で説明された充電システムは、電動車両112を充電するために、または電力網に電力を戻すために、種々の位置で使用され得る。たとえば、電力の伝送は、駐車場環境で発生し得る。「駐車エリア」は、本明細書で「駐車スペース」と呼ばれることもあることに留意されたい。車両ワイヤレス電力伝送システム100の効率を高めるために、電動車両112は、電動車両112内の電動車両誘導コイル116が関連する駐車エリア内のベースワイヤレス充電システム102aに対して適切に揃えられることを可能にするために、X方向およびY方向に沿って揃えられ得る。
【００５４】
さらに、開示される実施形態は、1つまたは複数の駐車スペースまたは駐車エリアを有する駐車場に適用可能であり、駐車場内の少なくとも1つの駐車スペースはベースワイヤレス充電システム102aを含み得る。電動車両112内の電動車両誘導コイル116をベースワイヤレス充電システム102aに対して揃えるように、車両のオペレータが電動車両112を駐車エリアにおいて配置するのを支援するために、案内システム(図示せず)が使用され得る。案内システムは、電動車両112内の誘導コイル116が充電ベース(たとえば、ベースワイヤレス充電システム102a)内の充電誘導コイルに対して適切に揃えられることを可能にするように、電動車両のオペレータが電動車両112を配置するのを支援するための、電子ベースの手法(たとえば、無線測位、方向発見原理、ならびに/または光学的な、準光学的な、および/もしくは超音波の感知方法)または機械ベースの手法(たとえば、車輪ガイド、トラックまたはストップ)またはそれらの任意の組合せを含み得る。
【００５５】
上で論じられたように、電動車両充電システム114は、電力を送信し、かつベースワイヤレス充電システム102aから電力を受信するために、電動車両112の下面に配置され得る。たとえば、電動車両誘導コイル116は、好ましくは中心位置の近くで車両のアンダーボディに組み込まれてよく、EM曝露に関して最大の安全な距離をもたらし、電動車両の前向き駐車および後向き駐車を可能にする。
【００５６】
図6は、本発明の例示的な実施形態による、電動車両をワイヤレス充電するために使用され得る例示的な周波数を示す周波数スペクトルのチャートである。図6に示されるように、電動車両へのワイヤレス高電力伝送のための潜在的な周波数範囲は、3kHz〜30kHz帯域のVLF、いくつかの例外がある30kHz〜150kHz帯域の低LF(ISMなどの用途のための)、HFの6.78MHz(ITU-R ISM帯域6.765〜6.795MHz)、HFの13.56MHz(ITU-R ISM帯域13.553〜13.567)、およびHFの27.12MHz(ITU-R ISM帯域26.957〜27.283)を含み得る。
【００５７】
図7は、本発明の例示的な実施形態による、電動車両をワイヤレス充電するのに有用であり得る例示的な周波数および送信距離を示すチャートである。電動車両のワイヤレス充電に有用であり得るいくつかの例示的な送信距離は、約30mm、約75mmおよび約150mmである。いくつかの例示的な周波数は、VLF帯域の約27kHzおよびLF帯域の約135kHzであり得る。
【００５８】
電場もしくは磁場、または両方を放出するあらゆるワイヤレスシステムのように、そのようなシステムに近接している人における電磁的曝露について研究することは有用であり得る。電磁場に曝露されると、電流および電磁場が人の内部に誘導される。IEEEおよびICNIRPのような国際機関は、既知の生物学的影響に基づいて、誘導される場に対する制約を定めるガイドラインを提供している。これらの制約は、数値シミュレーションと実験的確認の組合せを使用して、ワイヤレス電動充電システムからの人体曝露の評価を実行する手法とともに、以下でより完全に説明される。
【００５９】
従来のガソリン駆動の車両を上回る明白な利点による、市場における電動車両のシェアの増大は、ワイヤレスに電動車両のバッテリーを充電するという進化をもたらした。たとえば、ワイヤレス電動車両充電(WEVC)システム(たとえば、床に配置される)は、WEVCの上に駐車されると、ワイヤレス充電対応電動車両を検出することができ、充電を開始することができる。したがって、電動車両を電気コンセントに差し込む必要なく、電動車両は充電され運転の準備ができる。
【００６０】
消費者向け電気製品をワイヤレスに充電することは近年一般的になってきており、歯ブラシ、携帯電話、ラップトップ/タブレット、オーディオ/ビデオユニット、ペースメーカーのような医療用インプラントなどにおいて、適用例を見出している。市場に製品を出す前に、電場および磁場の放出、さらには、近接している人の内部に誘導される場についての適合性を実証することが望ましい。WEVCシステムは通常、低周波(約100kHz)で動作し、この周波数では人の内部に誘導される場についての適合性を実証するための標準化された手順がないので、新たな手法を開発することが望ましい。本明細書で説明されるいくつかの実施形態は、数値的な電磁シミュレーション、さらには、(たとえば、確認のための)場の測定の両方を、WEVCシステムからの誘導される場の評価のために利用する手法を提供する。(J. Nadakuduti、M.G. Douglas、L. Lu、P. Guckian、およびN. Kuster、「Proposing a Compliance Testing Methodology for Exposure Assessment of Wireless Power Transfer Systems with Demonstration at 6.78MHz」、IEEE Transactions on Power Electronics、2014年提出も参照されたい。)
【００６１】
図8は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による例示的なWEVCシステム100を概略的に示す。WEVCシステム100は、少なくとも1つのベースシステム誘導コイル104(たとえば、送信機コイル)を有する少なくとも1つのベースワイヤレス充電システム102と、少なくとも1つの電動車両誘導コイル116(たとえば、受信機コイル)を含む電動車両112の少なくとも1つの車両ワイヤレス充電システム114との間の、電場および/もしくは磁場、または電磁波を介して、電動車両112の内部の電気的負荷(たとえば、バッテリー)に電力系統から電気的エネルギーを伝送する。いくつかの実施形態に適合するワイヤレス電動車両充電システム100の様々な他の例が本明細書で説明される。
【００６２】
WEVCシステムから放射する電場は、送信機コイルおよび受信機コイルの周囲に高度に限局している。これらのシステムは大きな電流を流すコイルとともに動作するので、WEVCシステムからの磁場の放出が支配的であり得る。したがって、結合される磁束の変化率に比例する電磁力(EMF)(ファラデーの電磁誘導の法則)が、WEVCシステムの近くにいる人の内部に誘導される。このEMFは、人体の内部に誘導される電場(および電流)をもたらし、これらは、人体組織の導電性、さらには人体組織構造の不均質性に応じて変化する。
【００６３】
国際非電離放射線防護委員会(ICNIRP)および米国電気電子技術者学会(IEEE)のような国際機関が、時間変化する電場、磁場、および電磁場からの人体曝露を制限するためのガイドラインを提供している。(たとえば、ICNIRP 1998、「Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300GHz)」、Health Physics、74(4):494-522、1998年; ICNIRP 2010、「Guidelines for limiting exposure to time-varying electric and magnetic fields (1Hz to 100kHz)」、Health Physics、99(6):818-836、2010年; IEEE規格C95.1:1992、「IEEE Standard for Safety Levels with Respect to Human Exposure to Radio Frequency Electromagnetic Fields, 3kHz to 300GHz」、IEEE、ニューヨーク、ニューヨーク州、1992年を参照されたい。)確立されている健康への影響に直接基づくRF曝露に対する制限は、「基本制限」と呼ばれる。ICNIRPおよびIEEEは、(a)10MHz未満の周波数について、神経への刺激を防ぐための、中枢神経系の1cm2の断面積にわたる平均の誘導される電流密度(J)、または2mm×2mm×2mmの組織体積にわたる平均の誘導される電場(E)、または組織の5mmの長さにわたる平均の誘導される電場(E)に対する基本制限、(b)100kHzと10GHzとの間の周波数について、組織の加熱を防ぐための、1gまたは10gの組織体積にわたる平均の比吸収率(SAR)についての基本制限、および、(c)10GHzを超える周波数について、人体の表面またはその近くの組織の加熱を防ぐための、電力密度に対する基本制限を提供している。本明細書で説明されるいくつかの実施形態は、(たとえば、ICNIRPまたはIEEEの曝露ガイドラインにおいて記述されるような)曝露の尺度を平均することを含み得るが、本明細書で説明される実施形態は、E、J、SAR、もしくは電力密度に対する曝露の尺度を平均すること、人体組織の任意の特定の線、領域、もしくは体積にわたって、E、J、SAR、もしくは電力密度に対する曝露の尺度を平均すること、または、任意の特定の曝露ガイドラインもしくは規制のための規格において記述されるような平均化に限定されない。
【００６４】
【表１】
2017503197.tif 000003
【００６５】
人体の内部の誘導される場を評価するのは難しいので、ICNIRPは、基本制限を超える可能性が高いかどうかを判定するために、現実的な曝露評価のための入射する電場および磁場に関する「基準レベル」を提供している。これらの基準レベルは、均一な入射場に曝露される均質な人体モデルのワーストケースの結合条件のもとでの基本制限から導出されたものである。基準レベルと同様に、IEEEは、基本制限が満たされていることを確実にするための曝露評価を便利にするための、外部の電場および磁場、接触電流および電力密度に関する、最大許容曝露(MPE)レベルを提供している。
【００６６】
基準レベルは、局所的な曝露を個別に扱わない。基準レベルは、曝露される個人の体全体にわたって空間的に平均された入射場のレベルを表すように決定されている。その上、基準レベルは、均質なモデルを使用して決定されているので、高度に不均質な解剖学的人体モデルに対する正確な推定を与えないであろう。したがって、基準レベルは、WEVCシステムの近傍で発生する高勾配の場に対しては十分に当てはまらない。基準レベルを超えていたとしても、基本制限を超えていることには必ずしもならないが、基本制限に対する適合性を評価するために、より詳細な分析が有用であり得る。
【００６７】
WEVCシステムの近傍における高勾配の場の存在により、場のピークの位置では通常、基準レベルを超える。そうすると、適合性のための基準レベルを適用することは、すべての位置における場の強度がピーク値に等しいことを暗示し、このことは明らかに、過度に保守的な評価をもたらす。たとえば、図9に示されるように、基準レベルは、入射場が均一な分布を有しピークの場の強度に等しい強度を伴うという仮定に基づいて導出されるので、基準レベルは曝露を過大評価することがある。図9の上側部分は、電動車両112の下部のコイル104、116によって物理的に生成される電磁場600の強度の例を概略的に示し、最大の強度値はコイル104、116に近接する電動車両112の下部において発生し、コイル104、116からより離れた位置では強度が低下する。図9の下側部分は、電磁場が均一な強度分布を有し強度値がコイル104、116によって生成される最大の強度値に等しいという仮定に基づく、電磁場602の強度の例を概略的に示す。図9から理解され得るように、そのような仮定から得られる電磁場602は、物理的な電磁場600と比較して、電磁場の強度および曝露を明らかに過剰評価している。したがって、基本制限のより包括的な評価が、WEVCの適用例では望まれる。
【００６８】
RF曝露の評価
モーメント法(MoM)、有限要素法(FEM)、有限差分時間領域法(FDTD)、および積分方程式(IE)法が、数値的な電磁シミュレーションに利用される最も一般的な方法である。各方法には、固有の利点および欠点があり、すべての電磁的問題に適しているとは限らない。したがって、何年にもわたり、利点の一部を犠牲にしてFDTD法およびFEM法を特定の適用例に対してより適したものにすることによって、FDTD法およびFEM法の多くの変形が文献において開発されてきた。
【００６９】
FDTD法は、人の解剖学的モデルのような、複雑で不均質な構造体を伴う電磁シミュレーションを実行することに特に適している。(たとえば、A. TafloveおよびS. C. Hagness、「Computational Electromagnetics: The Finite-Difference Time-Domain Method」、Artech House, Inc、ボストン、米国、ロンドン、英国、second edition、2000年を参照されたい。)たとえば、34歳男性のモデル、26歳女性のモデル、11歳女児のモデル、および6歳男児のモデルを含む、「仮想的な家族」の不均質な解剖学的モデルが使用されることがあり、これは、人体の80個の異なる組織および器官に対して高い分解能(胴体に対しては1mmおよび頭部領域に対しては0.5mm)で利用可能であるような評価に適していることがある。(たとえば、A. Christ、W. Kainz、E. G. Hahn、K. Honegger、M. Zefferer、E. Neufeld、W. Rascher、R. Janka、W. Bautz、J. Chen、B. Kiefer、P. Schmitt、H. P. Hollenbach、J. Shen、M. Oberle、D. Szczerba、A. Kam、J. W. Guag、およびN. Kuster、「The Virtual Family - Development of surface-based anatomical models of two adults and two children for dosimetric simulations」、Physics in Medicine and Biology、55(2):N23-N38、2010年を参照されたい。)しかしながら、低周波(約100kHz)では、(数mm以内の)離散化された人体モデルのボクセルは、波長と比較して極度に小さく、この波長が、Courant-Frederick-Lewyの安定性基準に基づく最小の時間ステップを決定する。したがって、低周波でのFDTDシミュレーションは、シミュレーションの収束に極度に長い時間を要する、数千回(最小の時間ステップに対する期間の比)の繰り返しを利用する。(たとえば、R. Courant、K. Friedrichs and H. Lewy、「Uber die partiellen Differenzengleichungen der mathematischen Physik」、Mathematische Annalen、100 (1): 32--74、1928年を参照されたい。)
【００７０】
一方、FEM法は、解剖学的な人体モデルのような複雑な不均質な構造において実行するには制約がある。しかしながら、FEM法は周波数領域ベースのシミュレーションのソルバーであるので、FEM法は、均質なファントムモデル、または皮膚、脂肪、骨、および筋肉などのいくつかの層を含む簡略化された人体モデルを使用したとしても、低周波の曝露の評価に適している。
【００７１】
したがって、ハイブリッド手法を利用して、WEVCシステムから人の内部に誘導される場を評価することが望ましい。FDTDにおける低周波の制約の回避法は、周波数スケーリングを利用することであり得る。(たとえば、IEEE規格C95.3.1:2010、「IEEE Recommended Practice for Measurements and Computations of Electric, Magnetic, and Electromagnetic Fields with Respect to Human Exposure to Such Fields, 0 Hz to 100 kHz」、IEEE、ニューヨーク、ニューヨーク州、米国、2010年; J. F. DefordおよびO. P. Gandhi、「An impedance method to calculate currents induced in biological bodies exposed to quasi-static electromagnetic fields」、IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility、27(3): 168-173、1985; J. D. MoerlooseおよびM. A. Stuchly、「Reflection analysis of PML ABC's for low-frequency applications」、IEEE Microwave and Guided Wave Letters、6(4):177-179、1996年を参照されたい。)低周波において、準静的条件(ωε0εr<<σ)がすべての人体組織の誘電特性に対して満たされる場合、周波数スケジューリングが適用され得る。(たとえば、P. A. Hasgall、E. Neufeld、M. C. Gosselin、A. Klingenboeck、およびN. Kuster、「IT'IS Database for thermal and electromagnetic parameters of biological tissues」、Version 2.2、2012年7月11日、http://www.itis.ethz.ch/itis-for-health/tissue-properties/database/においてオンラインで入手可能、を参照されたい。)代替的に、有限要素に基づく準静的ソルバーも使用され得る。これらの方法は、人体の体幹および四肢におけるワーストケースの曝露を表す均質なモデルを開発するために使用され得る。結果として、FEMシミュレーションは、WEVCシステムの近くに配置されたそのような均質なモデルによって容易に実行され得る。誘導される場の制約に対する適合が達成される、WEVCシステムと均質なモデルとの間の最小の離隔距離は、「適合距離」と呼ばれる。典型的な使用条件において人がこの距離よりもWEVCシステムから離れている場合、WEVCシステムはRF曝露の制約に適合すると見なされる。
【００７２】
上で説明されたハイブリッド手法は、適用可能な制約に関する、典型的な使用シナリオにおけるRF曝露の評価を実施するために使用され得る。たとえば、傍にいる人、運転手、および同乗者がWEVCシステムに対する典型的な使用位置にいる間の(たとえば、運転席に座っている運転手、助手席のドアの外側に立っている傍にいる人)、彼らの中枢神経系(CNS)における誘導される電流密度(J)および/または誘導される電場(E)を決定することが、適合性を実証する際の最初のステップであり得る。
【００７３】
人は、電動車両の内部、さらには外部において、多くの異なる位置および姿勢をとっていることがあるので、すべてのあり得る位置(たとえば、運転席における、助手席における、後部座席における)および姿勢(たとえば、座っている、立っている、寝ているなど)および解剖学的構造(男性対女性、大人対子供など)における適合性を示すのは非現実的であり得る。したがって、RF曝露の制約に対するWEVCシステムの適合性の現実的な評価のために、人におけるワーストケースの曝露を表す均質な組織ファントムを利用するのが望ましい。
【００７４】
均質な組織ファントムの胴体および四肢モデル
本明細書で説明されるいくつかの実施形態では、WEVCシステムの隣にいる人における誘導される場の包括的なRF曝露の評価は、異なる人体モデル、様々な姿勢の、多くの離隔距離におけるシミュレーションを利用する。このシミュレーションは、上で説明された高度に詳細な不均質な解剖学的構造を使用して実行される場合、FDTDにおいて周波数スケーリングを適用するとき、または準静的シミュレーションを実行するときであっても、時間のかかる手法をもたらす。本明細書で説明されるいくつかの実施形態では、シミュレーションは、(a)解剖学的モデルにおけるバルク結合を表す均質なファントムモデル(たとえば、胴体および四肢のファントムモデル)を開発することと、(b)不均質な解剖学的モデルにおける局所的な曝露に対する均質な組織ファントムの慎重さを考慮するためにワーストケースの増強係数を決定することとを含む。
【００７５】
図10は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、ワイヤレス電動車両充電システム100からの電磁的曝露を評価するための例示的な装置700を概略的に示す。装置700は、ワイヤレス電動車両充電システム100に近接した少なくとも1人の人の少なくとも一部分の電磁的曝露を計算するように構成される、少なくとも第1の回路710を含む。少なくとも1人の人のその部分は、少なくとも1つの均質なファントムモデル712(たとえば、少なくとも1人の人の胴体を表す均質な胴体ファントムモデル714および少なくとも1人の人の四肢を表す複数の四肢ファントムモデル716)によってモデル化される。少なくとも1つの均質なファントムモデル712は、人体組織を代表する誘電特性を有する。装置700はさらに、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、計算された電磁的曝露をスケーリングするように構成される、少なくとも第2の回路720を含む。
【００７６】
本明細書で使用される場合、「不均質な解剖学的モデル」という語句は、人体の様々な部分の実際の組織および誘電特性(たとえば、導電率)と、これらの組織の差異と、人体の様々な部分の誘電特性とを反映するように設計されるモデルを含む、最大の合理的な解釈を有する。本明細書で使用される場合、「均質なファントムモデル」という用語は、モデル化するためにその均質なファントムモデルが使用されている人体のその部分にわたって組織または誘電特性に差異がない全般的に均一なモデルを含む、最大の合理的な解釈を有する。均質なファントムモデルは、モデル化されている最も一般的なタイプの組織の組織および誘電特性、高い導電率を有する組織の組織および誘電特性、または両方の組合せを反映するように設計され得る。たとえば、脳脊髄液は最も高い導電率を有し、筋肉は2番目に高い導電率を有するが、人体内で脳脊髄液は比較的少なく、人体内で筋肉は比較的豊富なので、均質なファントムモデルは、筋肉の組織および誘電特性を反映するように設計され得る。
【００７７】
ワイヤレス電動車両充電システム100の様々な例が、本明細書で説明される。いくつかの実施形態では、ワイヤレス電動車両充電システム100は、少なくとも1つのベースシステム誘導コイル104と電動車両112の少なくとも1つの車両ワイヤレス充電システム114とを有する少なくとも1つのベースワイヤレス充電システム102を含んでよく、少なくとも1つの車両ワイヤレス充電システム114は少なくとも1つの電動車両誘導コイル116を含む(たとえば、図8参照)。
【００７８】
いくつかの実施形態では、電磁的曝露を評価するための装置700は、ネットワークサーバ、ワークステーション、パーソナルコンピュータ、メインフレームコンピュータなどを含む、多種多様な形態をとり得る、特別にプログラムされたコンピュータを含む。そのような分析を実行するようにコンピュータを構成するコードは通常、CD-ROMのようなコンピュータ可読媒体によりユーザに提供される。コードはまた、ローカルエリアネットワーク(LAN)またはインターネットのようなワイドエリアネットワーク(WAN)の一部である、ネットワークサーバからユーザによってダウンロードされ得る。ソフトウェアを実行するコンピュータは、マウス、トラックボール、タッチパッド、および/またはキーボード、ディスプレイ、ならびに、ランダムアクセスメモリ(RAM)集積回路およびハードディスクドライブなどのコンピュータ可読メモリ媒体のような、1つまたは複数の入力デバイスを含み得る。コードの1つもしくは複数の部分、またはすべてが、ユーザから離れていてよく、たとえば、LANサーバ、インターネットサーバ、ネットワークストレージデビスなどのようなネットワークリソース上に存在していてよい。装置700は、ワイヤレス電動車両充電システム100に関する種々の情報(たとえば、構造情報、寸法、動作パラメータ、電磁的強度分布)、およびモデル化されるべき人に関する種々の情報(たとえば、寸法)を入力として受け取ることができる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、第1の回路710および第2の回路720の各々は、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタ論理、ディスクリートハードウェアコンポーネント、または、本明細書で説明される機能を実行するように設計されるそれらの任意の組合せを含み得る。プロセッサは、マイクロプロセッサであってよいが、代替的に、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロプロセッサ、または状態機械であってよい。プロセッサは、たとえばDSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携した1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成のような、コンピューティングデバイスの組合せとしても実装され得る。第1の回路710および第2の回路720は、互いに同じプロセッサを含んでよく、または、互いに別の2つ以上のプロセッサを含んでよい。
【００８０】
図11は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、適合性評価において人体を表すために使用され得る例示的な均質なファントムモデル712を概略的に示す。均質な胴体ファントムモデル714について、Foundation for Research on Information Technologies in Society(IT'IS)は最近、人類集団の体重、身長、および肥満度指数の統計的データを使用して、人類集団における人体の体幹部分による基地局アンテナからの電磁放射の95thパーセンタイルの比吸収率(SAR)を表すための、均質な胴体ファントム714を開発した。(たとえば、C. Gosselin、G. Vermeeren、S. Kuhn、V. Kellerman、S. Benkler、T. Uusitupa、W. Joseph、A. Gati、J. Wiart、F. Meyer、L. Martens、T. Nojima、T. Hikage、Q. Balzano、A. Christ、およびN. Kuster、「Estimation formulae for the specific absorption rate in humans exposed to base station antennas」、IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility、53 (4):909-922、2011年; Diverse Populations Collaborative Group、「Weight-height relationships and body mass index: Some observations from the diverse populations collaboration」、American Journal of Physical Anthropology、128(1):220-229、2005年を参照されたい。)これは、300MHzと5GHzの間で動作する基地局の近接場における曝露の評価のために開発された。たとえば、例示的な均質な胴体ファントム714は、高さ1540mm、幅340mm、および深さ90mmの寸法を有し得る。低周波では、この均質な胴体ファントム714は、人体の体幹部分において観測される電磁的曝露のバルク結合を表し得る。いくつかの実施形態では、均質なファントムモデル712は、人類集団の体重、身長、および肥満度指数の統計的データを使用して事前に決定されたSAR値を有する、人類集団における人体の体幹部分を表し得る。いくつかの実施形態の均質なファントムモデル712は、(たとえば、人体の四肢を別に表さない)均質な胴体ファントムモデル714だけを含み得る。いくつかの他の実施形態では、均質なファントムモデル712は、人体の対応する1つまたは複数の四肢を別に表すための、1つまたは複数の四肢ファントムモデル716を含む。
【００８１】
本明細書で説明されるいくつかの実施形態に適合する均質な四肢ファントムモデル(たとえば、均質な腕ファントムモデル716aおよび均質な脚ファントムモデル716bの例)が、図11に示されている。(たとえば、J. W. Jurgens、「Erhebung anthropometrischer Mabe zur Aktualisierung der DIN 33 402 - Teil 2 (Survey of anthropometric dimensions for the revision of DIN 33 402 - Part 2)」、Bundesanstalt fur Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin、Technical report、Schriftenreihe der Bundesanstalt fur Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin、(Federal Office for Occupational Safetyによって発行された研究論文、2004年)を参照されたい。)たとえば、例示的な均質な腕ファントムモデル716aは、幅48mmの正方形の断面を有し長さが810mmであり得る。同様に、均質な脚ファントムモデル716bは、幅170mmの正方形の断面を有し長さが910mmであり得る。いくつかの実施形態では、均質な四肢ファントムモデル716は、人類集団の体重、身長、および肥満度指数の統計的データを使用して事前に決定された寸法を有する、人類集団における人体の四肢を表し得る。
【００８２】
いくつかの実施形態では、少なくとも1つの均質な胴体ファントムモデル714および複数の均質な四肢ファントムモデル716の誘電特性は、(a)それらが人体組織を表すように、かつ(b)それらが人体における曝露レベルを過小評価しないように選ばれる。従来は、筋肉組織が胴体を表すために使用されてきた。(たとえば、連邦通信委員会、Office of Engineering Technology、Supplement C (Ed. 01-01) to OET Bulletin 65 (Ed. 97-01)、「Evaluating Compliance with FCC Guidelines for Human Exposure to Radiofrequency Electromagnetic Fields, Additional Information for Evaluating Compliance of Mobile and Portable Devices with FCC Limits for Human Exposure to Radiofrequency Emissions」、FCC、ワシントンDC、2001年6月を参照されたい。)いくつかの実施形態では、少なくとも1つの均質な胴体ファントムモデル714および複数の均質な四肢ファントムモデル716は、人体に対する電磁的曝露のワーストケースのバルク結合をシミュレートするのに十分な断面積とともに筋肉組織の特性を有するように定義される。同様に、いくつかの実施形態では、少なくとも1つの均質な胴体ファントムモデル714は、脳組織(たとえば、灰白色)の特性を有するSAMファントムを含んでよく、ICNIRP 1998により要求されるような、中枢神経系(CNS)において誘導される電流密度を評価するために使用されてよい。(たとえば、ICNIRP、「Response to questions and comments on guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic and electromagnetic fields (up to 300 GHz)」、Health Physics、75(4):438-439、1998年を参照されたい。)
【００８３】
いくつかの実施形態では、少なくとも1つの均質なファントムモデル712を使用して電磁的曝露の計算を実行するときに、少なくとも1つの均質なファントムモデル712におけるスケーリングされた電磁的曝露が、不均質な解剖学的モデルを使用して計算される電磁的曝露をシミュレートするが不均質な解剖学的モデルの電磁的曝露よりも保守的であるように、ワーストケースの増強係数が選択される。増強係数は、不均質な解剖学的モデルを使用して計算される、シミュレートされる電磁的曝露のピークの曝露の尺度(たとえば、少なくとも1人の人の部分におけるピークの誘導される電流、少なくとも1人の人の部分におけるピークの電場、少なくとも1人の人の部分における1g平均のピークの比吸収率(SAR)、少なくとも1人の人の部分における10g平均のピークのSAR、少なくとも1人の人の部分における体全体の平均のピークのSAR)を、少なくとも1つの均質なファントムモデル712を使用して計算される電磁的曝露のピークの曝露の尺度によって割ったものとして定義され得る。たとえば、スケーリングされた電磁的曝露のピークの曝露の尺度が、少なくとも1人の人の不均質な解剖学的モデルを使用して計算される電磁的曝露のピークの曝露の尺度をシミュレートし、それより小さくはないように、ワーストケースの増強係数が選択され得る。ワーストケースの増強係数(たとえば、スケーリングされた曝露が不均質な解剖学的モデルを使用して計算される曝露をシミュレートするがそれを超えないような最高の増強係数)を決定する際、不均質な解剖学的モデルの様々な領域が曝露され得る(たとえば、図12参照)。ワーストケースの増強係数は、異なる曝露の尺度(たとえば、電場E、電流J、SAR1g、SAR10g)に対しては異なり得る。ワーストケースの増強係数が決定されると、スケーリングされた曝露が不均質な解剖学的モデルを使用して計算される曝露よりも高いように、少なくとも1つの均質なファントムモデル712を使用して計算される曝露をスケーリングするために使用されてよく、これによって保守的な推定を実現する。いくつかの実施形態では、スケーリングされた電磁的曝露のピークの曝露の尺度を、少なくとも1人の人の不均質な解剖学的モデルを使用して計算される電磁的曝露のピークの曝露の尺度によって割った比が、1と1.2の間にあるように、1と1.15の間にあるように、1と1.10の間にあるように、または1と1.05の間にあるように、少なくとも1つの増強係数が選択され得る。
【００８４】
有利には、少なくとも1つの均質なファントムモデル712における(たとえば、胴体ファントムモデル714および複数の均質な四肢ファントムモデル716における)曝露は、異なる解剖学的モデル構造に対する慎重さ、発生源に対する解剖学的モデルの様々な向き、および異なる離隔距離に対して検証され得る。たとえば、IEC規格62209-2:2010、「Human exposure to radio frequency fields from hand-held and body-mounted wireless communication devices - Human models, instrumentation, and procedures - Part 2: Procedure to determine the specific absorption rate (SAR) for wireless communication devices used in close proximity to the human body (frequency range of 30 MHz to 6 GHz)」、IEC、ジュネーブ、スイス、2010年を参照されたい。
【００８５】
電磁場の動作周波数に応じて、適合性評価のために使用される曝露の尺度は異なる。たとえば、100kHz未満の周波数に対しては、誘導される電場Eおよび誘導される電流密度Jが適用され得る。100kHzと10MHzの間の周波数に対しては、誘導される電場E、誘導される電流密度J、1g平均のSAR、10g平均のSAR、および体全体の平均のSARが適用され得る。10MHzを超える周波数に対しては、1g平均のSAR、10g平均のSAR、および体全体の平均のSARが適用され得る。したがって、100kHz未満で動作するWEVCに対しては、図13に示されるように、誘導される電場Eおよび誘導される電流密度Jが適用され得る。しかしながら、少なくとも1つの均質なファントムモデルと少なくとも1つの増強係数とを使用する同じ手法が、100kHzと10MHzの間で動作するポータブル電子機器(たとえば、スマートフォンおよびタブレット)のワイヤレス充電などの、他の用途にも使用され得る。たとえば、そのような用途は、誘導される電場E、誘導される電流密度J、1g平均のSAR、10g平均のSAR、および体全体の平均のSARの1つまたは複数を評価することができる。
【００８６】
少なくとも1つの増強係数は、人体の様々な部分に対する、および、誘導される電流密度J、誘導される電場E、1g平均のSAR、10g平均のSAR、および体全体の平均のSARのような、様々な曝露の尺度に対する、増強係数を含み得る。たとえば、人体の特定の部分(たとえば、体幹、脚、腕)に対して、増強係数は、不均質な解剖学的モデルのその部分において見出されるピークの曝露の尺度(たとえば、誘導される電流密度Jまたは電場E)の、均質なファントムモデル712の対応する部分のピークの曝露の尺度(たとえば、均質な胴体ファントムモデル714のピークの曝露の尺度、複数の均質な四肢ファントムモデル716のピークの曝露の尺度)に対する比として定義され得る。いくつかの実施形態は、少なくとも1つの均質な胴体ファントムモデル714と複数の均質な四肢ファントムモデル716の両方に対して同じ増強係数を使用するが、いくつかの他の実施形態では、胴体ファントムモデルおよび四肢ファントムモデルに対して異なる増強係数が使用され得る。
【００８７】
少なくとも1つの増強係数は、人体の様々な位置および姿勢に対する増強係数を含み得る。たとえば、特定の位置(たとえば、電動車両112の特定された座席の中、特定された位置における電動車両112のそば)に対して、および/または、特定の姿勢(たとえば、立っている、座っている、寝ている)に対して、不均質な解剖学的モデルから計算されるピークの曝露の尺度の、均質なファントムモデル712から計算される対応する位置および姿勢のピークの曝露の尺度に対する比として増強係数は定義され得る。
【００８８】
様々な不均質な解剖学的モデルについてのシミュレーションを実行し、例示的なWEVCシステム100に対する多数の位置および姿勢のための対応する均質なファントムモデルについてのシミュレーションを実行することによって、少なくとも1つの増強係数が、多数の位置および姿勢に対して決定され得る。例示的なWEVCシステム100に対して決定されると、同じ少なくとも1つの増強係数が、評価されている他のWEVCシステム100のために使用され得る。
【００８９】
図12は、(a)電動車両112を伴わないWEVCシステム100の上で寝ている人を表す、ベースシステム誘導コイル104の上側での冠状面の向き、および(b)電動車両112の隣で横向きに寝ている傍にいる人を表す矢状面の向きに対して決定される、解剖学的モデルと均一な胴体ファントムモデルの増強係数のシミュレーションを示す。このシミュレーションは、図12の(A)に示されるように、仮想的な家族の解剖学的モデルの各々を、より近い離隔距離(たとえば、50mm)で、ベースシステム誘導コイル104の上側へ冠状面の向き(寝ている姿勢)に配置することによって、また、図12の(B)に示されるように、ベースシステム誘導コイル104からの典型的な離隔距離(たとえば、500mm)において、傍にいる人の矢状面の向き(横向きに寝ている)に配置することによって、仮想的な家族のすべての解剖学的モデルに対して実行され得る。加えて、解剖学的モデルは、人体の様々な領域を曝露するために、ベースシステム誘導コイル104のより広い寸法にわたって動かされ、仮想的な家族のすべての4つの解剖学的モデルに対して全体で22個のシミュレーションが得られた。仮想的な家族の立っている姿勢については、少なくとも1つの増強係数を評価するためにシミュレートされなかった。それは、そのような姿勢では、図12に示される寝ている姿勢と比較すると、曝露がより小さい(結合磁束がより小さい)からである。
【００９０】
筋肉組織を有する均質なファントムモデル712も、誘導される電場の99thパーセンタイル(ICNIRP 2010によって要求されるような)およびピークの誘導される電流密度(J)に対する増強係数を決定するために解剖学的モデルと同じ、ベースシステム誘導コイル104に対する位置および向きでシミュレートされた。その後、ワーストケースの値を決定するために、また、保守的な曝露評価を得るための均質なファントムモデル712において曝露値をスケーリングすることが望ましいかどうかを確認するために、増強係数の累積的な分布がプロットされた。図13は、図12に示された向きでの全体で22個のシミュレーションケースについて、99thパーセンタイルの誘導された電場(E)およびピークの誘導された電流密度(J)に対する増強係数に対してプロットされた累積分布関数(CDF)を示し、菱型のプロット点の各々は、解剖学的モデルを使用して特定の位置、姿勢、および家族のメンバーに対して計算された99th%の誘導される電場の、均質なファントムモデル712を使用した場合のその電場に対する比から得られる増強係数を表し、正方形のプロット点の各々は、解剖学的モデルを使用して特定の位置、姿勢、および家族のメンバーに対して計算されたピークの誘導される電流密度の、均質なファントムモデル712を使用した場合のその電流密度に対する比から得られる増強係数を表す。図13から理解され得るように、すべての位置、姿勢、および家族のメンバー、ならびに誘導される電場の99thパーセンタイルの値と誘導される電流密度の両方に対して得られる比は1よりも小さく、均質なファントムモデル712を使用して計算される電磁的曝露が解剖学的モデルを使用して計算される電磁的曝露の保守的な推定を与えることを示す。したがって、均質なファントムモデル712は、解剖学的モデルを使用して計算された推定値と比較すると、誘導される電場と誘導される電流密度の両方を常に過剰に見積もっているように見える。この処理は、他の曝露の尺度(たとえば、1g平均のSAR、10g平均のSAR、および体全体のSAR)に対して繰り返されると、1未満であることもまたはないこともある増強係数の様々なセットをもたらし得ることに留意されたい。加えて、これらの増強係数は、周波数とともに変化し、有利には評価対象のデバイスの動作周波数において決定され得ることに留意されたい。
【００９１】
人の解剖学的モデルのワーストケースの姿勢と、WEVCシステム100に対するワーストケースの向きとに対する曝露を決定することに加えて、ループが体の一部によって形成されると、たとえば、両手が互いに触れていると、または手が胴体に触れていると、曝露のさらなる増強が生じ得る。(たとえば、J. Nadakuduti、M. Douglas、P. Crespo-Valero、およびN. Kuster、「Comparison of different safety standards in terms of human exposure to electric and magnetic fields at 100 kHz」、33rd Annual Meeting of the Bioelectromagnetics Society (BEMS 2011)、ハリファクス、カナダ、2011年6月12日〜17日を参照されたい。)体のループは、ループにより囲まれる空間を通過するさらなる磁束を結合し、指先のようなループの狭い断面領域に集中する、増強された誘導される電流/場をもたらし得る。そのような場合に生じるさらなる増強は、均質なファントムを使用した曝露の評価を過小なものにし得る。
【００９２】
図14は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、WEVCシステム100からの電磁的曝露を評価するための例示的な方法800の流れ図である。動作ブロック810において、方法800は、WEVCシステム100に近接した少なくとも1人の人の少なくとも一部分をシミュレートするステップを含む。動作ブロック820において、方法800はさらに、少なくとも1人の人のその部分の電磁的曝露を計算するステップを含む。少なくとも1人の人のその部分は、人体組織を代表する誘電特性を有する少なくとも1つの均質なファントムモデル712によってモデル化される。動作ブロック830において、方法800はさらに、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルに基づいて電磁的曝露をシミュレートするように、計算された電磁的曝露をスケーリングするステップを含む。少なくとも1つの均質なファントムモデル712によってモデル化される少なくとも1人の人のその部分の計算された電磁的曝露および少なくとも1人の人の不均質な解剖学的モデルを使用して計算されるシミュレートされる電磁的曝露が、同じ曝露条件のもとで実行される。
【００９３】
いくつかの実施形態では、WEVCシステム100に近接した少なくとも1人の人のその部分をシミュレートし、少なくとも1人の人のその部分の電磁的曝露を計算するステップは、上で説明された第1の回路710によって実行され得る。たとえば、第1の回路710は、少なくとも1つの均質なファントムモデル712(たとえば、均質な胴体ファントムモデル714および複数の均質な四肢ファントムモデル716)を使用することができ、少なくとも1人の人の少なくともその部分をシミュレートするためにモデル化されるべきその人に関する情報(たとえば、寸法)を受け取ることができる。いくつかの実施形態では、第1の回路710は、第1の回路710への入力として(たとえば、別のコンピュータシステムから、またはシステム700のコンピュータストレージから)受け取られるWEVCシステム100に関する情報(たとえば、構造的情報、寸法、動作パラメータ)に基づいて、WEVCシステム100からの予想される電磁的強度分布を計算することができる。いくつかの他の実施形態では、第1の回路710は、WEVCシステム100の予想される電磁的強度分布を入力として(たとえば、別のコンピュータシステムから、または装置700のコンピュータストレージから)受け取ることができる。第1の回路710は、少なくとも1人の人のシミュレートされる部分と、WEVCシステム100からの予想される電磁的強度分布とを使用して、少なくとも1人の人のその部分の電磁的曝露を計算することができる。
【００９４】
いくつかの実施形態では、計算される電磁的曝露をスケーリングするステップは、上で説明された第2の回路720によって実行され得る。たとえば、第2の回路720は、第1の回路710によって生成される計算された電磁的曝露を入手することができ、(たとえば、不均質な解剖学的モデルを使用した様々な位置および姿勢にある人のシミュレーションと、例示的なWEVCシステムに対する様々な位置および姿勢についての対応する均質なファントムモデルによるシミュレーションとの、記憶されている比較結果から)以前に決定された少なくとも1つの増強係数を入手することができる。第2の回路720は、評価されているWEVCシステム100からの少なくとも1人の人のその部分に対する計算された電磁的曝露を、対応する少なくとも1つの増強係数と乗算して、少なくとも1人の人のその部分の不均質な解剖学的モデルを使用して計算された電磁的曝露のシミュレーションを生成することができる。
【００９５】
シミュレーション結果を確認するために、および特に、シミュレーションにおいて使用されるWEVCシステム100の数値モデルが物理デバイスの正確な表現であるかどうかを検証するために、WEVCシステム100によって放出された、シミュレートされた自由空間の磁場が、放出された場の測定結果と比較され得る。加えて、全体としての総計の不確かさを決定するために、シミュレーションと測定の両方のために、不確かさバジェット分析が実行され得る。シミュレートされた自由空間の磁場と測定された自由空間の磁場との間の偏差が総計の不確かさの範囲内にある場合、選ばれたシミュレーションモデルは、WEVCシステム100を良好に表現するものであると決定され得る。そうではない場合、WEVCシミュレーションモデルの正確さが、数値シミュレーション(たとえば、均質なファントムモデル)を使用したRF曝露評価を実行する前に改善され得る。
【００９６】
図15は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、WEVCシステム100に対する所定の電磁的曝露の制約への適合性を実証するための方法900の流れ図である。動作ブロック910において、方法900は、WEVCシステム100からの予想される電磁的強度分布を計算するステップを含む。たとえば、数値的な電磁シミュレーションが、WEVCシステム100の周囲の自由空間の場の分布をシミュレートするために実行され得る。動作ブロック920において、方法900はさらに、(たとえば、上で説明された方法800を使用して)WEVCシステム100から予想される電磁的曝露を評価するステップを含み得る。たとえば、様々な使用状況および離隔距離に対する数値シミュレーションが、解剖学的モデルにおける電磁的曝露のバルク結合を表す簡略化された均質なファントムモデルを使用して実行されてよく、曝露の結果は、不均質な解剖学的人体モデルにおける保守的な曝露の評価を得るために、ワーストケースの増強係数を使用してスケーリングされ得る。動作ブロック930において、方法900はさらに、その評価を使用してWEVCシステム100の適合性を実証するステップを含み得る。たとえば、適合性を実証するステップは、適合のための、WEVCシステム100に対する人の最小の離隔距離を決定することを含み得る。WEVCシステム100の近くの人がこの最小の離隔距離よりもすべての使用状況において離れていれば、曝露の制約に対する適合性は保証される。
【００９７】
以下の例は、本明細書で説明されるいくつかの実施形態による、WEVCシステム100の適合性の実証を示す。図16は、WEVCシステム100からの予想される電磁的強度分布を計算するために使用される、シミュレートされるWEVCシステム100の周囲の自由空間における磁場の分布を示す。ワイヤレス電力伝送システム100のモデルは、コイル構造の幾何学的形状、動作周波数、および、ベースシステム誘導コイル104(たとえば、送信機コイル)と電動車両の誘導コイル116(たとえば、受信機コイル)の両方における最大の動作電流を、それらの相対的な位相情報とともに含んでいた。加えて、入射場に対するワーストケースが決定された。WEVCシステム100から放出された場に影響を与える多くの変数があるので(たとえば、車の寸法、ワーストケースの地面条件、送信機コイルと受信機コイルとの間の離隔および位置合わせのずれ、ならびに、送信機コイル電流と受信機コイル電流との間の大きさの差と相対的な位相差など)、それらの影響が、ワーストケースの放出される磁場を決定するために数値的にシミュレートされ得る。たとえば、放出される電場は、このモデル化において仮定されるように、コイルの周囲に極度に局在化しているので、RF曝露に関してはあまり問題とはならないことがある。図17および図18は、例示的な3.3kWのWEVCシステム100についての、ベースシステム誘導コイル104(たとえば、送信機コイル)と電動車両誘導コイル116(たとえば、受信機コイル)の位置合わせのずれの、磁場に対する影響を示す。
【００９８】
上で述べられたように、自由空間の磁場が、WEVCシミュレーションモデルの正確さを検証するために実験的に確認され得る。たとえば、測定およびシミュレーションの総計の拡張不確かさよりも偏差が小さいかどうかを見るために、電動車両112の存在下での磁場の値の測定結果が、計算された予想される電磁的強度分布の確認のためのシミュレートされた場と比較され得る。これは、RF曝露評価を実行する前に、WEVCシミュレーションモデルの正確さを検証するために望ましいことがある。図19およびTable 2(表2)は、例示的なWEVCシステム100から放射する測定された磁場とシミュレートされた磁場との間の良好な相関の例を示す。
【００９９】
【表２】
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【０１００】
測定と数値シミュレーションの両方に対する不確かさの評価が、シミュレーションにおけるWEVCモデル表現の正確さを確認するために実行された。様々な不確かさの原因が独立であり、または限られた相互依存関係しか有しないと仮定して、様々な不確かさの原因の二乗平均平方根を実行することによって、全体の不確かさが計算された。自由空間の磁場の測定結果に対する不確かさの評価は、プローブの較正、プローブの等方性、線形性、RF環境雑音、離隔距離、電源のドリフトなどからの、不確かさの決定を伴う。数値シミュレーションの不確かさの評価は、シミュレーションパラメータ、収束、組織パラメータ、発生源のモデル化などからの不確かさの決定を伴う。(たとえば、IEEE規格1528.1 D1.0、「IEEE Draft Standard for Recommended Practice for Determining the Spatial-Peak Specific Absorption Rate (SAR) in the Human Body Due to Wireless Communications Devices, 30 MHz-6 GHz: General Requirements for using the Finite Difference Time Domain (FDTD) Method for SAR Calculations」、IEEE、ニューヨーク、ニューヨーク州、米国を参照されたい。)
【０１０１】
適合距離の推定について、制約に対する適合性を与える最小の離隔距離を決定するために、均質なファントムモデル712を使用して様々な向きおよび離隔距離に対して、RF曝露が評価された。WEVCの適用例では、適合距離が電動車両112の寸法よりも小さい場合、WEVCシステム100は適合していると見なされてよく、それは、電動車両112の近くの傍にいる人が当然、適合距離よりも遠い距離にいるからである。図20は、均質なファントムモデル712による評価を実行する例を示す。均質なファントムモデル712は、ワーストケースの磁場に対して特定されたホットスポットに配置され、次いで、様々な向き(たとえば、立っている、寝ている、または横向きに寝ている)に対して曝露が評価される。電動車両112の端の近くに、かつ図21に示される向きに(たとえば、横向きに寝かせて)均質なファントムモデル712を配置するときに、最大の曝露(たとえば、内部の電場および誘導される電流密度)が観測され得る。
【０１０２】
傍にいる人に対するワーストケースの曝露を決定するために、増強係数も考慮され、この曝露はICNIRPの基本制限よりも小さかった。
【０１０３】
この特定の例では、適合のための最小の離隔距離は、電動車両112の幅の半分よりも小さかった。したがって、評価されたWEVCシステム100は、傍にいる人に対するICNIRPの基本制約に適合している。
【０１０４】
低周波(<10MHz)におけるRF曝露の評価のための標準化された手順はないので、WEVCシステム100に近接している人における電磁的曝露は、有利なことに、推定のための本明細書で説明されたいくつかの実施形態から利益を得ることができる。本明細書で説明されるいくつかの実施形態は、数値シミュレーションの組合せを使用して人の内部の誘導される場を評価し、WEVCシステム100の(たとえば、ICNIRPのような国際機関により提供される曝露の制限に対する)適合性を実証するための実験的な確認を与えるために使用され得る。
【０１０５】
種々の異なる技術および技法のうちのいずれかを使用して、情報および信号が表され得る。たとえば、上記の説明全体にわたって言及され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、シンボル、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光学場もしくは光学粒子、またはそれらの任意の組合せによって表され得る。
【０１０６】
本明細書で開示される実施形態に関して説明される様々な例示的論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムステップは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、またはその両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアおよびソフトウェアのこの互換性を明確に示すために、様々な例示的なコンポーネント、ブロック、モジュール、回路、およびステップが、上では全般にそれらの機能に関して説明された。そのような機能がハードウェアとして実装されるか、またはソフトウェアとして実装されるかは、具体的な適用例および全体的なシステムに課される設計の制約に依存する。説明された機能は特定の適用例ごとに様々な方法で実装され得るが、そのような実装形態の決定は、本発明の実施形態の範囲からの逸脱を生じるものと解釈されるべきではない。
【０１０７】
本明細書で開示される実施形態に関して説明される様々な例示的なブロック、モジュール、および回路は、プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別ゲートもしくはトランジスタ論理、個別ハードウェア構成要素、または、本明細書で説明された機能を実行するように設計されたそれらの任意の組合せで、実装または実行され得る。プロセッサはマイクロプロセッサであり得るが、代替として、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと連携する1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。
【０１０８】
本明細書で開示される実施形態に関して説明される方法またはアルゴリズムおよび機能のステップは、直接ハードウェアで具現化されても、プロセッサによって実行されるソフトウェアモジュールで具現化されても、またはその2つの組合せで具現化されてもよい。ソフトウェアで実装される場合、それらの機能は、1つもしくは複数の命令もしくはコードとして有形の非一時的コンピュータ可読媒体上に記憶され、または有形の非一時的コンピュータ可読媒体を介して送信され得る。ソフトウェアモジュールは、ランダムアクセスメモリ(RAM)、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ(ROM)、電気的プログラマブルROM(EPROM)、電気的消去可能プログラマブルROM(EEPROM)、レジスタ、ハードディスク、リムーバブルディスク、CD ROM、または、当技術分野で既知である任意の他の形態の記憶媒体中に存在し得る。記憶媒体は、プロセッサが記憶媒体から情報を読み取り、かつ記憶媒体に情報を書き込むことができるように、プロセッサに結合される。代替形態では、記憶媒体はプロセッサと一体であり得る。本明細書で使用される場合、ディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(disc)(CD)、レーザディスク(disc)、光ディスク(disc)、デジタル多用途ディスク(disc)(DVD)、フロッピー(登録商標)ディスク(disk)およびブルーレイディスク(disc)を含み、ディスク(disk)は、通常、データを磁気的に再生し、一方ディスク(disc)は、データをレーザで光学的に再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲の中に含まれるべきである。プロセッサおよび記憶媒体はASIC内に存在し得る。ASICはユーザ端末内に存在し得る。代替として、プロセッサおよび記憶媒体は、ユーザ端末内に個別構成要素として存在し得る。
【０１０９】
本開示の概要を示すために、本発明のいくつかの態様、利点、および新規の特徴が本明細書で説明されてきた。本発明の任意の特定の実施形態に従って、そのような利点の必ずしもすべてが実現されるとは限らないことを理解されたい。したがって、本発明は、本明細書において教示された1つの利点または利点のグループを、本明細書において教示または示唆され得る他の利点を必ずしも実現することなく、実現または最適化するように具現化または実行され得る。
【０１１０】
上で説明された実施形態の様々な修正が容易に明らかになり、本明細書に定義された一般原理は、本発明の趣旨または範囲を逸脱することなく、他の実施形態に適用され得る。したがって、本発明は、本明細書に示された実施形態に限定されるように意図するものではなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴に一致する最大の範囲を与えられるものである。
【符号の説明】
【０１１１】
100  ワイヤレス電力伝送システム、WEVCシステム
102  ワイヤレス充電システム
102a  ベースワイヤレス充電システム
102b  ベースワイヤレス充電システム
104a  ベースシステム誘導コイル
104b  ベースシステム誘導コイル
108  通信リンク
110  電力リンク
112  電動車両
114  電動車両ワイヤレス充電システム、車両ワイヤレス充電システム
116  電動車両誘導コイル
118  バッテリーユニット
130  ローカル配電センター
132  電力バックボーン
134  通信バックホール
200  ワイヤレス電力伝送システム
202  ベースワイヤレス充電システム
204  ベースシステム誘導コイル
206  ベースシステム送信回路
208  電源
214  電動車両充電システム
216  電動車両誘導コイル
218  電動車両バッテリーユニット
222  電動車両受信回路
236  ベース充電システム電力コンバータ
238  電動車両電力コンバータ
300  電力伝送システム
302  ベースワイヤレス充電システム
304  ベースシステム誘導コイル
314  電動車両充電システム
316  電動車両誘導コイル
336  ベース充電システム充電コンバータ
338  電動車両電力コンバータ
342  ベース充電システムコントローラ
344  電動車両コントローラ
352  ベース充電整列システム
354  電動車両整列システム
354  ベース充電システム電力インターフェース
362  ベース充電案内システム
364  電動車両案内システム
366  案内リンク
372  ベース充電通信システム
374  電動車両通信システム
376  通信リンク
412  電動車両
422  バッテリー
424  BEVバッテリーコンパートメント
426  充電器とバッテリー間のコードレスインターフェース
428  バッテリーからEVへの接触レスインターフェース
530a  バッテリー空間
530b  バッテリー空間
530c  バッテリー空間
530d  バッテリー空間
532a  導電性シールド
532b  導電性シールド
532c  導電性シールド
532d  導電性シールド
534a  保護プラスチック層
534b  保護プラスチック層
534c  保護プラスチック層
534d  保護プラスチック層
536a  多巻コイル
536b  多巻コイル
536c  銅リッツ線多巻コイル
536d  銅リッツ線多巻コイル
538a  フェライト材料
538b  フェライト材料
538c  フェライト材料
538d  フェライト材料
540d  プラスチック充填剤
542d  電装車両誘導コイルモジュール
800  方法
900  方法
【図１】
2017503197.tif 000005
【図２】
2017503197.tif 000006
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2017503197.tif 000010
【図５Ｃ】
2017503197.tif 000011
【図５Ｄ】
2017503197.tif 000012
【図６】
2017503197.tif 000013
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2017503197.tif 000017
【図１１】
2017503197.tif 000018
【図１２】
2017503197.tif 000019
【図１３】
2017503197.tif 000020
【図１４】
2017503197.tif 000021
【図１５】
2017503197.tif 000022
【図１７】
2017503197.tif 000023
【図１９】
2017503197.tif 000024
【図２０】
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【図１６】
2017503197.tif 000026
【図１８】
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【図２１】
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【国際調査報告】
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